大體積混凝土的裂縫分析與防治

包寶喜

摘要：混凝土裂縫的防治在大體積混凝土工程中具有重要作用。本文詳細(xì)闡述了大體積混凝土的裂縫的發(fā)展過程，并以某座在建的橋梁大體積混凝土工程為依據(jù)，詳細(xì)介紹了裂縫的影響及防治因素，包括原材料和入模溫度等，然后結(jié)合工程實際的溫度監(jiān)控分析了幾種減少混凝土內(nèi)外溫差的具體方法和要求。這些方法有效的縮小了大體積混凝土內(nèi)外部的溫度差值，減小了結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個區(qū)域的溫度應(yīng)力值，避免了大量裂縫的產(chǎn)生，本次橋梁混凝土作業(yè)的裂縫發(fā)展情況表明這些措施的可行性，這些措施與要求標(biāo)準(zhǔn)將為同類型的大體積混凝土作業(yè)提供積極的參考意義。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;施工裂縫;裂縫原因;溫度監(jiān)控

中圖分類號：TU755 ???????????文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 引言

近幾十年來，在經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展下，大量的新材料，新工藝，新結(jié)構(gòu)，大型的工程逐漸增多，這些結(jié)構(gòu)中常常用到大體積混凝土，如房屋建筑中的基礎(chǔ)工程，橋梁建設(shè)中的墩臺，水庫的大壩，反應(yīng)堆的建筑設(shè)施，當(dāng)大體積混凝土越來越多的投入生產(chǎn)實踐，也充分展示了其獨有的特點，比如形狀占比大，澆筑量大，需要養(yǎng)護(hù)等。當(dāng)然，在此過程中，有一些不符合工程設(shè)計理念的現(xiàn)象也不斷出現(xiàn)，其中最常見的，也是最應(yīng)該引起工程界重視的，即裂縫問題。由此可見，展開對大體積混凝土的進(jìn)一步研究和剖析將會產(chǎn)生非同一般的作用。

現(xiàn)階段，我國工程界以及學(xué)術(shù)界，對的大體積混凝土進(jìn)行了深入的研究，取得了相應(yīng)的成果^[1-10]，以提高工程的質(zhì)量，安全和美觀。聶強(qiáng)等通過實驗證明了添加摻合料能有效降低水泥水化熱量，有效的減少內(nèi)部溫度的升高，溫度應(yīng)力也隨之減小。丁寶瑛等詳細(xì)分析了不同的混凝土參數(shù)對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。現(xiàn)以某在建的橋梁工程為例，對出現(xiàn)的問題進(jìn)行進(jìn)一步研究，并對相應(yīng)的混凝土裂縫的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)與分析。

2大體積混凝土的裂縫機(jī)理分析

在橋梁工程大體積混凝土中，裂縫是由內(nèi)外部的應(yīng)力應(yīng)變不對稱發(fā)展而導(dǎo)致的。首先，在混凝土的內(nèi)外部，不同的溫度形成溫差值，熱脹冷縮的機(jī)理，導(dǎo)致沿著溫度梯度方向，會產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力以及應(yīng)變，其次，混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外部的相互約束阻止溫度應(yīng)變的發(fā)展，但內(nèi)外部溫度各自不同程度的增長，自然產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，一旦該力超過了混凝土極限抗拉強(qiáng)度，裂縫就會出現(xiàn)，在砂漿中，因為水的含量較大，其裂縫的發(fā)展速度要快于其他區(qū)域，很容易形成貫通裂縫。

裂縫的發(fā)展和兩個原因有關(guān)，首先是溫度應(yīng)力，其次是變形時受約束力的大小。當(dāng)結(jié)構(gòu)體由于受力或者熱脹冷縮而發(fā)生變形時，結(jié)構(gòu)體周邊的與之接觸的其他結(jié)構(gòu)體以及自身內(nèi)部各質(zhì)點之間產(chǎn)生相互約束，這些約束將限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，但由于溫度梯度的存在，兩者形成一種相互斗爭的機(jī)制。其裂縫發(fā)展過程，?可以通過下列數(shù)學(xué)表達(dá)式闡述其裂縫發(fā)展機(jī)理：

當(dāng)

由上式可知：

1.當(dāng)土體中產(chǎn)生的應(yīng)力總和小于混凝土本身的極限抗拉強(qiáng)度時，則土體完整。而在各種引力中，溫度差導(dǎo)致的溫度應(yīng)力占有絕對的原因。溫差的變化值乘以混凝土的線性膨脹系數(shù)就可以得到混凝土的變形量。在全約束存在時，可用如下公式進(jìn)行混凝土收縮的相對變形量計算：

2.控制和縮小內(nèi)外溫度差值，同時也選用性能優(yōu)質(zhì)的混凝土。

3.控制澆筑混凝土?xí)r的溫度，可以從混凝土的配合比，優(yōu)化水泥品種，調(diào)整混凝土表面的養(yǎng)護(hù)條件等角度出發(fā)。

綜上所述，從根本上避免大體積混凝土的裂縫現(xiàn)象，主要可以通過兩種途徑，一方面改善混凝土，提高混凝土自身的性能，另一方面從溫度差值，內(nèi)外約束等外部因素入手。

2.1水化熱的影響

在大體積混凝土中，導(dǎo)致溫度逐漸變高的熱量主要來源于水泥本身的水化熱，在混凝土工程施工完的短時間內(nèi)，水化熱會生成大量的熱量，約占結(jié)構(gòu)體總熱量釋放量的一半，這些短時間內(nèi)聚集地?zé)崃渴沟么篌w積混凝土內(nèi)部的溫度迅速升高。所以，水化熱的作用，在混凝土的溫度變化中不容忽視。

如圖1所示，當(dāng)溫度升高時，水泥的硬化過程還沒有完全結(jié)束，此時，彈性模量和拉應(yīng)力等各項指標(biāo)都較小，只會產(chǎn)生一些表面的微型裂縫，但是隨著齡期的增加，混凝土的各項指標(biāo)動態(tài)發(fā)展，隨著時間推移，逐漸增強(qiáng)，如抗壓，抗拉強(qiáng)度，彈性模量等。對混凝土的變形的約束作用也逐漸明顯，這時就會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過大體積混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時，就產(chǎn)生較大的裂縫，如下圖2所示：

2.2收縮的影響

在大體積混凝土中，水化熱占有不同尋常的作用，其產(chǎn)生的熱量時導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度變化的主要因素，其中裂縫的類型主要包括兩種：

（1）表面裂縫，在土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由于封閉的原因，熱量流失的很慢，熱量的逐漸聚集，使得溫度上升，而外部快，因此而產(chǎn)生的溫度差造成了內(nèi)壓外拉的現(xiàn)象，在混凝土作業(yè)完成的幾天里，表面裂縫發(fā)展的較多。

（2）貫穿裂縫，大體積混凝土內(nèi)部的水化熱和外部的結(jié)構(gòu)的散熱速率達(dá)到了相對平衡，

在此之后，溫度開始逐漸降低，當(dāng)土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分進(jìn)一步水化以及蒸發(fā)后，混凝土體開始收縮，此時，由于外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部各質(zhì)點之間約束的存在，在土體中產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力會隨著實踐逐漸發(fā)展，當(dāng)某時刻，應(yīng)力大于土體的極限抗拉強(qiáng)度，就會產(chǎn)生裂縫。

在混凝土體的各個不同區(qū)域，水分蒸發(fā)的速率不同，在混凝土的澆筑作業(yè)完成后的幾天內(nèi)，土體表面在風(fēng)吹日曬下，水分流失快，而內(nèi)部中水分則流動緩慢，兩者差異，產(chǎn)生較大的干縮變形，伴隨內(nèi)部各質(zhì)點的約束，從而出現(xiàn)了裂縫。澆筑完成后，在水泥凝結(jié)過程結(jié)束前，強(qiáng)度很小甚至還沒開始形成強(qiáng)度，此時受高溫及大風(fēng)等外部天氣影響，土體表面的水分迅速散失，土體表面產(chǎn)生收縮，產(chǎn)生龜裂，裂縫一般是中間寬兩頭窄，長度不一，一般為一米左右。

3 大體積混凝土的裂縫防治

只有解決好混凝土內(nèi)外部溫度差的問題，才能解決好內(nèi)外部溫差過大的現(xiàn)象，從而解決溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。溫度升高所需的熱量主要來源于混凝土初始溫度和水化熱產(chǎn)生的熱量，所以控制溫度可以從水泥本身性質(zhì)和入模溫度兩方面采取措施來防治裂縫。

3.1 改善原材料

（1）水泥品種的選擇

在對水泥類型進(jìn)行選擇時，優(yōu)先考慮水化熱率低的水泥，如粉煤灰質(zhì)或者抗硫酸鹽水泥，其次是降低水泥用量，用粉煤灰等水泥，可以減少水化熱量。

（2）粗細(xì)骨料的選擇

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，粗細(xì)骨料的體積占比較大，一般可以達(dá)到70%左右，所以，骨料的性質(zhì)，級配比對混凝土的性質(zhì)具有決定作用。選用粗骨料，減少水泥砂漿的使用。在配合比設(shè)計時，宜選用20mm左右的細(xì)碎石，并且其含泥量應(yīng)當(dāng)小于1%。

（3）摻合料的選用

在對混凝土的配合比進(jìn)行設(shè)計的時候，經(jīng)常以少部分的粉煤灰代替部分水泥，這樣既可以減少水化熱，還可以改善其和易性。同時，也需要控制粉煤灰的摻量，過多的摻入會使早期極限抗拉強(qiáng)度降低，容易產(chǎn)生表面裂縫，在一般的生產(chǎn)實踐中，一般摻入15%的粉煤灰為宜。

3.2控制入模時的混凝土溫度

在不同的施工生產(chǎn)季節(jié)，混凝土的入模溫度有所不同，當(dāng)外界環(huán)境溫度高時，可以選擇在傍晚時分施工，盡量保證澆筑時的初始溫度在28℃，冬季等低溫季節(jié)，澆筑時的初始溫度不得高于4℃。解決好水泥澆筑的初始溫度，可以為后續(xù)控制溫度差提供很好的路徑。控制入模溫度，可從以下幾個步驟進(jìn)行控制：

（1）降低攪拌用水的溫度，在高溫季節(jié)，可以在攪拌水中添加適量的冰塊。

（2）控制沙石的材料溫度，在高溫季節(jié)，不要把原材料露天放置，應(yīng)當(dāng)置于防曬棚中。

（3）進(jìn)行運輸前，應(yīng)當(dāng)控制好施工進(jìn)度和需求，確保混凝土的連續(xù)供應(yīng)，其次對運輸罐車進(jìn)行保溫。

4 大體積混凝土施工時的監(jiān)控

在進(jìn)行混凝土施工時的溫度監(jiān)測時，要確定溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)，如內(nèi)部最高溫度不大于45℃，內(nèi)外部的溫度差值不大于25℃，降溫梯度不超過3℃/d等目標(biāo)。

4.1 改善澆筑方案

在混凝土工程的施工前，應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程環(huán)境，制定合理的建筑方案。比如在冬季等低溫施工期間，可選擇白天10點之后進(jìn)行澆筑;在澆筑混凝土?xí)r，當(dāng)外界環(huán)境溫度高時，可以選在凌晨澆筑，澆筑時要注意分層且及時振搗。根據(jù)現(xiàn)場施工狀況，如果振搗后，混凝土的密實度達(dá)不到相關(guān)要求，此時可選擇二次振搗。同時可以采取二次抹面來保證表面的平順性。

4.2預(yù)埋冷凝水管降低高溫

在大體積混凝土的施工中，利用水來直接降溫，時間短且效率高，比如在土體中埋設(shè)水管，通水來降溫是一種直接，有效的手段。水管鋪設(shè)完成且土體澆筑后，可根據(jù)監(jiān)測到的混凝土內(nèi)部溫度，選擇合適的水溫，通水來降溫。在大型工程中，制定合理的冷卻水管降溫方案，結(jié)合監(jiān)測溫度結(jié)果，確定合適的水溫，流速的冷卻水特征。

4.3控制拆模時間

大體積混凝土的模板對土體有著一定的支撐和保溫作用，只有當(dāng)混凝土體的強(qiáng)度達(dá)到相關(guān)的要求后，才能拆除，模板去除后，混凝土表面受到自重及自然環(huán)境的影響，產(chǎn)生較大應(yīng)力，從而產(chǎn)生表面裂縫。

4.4做好表面隔熱保護(hù)和養(yǎng)護(hù)

在模板被拆除以后，需要對混凝土進(jìn)行覆蓋，以此來達(dá)到隔熱保護(hù)和養(yǎng)護(hù)的效果，必要時進(jìn)行暖棚法養(yǎng)護(hù)。混凝土的養(yǎng)護(hù)，第一可以減少熱量的聚集或者散發(fā)，不斷縮小混凝土各不同區(qū)域的溫度差值，其次可以使的混凝土表面減少微型收縮，起到美觀的效。

5 結(jié)語

在對大體積混凝土的施工中，裂縫問題是工程人員要時刻注意的問題。嚴(yán)格依照有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行大體積混凝土的裂縫防治對工程的安全和質(zhì)量至關(guān)重要。針對這項復(fù)雜的施工技術(shù)，要明白其產(chǎn)生機(jī)理，然后從混凝土的原材料選擇，配合比設(shè)計，內(nèi)外溫度控制等一系列環(huán)節(jié)等進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制，消除裂縫問題的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]易軍. 大體積混凝土施工中的溫度裂縫控制探討[J]. 四川水泥， 2020（12）： 29-30.

[2]李明昊. 土木工程建筑中大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)探討[J]. 當(dāng)代化工研究， 2019（04）： 192-194.

[3]梅建北. 大體積混凝土的施工裂縫控制措施[J].交通世界， 2020（33）： 108-109.

[4]熊亮貴. 大體積混凝土溫控防裂措施在道橋工程中的應(yīng)用[J]. 黑龍江交通科技， 2020（04）： 104-105.

[5]江花平. 對橋梁施工大體積混凝土裂縫成因與防治研究[J]. 四川水泥， 2020（10）： 42-43.

[6]李勝旺. 大體積混凝土施工技術(shù)研究[J].施工技術(shù)， 2020（28）： 96-98.

[7]陸林. 公路橋梁大體積混凝土常見裂縫與施工控制工藝[J]. 智能城市， 2020（11）： 219-220.

[8]李濤. 橋梁大體積混凝土裂縫成因及控制措施[J]. 交通世界， 2020（14）： 142-143.

[9]王成. 大體積混凝土裂縫分析與控制[J]. 建材與裝飾， 2020（12）： 35-36.

[10]覃金忠. 大體積混凝土裂縫原因分析及預(yù)防控制措施[J]. 江西建材， 2019（10）： 137-139.