谈如何有效控制大体积混凝土裂缝
发布时间：2011-03-19 09:57:34更新时间：2011-03-19 09:57:34
1
摘要:本文阐述了市政桥梁等工程大体积混凝土结构裂缝的一般概念，对其裂缝产生的原因进行了分析，提出相应的裂缝控制的设计措施。
关键词:桥梁；大体积混凝土；裂缝；成因；措施
1 大体积混凝土结构裂缝的概念
大体积混凝土不同的国家定义不同。我国《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)认为,建筑物的基础最小边尺寸在1m～3m范围内就属大体积混凝土。
大体积混凝土结构的截面尺寸较大,裂缝一般在混凝土浇注短期内形成,此时设计荷载尚未作用于结构上,因此由外荷载引起裂缝的可能性很小。但由于水泥的水化作用是放热反应,大体积混凝土自身又具有一定的保温性能,因此其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多,而在混凝土升温峰值过后的降温过程中,内部降温速度又比其表层慢得多,在这些过程中,混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界约束的作用而在混凝土内产生的温度应力是相当复杂的。一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时,混凝土就会出现裂缝。
2 裂缝产生的原因
2.1水泥水化热
水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的7d左右，大量的水泥水化热使混凝土内部温度升高，在表面引起拉应力；后期在降温过程中，由于受到基础或表面已经凝固的混凝土的约束，因降温收缩的混凝土又会在内部引起拉应力，尤其对于大体积混凝土来讲，混凝土内部和表面的散热条件不同，内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化，这种内外温差巨大的现象更加严重，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。
2.2混凝土的收缩
混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下这种自发变形不会产生应力，但在受到外部约束时（支承条件、钢筋等），变形受限，在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。
2.3外界气温湿度变化的影响
浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。
3裂缝控制的有效措施
大体积混凝土的裂缝破坏了结构的整体性、耐久性、防水性，危害严重,必须加以控制,大体积开裂主要是水化热使混凝土温度升高引起的,所以采用适当措施控制混凝土温度升高和温度变化速度,在一定范围内,就可避免出现裂缝。这些措施包含了混凝土施工的全过程,包括选择混凝土组成材料、施工安排、浇筑前后降低混凝土的措施和养护保温等。
3.1优选混凝土各种原材料
3.1.1水泥的选择
理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。因此在大体积混凝土施工中应尽量使用低热或者中热的矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥,并尽量降低混凝土中的水泥用量,以降低混凝土的温升,提高混凝土硬化后的体积稳定性。为保证减少水泥用量后混凝土的强度和坍落度不受损失,可适度增加活性细掺料替代水泥。
3.1.2骨料的选择
在选择粗骨料时,可根据施工条件,尽量选用粒径较大、质量优良、级配良好的石子。既可以减少用水量,也可以相应减少水泥用量,还可以减小混凝土的收缩和泌水现象。在选择细骨料时,采用平均粒径较大的中粗砂,从而降低混凝土的干缩,减少水化热量,对混凝土的裂缝控制有重要作用。
3.1.3掺加外加料和外加剂
掺加适量粉煤灰,可减少水泥用量,从而达到降低水化热的目的。但掺量不能大于30%。掺加适量的减水剂它可有效地增加混凝土的流动性,且能提高水泥水化率,增强混凝土的强度,从而可降低水化热,同时可明显延缓水化热释放速度。
3.2设计优化措施
3.2.1精心设计混凝土配合比
在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能地降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)、二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)、一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值的抗裂混凝土。
3.2.2增配构造筋提高抗裂性能
配筋应采用小直径、小间距。避免结构突变产生应力集中,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
3.3施工控制措施
3.3.1大体积混凝土的施工
入模温度的高低,与出机温度密切相关,另外还与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有关。混凝土施工包括混凝土的生产、运输、浇筑及表面保护,是预防大体积混凝土温度裂缝的关键环节。而热应力的控制手段主要是控制混凝土的内外温差△T:
△T=Tp+Tr-Tf
式中:Tp—起始浇筑温度;
Tr—水泥水化温升;
Tf—天然或人工冷却后浇筑块的稳定温度。
在温度较高的情况下进行施工,我们一定要注意降低混凝土浇筑时的温度。可以在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖,以减少阳光对其的辐射,同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水。以上这些措施都可以有效的降低混凝土的入模温度。在混凝土的内部通入冷却循环水,采用循环法保温养护,以便加快混凝土内部的热量散发。混凝土表面应该覆盖一些织物进行保温、保湿养护,这样不但可以降低混凝土内外温差,防止表面产生裂缝,还可以防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝,并且可以使水泥顺利水化,防止产生湿度裂缝。为了及时掌握混凝土内部温升与表面温度变化值,可以在混凝土内埋设一定量的测温点,从而可以更好的了解混凝土的温度变化情况,一旦内外温差超过允许值25℃,好及时采取措施。
如果是在冬季进行施工,因为要防止早期混凝土被冻问题,所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。但另一方面,正由于天气寒冷,混凝土稳定温度一定较低,往往超过允许温差,达不到防止混凝土裂缝的要求。所以,混凝土浇筑温度在冬季施工时一般以5℃～10℃为宜,在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热,对原材料应视气温高低进行加热。加热石料时应避免过热和过分干燥,最高温度不应超过75℃。另外还要注意运输中的保温、浇筑过程中减少热量的损失以及保温养护。
3.3.2大体积混凝土的裂缝检查与处理
严格控制混凝土的浇筑速度,一次浇注的混凝土不可过高、过厚,以保证混凝土温度均匀上升。保证振捣密实,严格控制振捣时间,移动距离和插入深度,严防漏振及过振。对于混凝土裂缝,应以预防为主,为此需要精心设计、施工,但是由于目前采用的防止裂缝的安全系数较小,而实际情况又复杂多变,所以实际工程中还是难免出现一些裂缝。大体积混凝土的裂缝分为三种:表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。对于表面裂缝因为其对结构应力、耐久性和安全基本没有影响,一般不作处理。对深层裂缝和贯穿裂缝可以采取凿除裂缝,可以用风镐、风钻或人工将裂缝凿除,至看不见裂缝为止,凿槽断面为梯形再在上面浇筑混凝土。限裂钢筋,在处理较深的裂缝时,一般是在混凝土已充分冷却后,在裂缝上铺设1层～2层的钢筋后再继续浇筑新混凝土。对比较严重的裂缝可以采取水泥灌浆和化学灌浆。水泥灌浆适用于裂缝宽度在0.5mm以上时,对于裂缝宽度小于0.5mm时应采取化学灌浆。化学灌浆材料一般使用环氧-糠醛丙酮系等浆材。
3.3.3混凝土温度控制、监测与养生
(1)温度控制、监测。为降低大体积混凝土的水化热,在混凝土的内部通入冷却循环水,采用循环法保温养护,以便加快混凝土内部的热量散发。为能够较准确地测量出混凝土内部温度,在混凝土中预埋测温管,用水银温度计测温。上下层温差控制在15℃～20℃之内。根据各测点的温度,可及时绘制出混凝土内部温度变化曲线,对照混凝土理论计算值,分析存在的问题,有的放矢地采取相应的技术措施。
(2)混凝土养护。混凝土养护是大体积混凝土施工中一项十分关键的工作。主要是保持适宜的温度和湿度,以便控制混凝土的内外温差,促进混凝土强度的正常发展及防止裂缝的产生和发展。在尽量减小混凝土内部温升的前提下,大体积混凝土的养护是一项关键工作,必须切实做好。养护主要是保持适宜的温度和湿度条件,保温的目的有两个,一是减小混凝土表面的热扩散,减小混凝土表面的温度梯度,防止产生表面裂缝;二是延长散热时间,充分发挥混凝土强度的潜力和材料松驰特性,使平均总温差对混凝土产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度,防止产生贯穿性裂缝。潮湿养护的作用:一是刚浇筑不久的混凝土,尚处在凝固硬化阶段,水化的速度较快,适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生干缩裂缝;二是混凝土在保温(25℃～40℃)及潮湿条件下可使水泥的水化作用顺利进行,提高混凝土的极限拉伸和抗拉强度,使早期抗拉能力增长很快。在施工过程中正确规定拆模时间对防止裂缝的开展关系较大,早期因水泥水化热使混凝土内部湿度很高,如过早拆模,混凝土表面温度较低,形成很陡的温度梯度,产生很大的拉应力,这对于早期强度低,极限拉伸小的混凝土处于不利的温度条件下,就极易形成裂缝。因此大体积混凝土除要求强度外,还必须防止内外温差太大而引起裂缝。
(3)健全施工组织管理。在制订技术措施和质量控制措施的同时,还需落实组织指挥系统,逐级进行技术交底,做到层层落实,确保顺利实施。
4结束语
通过实践证明,在优化配合比设计,改善施工工艺,提高施工质量,做好温度监测工作及加强养护等方面采取有效技术措施,坚持严谨的施工组织管理,完全可以控制大体积混凝土温度裂缝和施工裂缝的发生。
关键词:桥梁；大体积混凝土；裂缝；成因；措施
1 大体积混凝土结构裂缝的概念
大体积混凝土不同的国家定义不同。我国《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204—2002)认为,建筑物的基础最小边尺寸在1m～3m范围内就属大体积混凝土。
大体积混凝土结构的截面尺寸较大,裂缝一般在混凝土浇注短期内形成,此时设计荷载尚未作用于结构上,因此由外荷载引起裂缝的可能性很小。但由于水泥的水化作用是放热反应,大体积混凝土自身又具有一定的保温性能,因此其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多,而在混凝土升温峰值过后的降温过程中,内部降温速度又比其表层慢得多,在这些过程中,混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束及外界约束的作用而在混凝土内产生的温度应力是相当复杂的。一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时,混凝土就会出现裂缝。
2 裂缝产生的原因
2.1水泥水化热
水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的7d左右，大量的水泥水化热使混凝土内部温度升高，在表面引起拉应力；后期在降温过程中，由于受到基础或表面已经凝固的混凝土的约束，因降温收缩的混凝土又会在内部引起拉应力，尤其对于大体积混凝土来讲，混凝土内部和表面的散热条件不同，内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化，这种内外温差巨大的现象更加严重，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。
2.2混凝土的收缩
混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下这种自发变形不会产生应力，但在受到外部约束时（支承条件、钢筋等），变形受限，在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。
2.3外界气温湿度变化的影响
浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。
3裂缝控制的有效措施
大体积混凝土的裂缝破坏了结构的整体性、耐久性、防水性，危害严重,必须加以控制,大体积开裂主要是水化热使混凝土温度升高引起的,所以采用适当措施控制混凝土温度升高和温度变化速度,在一定范围内,就可避免出现裂缝。这些措施包含了混凝土施工的全过程,包括选择混凝土组成材料、施工安排、浇筑前后降低混凝土的措施和养护保温等。
3.1优选混凝土各种原材料
3.1.1水泥的选择
理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。因此在大体积混凝土施工中应尽量使用低热或者中热的矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥,并尽量降低混凝土中的水泥用量,以降低混凝土的温升,提高混凝土硬化后的体积稳定性。为保证减少水泥用量后混凝土的强度和坍落度不受损失,可适度增加活性细掺料替代水泥。
3.1.2骨料的选择
在选择粗骨料时,可根据施工条件,尽量选用粒径较大、质量优良、级配良好的石子。既可以减少用水量,也可以相应减少水泥用量,还可以减小混凝土的收缩和泌水现象。在选择细骨料时,采用平均粒径较大的中粗砂,从而降低混凝土的干缩,减少水化热量,对混凝土的裂缝控制有重要作用。
3.1.3掺加外加料和外加剂
掺加适量粉煤灰,可减少水泥用量,从而达到降低水化热的目的。但掺量不能大于30%。掺加适量的减水剂它可有效地增加混凝土的流动性,且能提高水泥水化率,增强混凝土的强度,从而可降低水化热,同时可明显延缓水化热释放速度。
3.2设计优化措施
3.2.1精心设计混凝土配合比
在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能地降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)、二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)、一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值的抗裂混凝土。
3.2.2增配构造筋提高抗裂性能
配筋应采用小直径、小间距。避免结构突变产生应力集中,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
3.3施工控制措施
3.3.1大体积混凝土的施工
入模温度的高低,与出机温度密切相关,另外还与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有关。混凝土施工包括混凝土的生产、运输、浇筑及表面保护,是预防大体积混凝土温度裂缝的关键环节。而热应力的控制手段主要是控制混凝土的内外温差△T:
△T=Tp+Tr-Tf
式中:Tp—起始浇筑温度;
Tr—水泥水化温升;
Tf—天然或人工冷却后浇筑块的稳定温度。
在温度较高的情况下进行施工,我们一定要注意降低混凝土浇筑时的温度。可以在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖,以减少阳光对其的辐射,同时对浇筑前的砂石用冷水降温。在搅拌过程中向混凝土中添加冰水。以上这些措施都可以有效的降低混凝土的入模温度。在混凝土的内部通入冷却循环水,采用循环法保温养护,以便加快混凝土内部的热量散发。混凝土表面应该覆盖一些织物进行保温、保湿养护,这样不但可以降低混凝土内外温差,防止表面产生裂缝,还可以防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝,并且可以使水泥顺利水化,防止产生湿度裂缝。为了及时掌握混凝土内部温升与表面温度变化值,可以在混凝土内埋设一定量的测温点,从而可以更好的了解混凝土的温度变化情况,一旦内外温差超过允许值25℃,好及时采取措施。
如果是在冬季进行施工,因为要防止早期混凝土被冻问题,所以要求混凝土浇筑时应该具有较高的浇筑温度。但另一方面,正由于天气寒冷,混凝土稳定温度一定较低,往往超过允许温差,达不到防止混凝土裂缝的要求。所以,混凝土浇筑温度在冬季施工时一般以5℃～10℃为宜,在浇筑混凝土以前还应该对基础及新混凝土接触的冷壁用蒸汽预热,对原材料应视气温高低进行加热。加热石料时应避免过热和过分干燥,最高温度不应超过75℃。另外还要注意运输中的保温、浇筑过程中减少热量的损失以及保温养护。
3.3.2大体积混凝土的裂缝检查与处理
严格控制混凝土的浇筑速度,一次浇注的混凝土不可过高、过厚,以保证混凝土温度均匀上升。保证振捣密实,严格控制振捣时间,移动距离和插入深度,严防漏振及过振。对于混凝土裂缝,应以预防为主,为此需要精心设计、施工,但是由于目前采用的防止裂缝的安全系数较小,而实际情况又复杂多变,所以实际工程中还是难免出现一些裂缝。大体积混凝土的裂缝分为三种:表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。对于表面裂缝因为其对结构应力、耐久性和安全基本没有影响,一般不作处理。对深层裂缝和贯穿裂缝可以采取凿除裂缝,可以用风镐、风钻或人工将裂缝凿除,至看不见裂缝为止,凿槽断面为梯形再在上面浇筑混凝土。限裂钢筋,在处理较深的裂缝时,一般是在混凝土已充分冷却后,在裂缝上铺设1层～2层的钢筋后再继续浇筑新混凝土。对比较严重的裂缝可以采取水泥灌浆和化学灌浆。水泥灌浆适用于裂缝宽度在0.5mm以上时,对于裂缝宽度小于0.5mm时应采取化学灌浆。化学灌浆材料一般使用环氧-糠醛丙酮系等浆材。
3.3.3混凝土温度控制、监测与养生
(1)温度控制、监测。为降低大体积混凝土的水化热,在混凝土的内部通入冷却循环水,采用循环法保温养护,以便加快混凝土内部的热量散发。为能够较准确地测量出混凝土内部温度,在混凝土中预埋测温管,用水银温度计测温。上下层温差控制在15℃～20℃之内。根据各测点的温度,可及时绘制出混凝土内部温度变化曲线,对照混凝土理论计算值,分析存在的问题,有的放矢地采取相应的技术措施。
(2)混凝土养护。混凝土养护是大体积混凝土施工中一项十分关键的工作。主要是保持适宜的温度和湿度,以便控制混凝土的内外温差,促进混凝土强度的正常发展及防止裂缝的产生和发展。在尽量减小混凝土内部温升的前提下,大体积混凝土的养护是一项关键工作,必须切实做好。养护主要是保持适宜的温度和湿度条件,保温的目的有两个,一是减小混凝土表面的热扩散,减小混凝土表面的温度梯度,防止产生表面裂缝;二是延长散热时间,充分发挥混凝土强度的潜力和材料松驰特性,使平均总温差对混凝土产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度,防止产生贯穿性裂缝。潮湿养护的作用:一是刚浇筑不久的混凝土,尚处在凝固硬化阶段,水化的速度较快,适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生干缩裂缝;二是混凝土在保温(25℃～40℃)及潮湿条件下可使水泥的水化作用顺利进行,提高混凝土的极限拉伸和抗拉强度,使早期抗拉能力增长很快。在施工过程中正确规定拆模时间对防止裂缝的开展关系较大,早期因水泥水化热使混凝土内部湿度很高,如过早拆模,混凝土表面温度较低,形成很陡的温度梯度,产生很大的拉应力,这对于早期强度低,极限拉伸小的混凝土处于不利的温度条件下,就极易形成裂缝。因此大体积混凝土除要求强度外,还必须防止内外温差太大而引起裂缝。
(3)健全施工组织管理。在制订技术措施和质量控制措施的同时,还需落实组织指挥系统,逐级进行技术交底,做到层层落实,确保顺利实施。
4结束语
通过实践证明,在优化配合比设计,改善施工工艺,提高施工质量,做好温度监测工作及加强养护等方面采取有效技术措施,坚持严谨的施工组织管理,完全可以控制大体积混凝土温度裂缝和施工裂缝的发生。
学术前沿
学术知识
