大體積混凝土裂紋分析及預(yù)防措施

張壘 高建 劉中存 王輝

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司新疆伊寧835000

大體積混凝土裂紋分析及預(yù)防措施

張壘 高建 劉中存 王輝

伊犁新天煤化工有限責(zé)任公司新疆伊寧835000

通過對某大型塔設(shè)備的大體積混凝土裂紋產(chǎn)生原因進行分析，采取相應(yīng)的控制措施，避免或減少大體積混凝土裂紋的產(chǎn)生，保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

大體積混凝土裂紋成因分析

《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011）中大體積混凝土定義為：體積較大的、可能由膠凝材料水化熱引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致有害裂縫的結(jié)構(gòu)混凝土。在大型項目施工中,混凝土通常一次澆筑量較大,這種大體積混凝土的澆筑極易出現(xiàn)裂縫,如果不加以控制,會產(chǎn)生許多嚴(yán)重的后果。當(dāng)前，我國重大工程項目，尤其是煤化工、煉油裝置日益向著大型化發(fā)展。研究大體積混凝土裂紋的控制對于結(jié)構(gòu)安全、功能使用具有重要意義。

本文以某大型塔設(shè)備的混凝土基礎(chǔ)為例，對混凝土產(chǎn)生裂縫情況及其發(fā)生的可能原因進行了分析，并通過平行驗證，探索出了比較成熟的大體積混凝土有害裂縫的控制與預(yù)防方法。

1 裂紋情況

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和已定施工方案，該塔設(shè)備基礎(chǔ)澆筑養(yǎng)護9d后開始拆模，拆模后在基礎(chǔ)外側(cè)發(fā)現(xiàn)縱向裂紋。經(jīng)檢查共計13道裂紋，裂紋分布情況如見圖1所示。

裂紋為縱向通縫（基礎(chǔ)底板自頂面至底面），檢測中心現(xiàn)場檢測裂紋寬度為0.25～0.45mm；對現(xiàn)場其中一條裂紋進行鑿探檢查，測得裂紋深度為20～30mm,初步判斷為表面裂紋。

2 裂紋分析

2.1 裂紋成因分類

大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般要求一次性整體澆筑。通常情況下大體積普通混凝土的承臺、墩（臺）身在施工養(yǎng)護的過程中很容易開裂。產(chǎn)生裂紋的原因有很多種，裂紋的種類也較多，但主要分為兩種，即收縮裂紋和溫差裂紋。

2.1.1 收縮裂紋

混凝土收縮包括塑性收縮、干燥收縮和自收縮三類。

塑性收縮原因是混凝土沉降、泌水，一般發(fā)生在拌合后3～12h以內(nèi)，終凝前比較明顯。

干燥收縮是因為混凝土水分蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土體積變化。當(dāng)用水量、膠凝材料用量越多，水泥的水化熱大并向空氣中蒸發(fā)大量水分，混凝土的收縮就越大。

自收縮是在混凝土澆筑成型后與外界無水分交換的條件下，由于水泥水化造成混凝土內(nèi)部干燥而引起的。

收縮會產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力，如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過當(dāng)時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂紋。

2.1.2 溫差裂紋

混凝土內(nèi)部與表面或混凝土表面與環(huán)境溫差過大會產(chǎn)生溫差裂紋。水泥遇水發(fā)生水化作用，產(chǎn)生水化熱。由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，而其表面由于受內(nèi)部溫度影響較慢，且散熱較快，溫度較低，因此形成了較大的溫度差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。此時的混凝土齡期短，抗拉強度低，當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強度，則會在混凝土表面產(chǎn)生裂紋。

2.2 裂紋具體分析

2.2.1 混凝土原材料

經(jīng)過對混凝土原材料進行分析，塔設(shè)備基礎(chǔ)混凝土原材料均符合《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009），具體見表1。

表1 混凝土原料分析表

2.2.2 混凝土設(shè)計配合比設(shè)計分析

該塔設(shè)備基礎(chǔ)混凝土配比見表2。根據(jù)該配比，進行數(shù)據(jù)計算。

表2 混凝土配比表

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可得：混凝土試配強度，43.22N/mm2；計算水灰比，0.42；混凝土單位用水量，400.6kg/m3；選取砂率，40%；骨料用量，mco=400.6kg，mso=771.76kg，mgo=1157.64kg，mwo=170kg；每m3水泥用量，360.54kg；每m3粉煤灰用量，40.06kg；細骨料用量，757.91kg；混凝土基準(zhǔn)配合比，水泥∶砂∶石∶粉煤灰∶水=361∶758∶1158∶40∶170。

以上數(shù)值符合《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》JGJ55-2011及《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496—2009之規(guī)定。

2.2.3 混凝土的制備及運輸分析

該塔設(shè)備的混凝土由集中攪拌站提供，混凝土運輸采用混凝土攪拌運輸車，混凝土泵車實際平均輸出量為30.6m3/h；每臺混凝土泵車配備7臺混凝土攪拌運輸車。所有運輸車均具有防風(fēng)、防曬、防雨和防寒設(shè)施。攪拌運輸車在裝料前將罐內(nèi)的積水排盡再進行裝料運輸。運輸過程中均未向拌合物中加水。運輸過程中未出現(xiàn)分層離析現(xiàn)象。

混凝土的制備及運輸均符合《預(yù)拌混凝土》GB/T14902-2003及《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496—2009之規(guī)定。

2.2.4 混凝土施工過程分析

塔基礎(chǔ)混凝土澆筑過程嚴(yán)格按照監(jiān)國家相關(guān)規(guī)范、規(guī)定和審批確定的施工方案進行施工。

（1）混凝土的澆筑

兩臺混凝土汽車泵（47m）平均泵送約70m3/h，510m3混凝土理論時間7.28h澆筑完畢，實際澆筑時間為當(dāng)日13時開始澆筑,當(dāng)天24時結(jié)束，澆筑方量為504m3,連續(xù)澆筑時間約10h。

混凝土澆筑時采用循序推進、全面分層、連續(xù)澆筑的方法。混凝土澆筑應(yīng)滿足整體連續(xù)性的要求，初凝時間按2h控制，由專人統(tǒng)一指揮布料，避免出現(xiàn)施工冷縫。依據(jù)布料順序分區(qū)分層振搗混凝土，并由專人根據(jù)布料統(tǒng)一指揮振搗，責(zé)任到人，避免混凝土的冷縫和振搗不密實，保證質(zhì)量。在澆筑的過程中隨著混凝土內(nèi)部溫度的上升，混凝土的水化加快，凝結(jié)時間縮短，需要進一步加大澆筑速度，在已澆筑的混凝土暴露面初凝前，覆蓋上新澆混凝土，避免出現(xiàn)冷縫（見圖2）。

（2）泵送

施工中泵送的線路從東西兩端向中間澆筑，每層虛鋪混凝土厚度不超過500mm。砼推進寬度必須保證在已澆筑的混凝土暴露面初凝前覆蓋上新澆混凝土，避免出現(xiàn)冷縫。

（3）混凝土振搗

依據(jù)布料順序分層振搗混凝土，采用插入式振搗器振搗，鋼筋密集區(qū)采用加長插式振搗器振搗。底板與基礎(chǔ)插筋由于不宜直接從上部下料，只有使用振搗器往交叉點部位送料，通過四周分層擠壓出料方能把交叉點擠密實。混凝土振搗時振動棒直上直下，快插慢拔，插點距離不超過0.5m，振動上層混凝土?xí)r，振動棒必須插入下層50～100mm，以確保上下層混凝土結(jié)合處的密實度，振搗混凝土?xí)r間以15～20s為宜，不得欠振或超振。每臺泵車配備三臺振搗器，一臺振搗源頭處混凝土，控制澆筑厚度，兩臺在后細致振搗，特別應(yīng)加強兩臺泵澆筑面相接處的混凝土振搗，防止漏振。振搗以表面水平、不再下降、不再出現(xiàn)氣泡、表面泛出灰漿為準(zhǔn)。

（4）混凝土的泌水處理及表面處理

大流動性砼在澆筑、振搗過程中，上涌的泌水和浮漿順混凝土坡面下流到坑底，故在砼墊層施工時，預(yù)先在橫向上做出2cm的坡度，使大部分泌水順墊層坡度通過兩側(cè)模板底部預(yù)留孔排出坑外。少量來不及排除的泌水隨著砼向前推進被趕至坑頂端，由頂端模板下部的預(yù)留孔排至坑外。當(dāng)砼坡面的坡腳接近頂端模板時，改變砼的澆筑方向，從頂端往回澆筑與原斜坡相交成一個集水坑，另外有意識地加強兩側(cè)模板外的砼澆筑速度，這樣集水坑逐步在中間縮小成水潭，用軟軸泵及時排除，采取這種方法排除最后階段的所有泌水。

同時，對砼的表面進行處理。大體積泵送混凝土其表面水泥漿較厚，在混凝土澆筑結(jié)束后要認真處理，初步按標(biāo)高用長刮尺刮平，隔1～2h左右，用木搓二次打磨、壓實、找平，并用鋼抹子壓光，以閉合收水裂縫，隨后進行保溫、保濕養(yǎng)護。

從混凝土澆筑過程得知，混凝土施工過程均符合《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496—2009之規(guī)定。

2.2.5 混凝土養(yǎng)護過程分析

根據(jù)混凝土養(yǎng)護方案，采用了外部保溫、內(nèi)部循環(huán)水冷卻帶走水化熱的方法進行養(yǎng)護，并做好觀察記錄。

根據(jù)方案,基礎(chǔ)內(nèi)部布置了上下兩層冷卻水管，其中下層設(shè)置兩個系統(tǒng)，上層設(shè)置一個系統(tǒng),冷卻水管間豎向距為0.9m，水平間距為1.5m,管徑為Φ48×2.5，采用兩臺抽水機不間斷利用循環(huán)水冷卻；基礎(chǔ)表面采用棉被保溫確保內(nèi)外溫差不大于25℃?；A(chǔ)放置了6個測溫點,每個測點有表面、中心、底面三個測溫管（見圖3）,第一天安排技術(shù)人員間隔2h測溫一次,以后間隔4h測溫一次。

《建筑施工手冊》第四版計算出理論溫度變化值如圖4所示。根據(jù)現(xiàn)場實際測量溫度變化記錄任意取其中一點的天平均溫度進行對比（取3號測溫點），具體數(shù)據(jù)見圖5。

通過圖4、圖5的對比，可以得出計算結(jié)果與實際測溫的結(jié)果基本吻合?；炷琉B(yǎng)護過程符合《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496—2009之規(guī)定。

2.2.6 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

根據(jù)該塔基礎(chǔ)的施工藍圖及圖紙會審記錄內(nèi)容，塔設(shè)備基礎(chǔ)內(nèi)鋼筋配置見圖6、圖7，由圖6“1-1剖面圖”可見。其中在豎直方向上未設(shè)置抗溫變的構(gòu)造鋼筋。

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496—2009條文說明中第三節(jié)的第二條規(guī)定：大體積混凝土施工對結(jié)構(gòu)的配筋除應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)強度及構(gòu)造要求外，還應(yīng)滿足大體積混凝土施工的具體辦法配置承受因水泥水化熱和收縮引起的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的構(gòu)造鋼筋。

該混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計中未設(shè)置抗溫變的構(gòu)造鋼筋，不符合《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496—2009之規(guī)定，是構(gòu)成低溫甲醇洗洗滌塔基礎(chǔ)出現(xiàn)裂紋的直接原因。

2.3 裂紋成因總結(jié)

通過分析，可以得知大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的根本原因是由于其在凝固過程中體積收縮、產(chǎn)生水化熱、水分蒸發(fā)和溫差過大等原因產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力。在本項目中，塔設(shè)備基礎(chǔ)所采用的原料合格，配比適當(dāng)，施工工序和養(yǎng)護措施得當(dāng)。該塔設(shè)備基礎(chǔ)裂紋屬溫差裂紋，造成溫差裂紋的直接原因為未設(shè)置溫度構(gòu)造鋼筋。

2.3.1 設(shè)置抗溫度構(gòu)造鋼筋的原因

大體積混凝土溫度裂紋的關(guān)鍵在如下兩個時段：

（1）內(nèi)外溫差比較大時的溫度應(yīng)力，溫差過大會產(chǎn)生表面裂縫；

（2）降溫階段后期時的溫度應(yīng)力。降溫階段混凝土的收縮受到地基等外部約束而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力首先抵消升溫階段產(chǎn)生的壓應(yīng)力，而在降溫階段后期變成較大的拉應(yīng)力，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生貫穿裂紋甚至貫穿裂縫。

在混凝土表面適量配筋，約束混凝土在達到抗拉極限強度后的塑性變形從而分擔(dān)混凝土的內(nèi)應(yīng)力，推遲混凝土裂紋的出現(xiàn)，亦即提高了混凝土的極限拉伸，防止或減少裂紋的產(chǎn)生。

2.3.2 抗溫變構(gòu)造鋼筋的配置的原則

（1）大體積混凝土內(nèi)部不宜配置抗溫變構(gòu)造鋼筋

混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力較小，不會導(dǎo)致貫穿裂縫的產(chǎn)生，混凝土內(nèi)部一般不配置溫度構(gòu)造鋼筋。此外，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋和混凝土的熱膨脹系數(shù)差異較大，如果在高溫區(qū)設(shè)置構(gòu)造鋼筋，反而加大了混凝土的拉應(yīng)力。從這一角度來說，鋼筋也不宜配置在混凝土內(nèi)部中心區(qū)域。

（2）大體積混凝土表面應(yīng)配置抗溫變的構(gòu)造鋼筋

雖然在降溫階段混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了拉應(yīng)力，但與此同時混凝土的抗拉強度也在不斷提高，在厚度相對較小的設(shè)備基礎(chǔ)大體積混凝土中，產(chǎn)生的拉應(yīng)力一般不會超過其抗拉強度，所以溫度構(gòu)造鋼筋應(yīng)設(shè)置在混凝土表層，其目的是防止混凝土產(chǎn)生表面裂縫，中間層則不再設(shè)置溫度構(gòu)造鋼筋。當(dāng)基礎(chǔ)底板較厚（2.0m左右）時，為了提高混凝土的抗裂性能，底板中間層四周應(yīng)力相對較大的區(qū)域可以設(shè)置構(gòu)造鋼筋。

（3）大體積混凝土表面抗溫變構(gòu)造鋼筋加密區(qū)

溫度構(gòu)造鋼筋的加密區(qū)應(yīng)是溫度應(yīng)力相對較大的區(qū)域，由于同一深度平面四周拉應(yīng)力大于中心區(qū)拉應(yīng)力，所以表層溫度構(gòu)造鋼筋應(yīng)在平面四周加密，中心部位可相應(yīng)減少配筋率，從而避免由于應(yīng)力與鋼筋的數(shù)量不均衡現(xiàn)象而導(dǎo)致的混凝土開裂。

3 平行驗證

在本項目中，有設(shè)備基礎(chǔ)完全相同的塔兩個（1#塔和2#塔）。由于先澆筑的1#塔設(shè)備基礎(chǔ)產(chǎn)生了裂縫，并通過計算和分析得出了缺少抗溫變應(yīng)力的構(gòu)造鋼筋可能是裂縫產(chǎn)生的直接原因，在2#塔設(shè)備混凝土澆筑時采取措施，增加了構(gòu)造鋼筋，避免了裂縫的產(chǎn)生。

4 小結(jié)

大體積混凝土產(chǎn)生裂紋很常見，這是混凝土施工中的難點，但可避免或減少。合理地布置構(gòu)造鋼筋，并對易出現(xiàn)裂紋或裂縫的部位在施工過程中嚴(yán)格控制，采取有效的施工和養(yǎng)護措施，盡可能地避免開裂或減少裂紋的數(shù)量、長度和寬度。通過對裂紋或裂縫的妥善處理，控制裂紋或裂縫的產(chǎn)生，使其不至于對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害，保證結(jié)構(gòu)的正常使用。

1《大體積混凝土施工規(guī)范》(GB50496—2009),中冶建筑研究總院有限公司主編，2009年10月1日實施。

2《建筑施工手冊》（第四版），中國建筑工業(yè)出版社編，2003年9月出版。

3《預(yù)拌混凝土》（GB/T14902-2003），中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布，2003年12月1日實施。

4《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ55-2011），中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布，2011年12月1日實施。

5《建筑施工計算手冊》（第二版），作者：江正榮，2007年7月1日出版。

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