淺談建筑中大體積混凝土防裂縫控制措施

王 輝

隨著我國經濟的迅速發展,科學技術的進步,大體積混凝土在土木工程建設中得到了廣泛的應用。由于大體積混凝土體積龐大,一次性混凝土澆筑量大,工程條件復雜。若施工措施不力,極易產生各種混凝土結構裂縫,輕者會影響混凝土的耐久性,重者會嚴重影響混凝土的力學性能。

在施工中,混凝土產生裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化、混凝土的脆性和不均勻性以及結構不合理、原材料不合格(如堿骨料反應)、模板變形、亞歐大陸不均勻沉降等。混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力;后期在降溫過程中,由于受到基礎或老混凝土的約束,又會在混凝土內部出現拉應力;氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時,就會出現裂縫。另外,當混凝土表面濕度變化較大或發生劇烈變化(如養護不周、時干時濕,表面干縮形變受到內部混凝土的約束)時,也往往導致裂縫;由于原材料不均勻,水灰質量比不穩定及運輸和澆筑過程中的離析現象,在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的,存在著許多抗拉能力很低,易于出現裂縫的薄弱部位。因此,對大體積混凝土裂縫進行有效的消除或控制,成為施工中經常遇到的問題。下面以某工程為例,進行闡述論證。

1 工程概況

某大橋:主橋采用(80+128+80)m三跨預應力混凝土部分斜拉橋,引橋采用等截面預應力混凝土連續箱梁。主橋橋墩承臺高為4 m,混凝土量為3099.2 m3。如何控制好大體積混凝土承臺的施工成為本工程的一個重點。

2 裂縫產生主要原因

2.1 水泥水化熱的影響

1)混凝土的水化熱是由水泥水化作用產生的。在混凝土凝固階段,水泥凝結硬化過程中產生大量的熱量,大體積混凝土測溫試驗研究表明,水泥大部分水化熱在1 d～6 d內放出。如果表面拉應力超過此時的混凝土極限抗拉強度,就會在混凝土表面產生由溫差引起的裂縫。2)在水泥不斷水化過程中不斷消耗水分導致毛細孔中自由水減少,濕度降低,若外部養護水供應不充分,混凝土內部將產生自干燥現象。由自干燥作用導致毛細孔內產生負壓,引起混凝土內自干燥收縮導致產生混凝土自內而外的自生干縮裂縫。

2.2 混凝土收縮變形的影響

大體積混凝土澆筑初期,混凝土處于升溫階段及塑性狀態,彈性模量較小,因而變形引起的應力較小。當混凝土開始降溫時,因散熱而產生收縮;加之混凝土硬化過程中,混凝土硬化產生收縮。這兩種收縮會受到基底和結構本身的約束,產生很大的拉應力。如果產生的拉應力超過此時混凝土極限抗拉強度,混凝土就會產生收縮裂縫,這種裂縫若得不到嚴格控制,發展到一定程度,就會在混凝土中產生貫穿性裂縫。

2.3 外界氣溫的影響

大體積混凝土在施工階段,常受外界氣溫變化的影響,混凝土內部溫度是由水泥水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和混凝土的散熱溫度三者的疊加組成,其中澆筑溫度與外界氣溫有直接關系,外界氣溫越高,混凝土澆筑溫度也越高。如果外界氣溫突然下降,會大大增加混凝土內外溫差,因而造成過大的溫度應力,使大體積混凝土產生裂縫。

3 施工控制技術

3.1 材料方面

3.1.1 原材料

1)水泥。選擇合適水泥,嚴格控制水泥用量。選用強度等級42.5的低熱普通硅酸鹽水泥,水泥含堿量小于0.6%。為減少水化熱產生,應提前進行水泥儲備工作,進場水泥最少保證3 d以上的存放期才能使用。2)粗骨料。增大選擇粗骨料的粒徑,混凝土的收縮和泌水隨之減少,同時也減少了水泥用量,水泥的水化熱減少,降低了混凝土的溫升。3)細骨料。采用中粗砂,砂空隙率及總表面積均較小,不僅減少每立方米混凝土的水泥用量,還可提高混凝土的密實性與強度。4)摻合料。在混凝土中摻加磨細的粉煤灰代替部分水泥,可明顯降低混凝土水化熱,降低徐變、干縮性和熱膨脹系數,提高混凝土抗滲性能。5)外加劑。選用聚羧酸高效減水劑,其堿含量和表面張力較其他傳統減水劑具有明顯優勢,在常規摻量范圍內具有降低收縮的作用。6)超細粉。礦物質粉體的粒徑小于10 μ m的稱為超細粉。礦物質超細粉在混凝土中具有許多特殊功能,是HPC不可缺少的組成部分,超細粉混凝土的耐久性效應就是其中之一。

3.1.2 配合比選定

大體積混凝土配合比在選擇時,應考慮在滿足設計要求及施工工藝要求的前提下,盡可能降低混凝土的干縮與溫差收縮。為充分降低水泥水化熱的影響,本工程采用了超細粉代替部分水泥,大大降低了水化熱的產生。另根據混凝土結構物防腐設計要求,水膠比為0.31,配合比如下:水泥∶粉煤灰∶礦粉∶砂∶碎石∶水∶超細粉∶激發劑∶減水劑∶阻銹劑=200∶75∶200∶665∶1085∶155∶25∶6∶2.5∶10。此配合比經過試驗論證,氯離子含量為 0.03876 kg/m3,以上指標均能滿足設計及施工規范要求,可以用于現場施工。

3.2 施工工藝

1)混凝土澆筑前準備工作。備用砂石料設置遮陽棚,避免太陽直曬;保證水泥庫通風良好;拌合用水采用深層地下水。因本橋施工時天氣較熱,采用了拌合用水中加冰的方式降低用水溫度。2)混凝土拌制和運輸。在攪拌混凝土時采用二次投料法。3)混凝土澆筑與振搗。采用“分段定點,一個坡度,薄層澆筑,循序推進,一次到頂”的澆筑方法。在振搗過程中,要全面振搗,嚴格控制振搗時間,以混凝土開始泛漿和不冒氣泡為準。4)混凝土養護。保溫的目的是減小混凝土表面與內部溫差及表面混凝土溫度梯度,同時減少混凝土降溫速度,防止冷縮裂縫的發生。保濕時盡可能使混凝土處于濕潤狀態,讓水泥充分水化,增強混凝土的抗裂能力,防止干縮裂縫的發生。

3.3 混凝土的溫控

施工前在承臺內布設冷卻水管,垂直層間距1 m。在施工混凝土期間通入循環冷卻水,可消減混凝土澆筑初期水化熱升溫,有利于控制混凝土內部最高溫度,減小基礎溫差和內外溫差。冷卻管布設過程中應充分注意以下幾點:冷卻管直徑過粗,不利于循環水的冷熱交換,宜采用直徑50 cm的冷卻管;單根循環冷卻管的長度不宜超過250 m,如條件允許,可以多增加進水口。

4 施工效果

混凝土澆筑完成后安排專人進行溫度測量,實測最高溫度為72℃,拆除模板后未發現裂縫,說明施工中所采取的措施是成功的、有效的,為橋墩和上部結構施工奠定了基礎。

5 結語

大體積混凝土結構溫度裂縫控制是一個系統工程,在工程實踐當中要根據具體的要求進行控制。綜合工程的應用經驗提出以下防裂縫建議:1)合理分段,科學施工;2)重視混凝土原材料的選擇和配合比的選定;3)選擇合適的保溫養護方法;4)計算機輔助分析應用;5)跟蹤測試信息化施工技術。

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