大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生與控制

段海云

(山西呂梁公路建設(shè)有限公司，山西呂梁 033000)

0 引言

在混凝土工程中，裂縫是最常見的一種缺陷，是影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的最主要因素。微觀裂縫，指寬度一般在0.05 mm以下，肉眼不可見，為一般混凝土結(jié)構(gòu)所固有。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)外部溫度差很大，經(jīng)常出現(xiàn)很多裂縫是工程實踐中存在的常見問題。本文所稱裂縫指的是寬度超過0.05 mm，肉眼可見的宏觀裂縫。

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，一些大壩、橋梁以及高層建筑的基礎(chǔ)工程等大型工程項目越來越多，大體積混凝土應(yīng)用也越來越多。混凝土硬化時產(chǎn)生溫度裂縫是不可避免的。當出現(xiàn)的裂縫影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性時，就會對建筑物的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生極其不利的影響。因此，研究大體積混凝土溫度裂縫成因，進行溫度裂縫控制就尤為重要。

1 大體積混凝土裂縫的危害

在我國GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范中大體積混凝土的定義為，混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。

在大體積混凝土中，主要材料包括水泥、砂和石料等。在混凝土結(jié)構(gòu)中，水泥漿體硬化后，其干縮值比較大，石料會對水泥漿體的自由收縮產(chǎn)生限制，使得混凝土結(jié)構(gòu)從硬化開始就會在骨料與水泥漿體的粘結(jié)面上形成微裂縫。同時，由于混凝土中各種材料的物理性能不同，在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)諸如空洞、孔道、裂縫、疏松等固有缺陷。

在不大的外力或變形作用下，混凝土結(jié)構(gòu)中的微裂縫是穩(wěn)定的。但當受到外力導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生變形的作用較大時，在混凝土內(nèi)部的微裂縫逐漸發(fā)展擴大，甚至能夠?qū)τ不蟮乃嗍纬韶灤鸩桨l(fā)展成為宏觀裂縫，影響混凝土結(jié)構(gòu)安全。

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，存在的部分輕微細小的裂縫，甚至極少量的宏觀裂縫，這僅會對結(jié)構(gòu)外觀造成影響，對結(jié)構(gòu)的使用性能、耐久性能及安全性能不會有大的影響。但當宏觀裂縫逐步發(fā)展擴大，形成較寬較深的宏觀裂縫時，就給腐蝕介質(zhì)的侵入留下通道，水分及有害物質(zhì)順著裂縫滲入，誘發(fā)出現(xiàn)如鋼筋銹蝕、混凝土碳化和酥松脫落等病害，則會對結(jié)構(gòu)的耐久性和防水性造成破壞性的影響，影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全。

一旦出現(xiàn)裂縫，分析成因并采取適當?shù)难a救措施是非常必要的。在建筑物基礎(chǔ)、地下或半地下結(jié)構(gòu)中，裂縫最主要是對結(jié)構(gòu)的防滲性能產(chǎn)生影響。產(chǎn)生的裂縫寬度在0.1 mm～0.2 mm范圍內(nèi)時，會表現(xiàn)出輕微滲水，經(jīng)過一段時間的使用后一般可自愈。當裂縫的寬度范圍超過0.2 mm時，則必須進行處治，如采用化學注漿等。

2 裂縫產(chǎn)生的機理

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)裂縫的原因是多種多樣的，但拉應(yīng)力是裂縫產(chǎn)生的必要條件。在混凝土的結(jié)構(gòu)中，當發(fā)生體積變化時，一般主要是由于受到約束或荷載作用時，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力過大，超過混凝土結(jié)構(gòu)當時的抗拉強度時，則裂縫產(chǎn)生。

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)變形的內(nèi)外約束作用

當混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，在其內(nèi)部各質(zhì)點之間就會產(chǎn)生內(nèi)約束，表現(xiàn)為混凝土表面裂縫。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由于水泥水化熱使得其內(nèi)部溫度比表面高，相應(yīng)的產(chǎn)生的熱膨脹也比表面大，則會在混凝土結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力超過混凝土當時的抗拉強度時，則會形成混凝土表面裂縫(見圖1)。

當混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，不同結(jié)構(gòu)之間就會產(chǎn)生外約束，表現(xiàn)為混凝土深層裂縫。當大體積混凝土澆筑數(shù)日后，水泥水化熱基本完畢，混凝土內(nèi)部溫度就會逐漸降低。同時，集料中的多余水分也會蒸發(fā)，混凝土體積就會出現(xiàn)自由收縮。外部結(jié)構(gòu)會對混凝土的這種自由收縮產(chǎn)生約束作用。在外部結(jié)構(gòu)的約束作用下，內(nèi)外溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當溫度應(yīng)力(一般是拉應(yīng)力)超過混凝土當時的抗拉強度時，就會從約束面開始形成溫度裂縫，當溫度應(yīng)力足夠大時，形成的裂縫甚至會貫穿整個截面(如圖2所示)。

圖1 內(nèi)約束引起表面裂縫

圖2 外約束引起深層裂縫

在大體積混凝土裂縫中，外約束應(yīng)力占主要地位。

2.2 水泥水化熱

在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑初期，水泥水化熱引起溫升，且結(jié)構(gòu)表面自然散熱。因此，在澆筑后的3 d～5 d，混凝土內(nèi)部達到最高溫度。混凝土結(jié)構(gòu)自身的導(dǎo)熱性能差，且大體積混凝土由于體積巨大，本身不易散熱，水泥水化現(xiàn)象會使得大量的熱聚集在混凝土內(nèi)部，使得混凝土內(nèi)部迅速升溫。而混凝土外露表面容易散發(fā)熱量，這就使得混凝土結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)高外低，且溫差很大，形成溫度應(yīng)力。當產(chǎn)生的溫度應(yīng)力(一般是拉應(yīng)力)超過混凝土當時的抗拉強度時，就會形成表面裂縫。

3 大體積混凝土溫度裂縫的控制措施

從以上可以看出，混凝土裂縫形成受多種因素的影響，主要是水泥水化熱大量積聚使得混凝土早期溫升和后期降溫導(dǎo)致溫度應(yīng)力過大。在施工中，對裂縫成因的影響因素進行分析，可針對性的解決大體積混凝土裂縫問題。

3.1 影響因素

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，影響溫度裂縫形成及擴展的因素很多，主要包括混凝土結(jié)構(gòu)中的水泥使用量、配合比設(shè)計、外加劑與施工工藝、養(yǎng)護條件等。

1)原材料和配合比。

水泥量、水泥強度、水泥活性、水膠比、骨料粒徑、骨料含泥量、摻合料、外加劑等混凝土本身性能起決定性作用。

2)施工質(zhì)量。

在施工中，混凝土的攪拌時間、運輸流程及時間、澆筑時機、振搗工藝、養(yǎng)護作業(yè)，模板拆除和預(yù)應(yīng)力施工的時機，施工接槎處理，壓抹、施工季節(jié)等都對施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3)設(shè)計缺陷。

結(jié)構(gòu)體型、結(jié)構(gòu)設(shè)縫、局部配筋不足、配筋方式不當、保護層厚度不夠、環(huán)境條件選擇不當?shù)仍O(shè)計合理與否對裂縫狀態(tài)具有重要影響。

4)使用環(huán)境耐久性。

嚴重超載、疲勞荷載等非設(shè)計工況、改變結(jié)構(gòu)用途、改造結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)超期服役而抗力退化、侵蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)長期使用、沒有及時維護需定期更換的構(gòu)件。

3.2 裂縫控制措施

在大體積混凝土項目建設(shè)中，裂縫有時會成為貫穿全斷面的結(jié)構(gòu)性裂縫，造成結(jié)構(gòu)安全隱患。要減少裂縫的發(fā)生，主要是從有效控制混凝土的溫升，延緩前期降溫速率，減少后期收縮，提高混凝土的抗拉值，改善約束條件，完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和加強施工中的溫度監(jiān)測等方面采取措施。

1)從設(shè)計角度控制。

設(shè)置伸縮縫，釋放大部分的熱量和變形，減小約束應(yīng)力。合理布置鋼筋，以減輕混凝土的收縮，限制裂縫的展開。設(shè)置后澆帶。

2)從施工角度控制。

a.控制出機溫度。

對混凝土出機溫度影響最大的是石子。在施工中，采取有效方法降低石子溫度。

b.控制澆筑溫度。

施工時，混凝土的澆筑溫度過大會引起較大的干縮，應(yīng)采取措施適當控制澆筑溫度在40℃以下為宜。

c.澆筑工藝和處理。

在施工中，采用二次投料的砂漿裹石工藝和凈漿裹石攪拌工藝，利于提高混凝土的密實度，有效提升混凝土的極限拉伸值和抗裂性能。

合理確定澆筑順序，加強振搗。

d.養(yǎng)護措施。

進行潮濕養(yǎng)護，通過在表面不斷地補給水分，降低內(nèi)外溫差。如淋水，鋪設(shè)濕砂層、濕麻袋或草袋等，一般不少于半個月。

e.加強溫度檢測。

在混凝土硬化過程中，監(jiān)測其內(nèi)部溫度場變化分布情況，以采取相應(yīng)措施，確保混凝土不產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力。

3)原材料角度控制。

水泥的品種及用量:應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，選擇水化熱低且強度高的水泥。同時，在確保混凝土強度和耐久性的前提下，盡可能的減少水泥用量，以緩解水熱化。

在配合比設(shè)計中，適量的加入外加料，能有效降低水泥用量，降低澆筑前期的升溫，減少后期的收縮。如:適量摻入木質(zhì)素磺酸鈣(也稱木鈣)用作減水劑使用，可顯著降低水化熱，延遲水化熱釋放速度(如表1所示)。適量摻入膨脹劑(AEA:礬土水泥、天然明礬石、硬石膏;UEA:燒結(jié)明礬石、天然明礬石、硬石膏等)置換相同質(zhì)量的水泥，產(chǎn)生的膨脹自應(yīng)力可使混凝土處于受壓狀態(tài)，抵消產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力，避免裂縫的發(fā)生和發(fā)展。適量摻入粉煤灰能有效地提高混凝土的抗?jié)B性能，顯著改善混凝土拌合料的工作性能，并具有減水作用。

表1 水泥中摻入木鈣后的水化熱情況對比

在施工中，上述措施并不是孤立的，必須結(jié)合工程實際，綜合考慮施工條件、現(xiàn)場氣候、工程成本等多種因素，選擇采用合適的控制措施，以取得良好的裂縫控制效果。

4 結(jié)語

在大體積混凝土中，裂縫會給結(jié)構(gòu)帶來質(zhì)量隱患。在大體積混凝土工程項目中，根據(jù)混凝土性質(zhì)，優(yōu)化混凝土配合比，精心組織施工，做好混凝土的養(yǎng)護，同步監(jiān)測混凝土的溫度，就可以很好的控制混凝土有害裂縫的產(chǎn)生，保證混凝土澆筑的施工質(zhì)量。

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