大体积混凝土温度裂缝的成因及控制
陈宝春 (浙江义乌工商学院土木工程系,浙江义乌 322000)
摘 要:分析了大体积混凝土温度裂缝的形成原因,提出了预防和控制大体积混凝土温度裂缝的技术措施,为提高工程质量、预防工程质量事故提供了参考。
关键词:大体积混凝土;温度裂缝;施工工艺
中图分类号:TU 528.52 文献标识码:B
引言
大体积混凝土在大坝水工结构中应用的最多。20世纪80年代以后,随着高层及超高层建筑在我国大中城市的相继出现,大体积混凝土开始在这些建筑物的底板基础工程中得到广泛的应用。由于大体积混凝土结构厚、体形大、施工条件复杂、技术要求高,因此,在施工过程中,除了要满足刚度、强度和耐久性的要求之外,最突出的问题是要严格预防由于温度变形裂缝而导致的工程质量事故。以下结合笔者的工作实践,就大体积混凝土裂缝的形成原因进行分析,并介绍一些有效控制大体积混凝土裂缝的技术措施和方法,供参考。
1 裂缝形成的原因
总的来讲,钢筋混凝土结构出现裂缝主要有以下两个方面的原因:一是在荷载作用下,因混凝土结构的强度、刚度或稳定性不够而出现的混凝土裂缝;二是由于温度、收缩、不均匀沉降等引起混凝土结构的裂缝。大体积混凝土的裂缝多属于第二类原因。
1.1 水泥水化热引起的裂缝
水泥水化热引起的温度应力和温度变形,是大体积混凝土容易产生裂缝的主要原因。据资料介绍,水泥水化过程中释放的热量约为502.42 J/g,加上混凝土浇注时自身所具有的环境温度,这两种温度形成混凝土的内部温度。当混凝土内部与表面的温差过大时,就会产生温度应力和温度变形。混凝土内部的最高温度多出现在浇注后的3~5 d。
混凝土的温度应力与混凝土的厚度、结构尺寸和温差密切相关。温差越大,混凝土的温度应力越大;混凝土的结构尺寸越厚、越大,混凝土的温度应力越大。另一方面,水泥用量越大,产生的水化热越高,其温度应力也越大。当这种拉应力超过混凝土的抗拉强度时,就会产生混凝土裂缝。
1.2 外约束与内约束的影响
混凝土内部各质点相互影响、相互制约,这种现象叫约束。任何结构在变形变化过程中,必然受到来自各方面的阻碍变形的约束。对大体积混凝土来讲,早期水化作用产生的大量水化热,使混凝土的内部温度不断上升,其中中间部位的温度高,形成的是压应力,表面温度低,形成的是拉应力。在内外温度变化不一致的情况下,混凝土就会产生不均匀收缩。另一方面,混凝土浇注一段时间(约5 d左右)后,混凝土的温度会逐渐下降引起收缩,结构内部多余水分的蒸发也会导致混凝土的收缩变形。这些变形在受到地基和外界条件约束的情况下,就产生了较大的拉应力。当上述这两种拉应力超过混凝土的抗拉强度时,就会导致混凝土的开裂,严重时还会形成贯穿裂缝,影响到结构的整体性、耐久性和防水性。
1.3 外界气温变化的影响
混凝土内部温度是由水泥水化热温度、浇注温度和散热温度共同组成的,其中浇注温度是混凝土拌合物出机后经运输、卸料、泵送、浇注、振捣等工序后的温度。混凝土的浇注温度与外界气温的高低有直接的关系。当外界气温高于混凝土拌合物温度时,因混凝土内部热量不易散失,内部温度高容易引起混凝土开裂;反之,当外界气温比较低,尤其是温度骤降时,容易在混凝土内部和表面之间形成很陡的温度梯度,从而导致混凝土产生温度裂缝。
2 控制大体积混凝土裂缝的技术措施根据以上对大体积混凝土裂缝形成原因的分析,要预防混凝土裂缝的产生,必须尽量降低混凝土的发热量,防止因温度变形过大而引起结构物的开裂。
2.1 材料的选择
(1)大体积混凝土宜选用水化热低、凝结时间长的水泥。在同等条件下,应优先选用矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥或复合水泥;当采用硅酸盐水泥或普通水泥时,应采取一些行之有效的延缓水化热释放的技术措施。
(2)骨料宜采取连续级配,同时要尽量减小水泥用量和混凝土的水灰比,以降低混凝土的水化热和体积收缩。在施工条件允许的前提下,应尽量选用粒径较大、级配良好的粗骨料,且不得含有各种有机杂质,其含泥量应≯1 %,最大粒径以不大于钢筋间最小净距的3/4为宜。细骨料应选用中砂或粗砂,含泥量应≯2 %。
(3)掺入适量的外加剂,可显著改善混凝土的和易性,从而降低用水量和混凝土的水化热。例如在混凝土中掺入占水泥质量0.25 %的木质素磺酸钙,可减少10 %的拌和水,节约10 %的水泥;若在混凝土中加入适量的粉煤灰,则粉煤灰的润滑作用也能改善混凝土的粘塑性和可泵性,可减少水泥的使用量。
2.2 出机温度和浇注温度的控制
2.2.1 出机温度T0的控制
控制出机温度是降低大体积混凝土总温度的主要措施之一。根据搅拌前原材料总热量与搅拌后混凝土总热量相等的原理,出机温度T0的计算公式为:
2.2.2 控制浇注温度
根据有关规定,浇注温度宜控制在25℃以下。因此,必须合理安排施工时间,尽量避免在高温时段进行混凝土浇注。同时要尽量加快施工速度、缩短浇注时间,尽量降低混凝土的浇注温度,减少结构物的内外温差,并延长混凝土的初凝时间。
2.3 改善混凝土的施工工艺
混凝土容易开裂的内在原因是混凝土的抗拉强度远小于抗压强度,所以,在施工过程中,要采取各种措施来提高混凝土的抗拉强度。
2.3.1 采用二次投料法搅拌工艺
为了提高混凝土骨料与水泥砂浆间的粘接能力,可采用砂浆裹石或纯水泥浆裹石搅拌新工艺,使硬化后的水泥浆与石子间形成更致密的结构界面,从而增强骨料与水泥石的粘接强度,提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值。
2.3.2 采用二次振捣工艺
二次振捣是在第一次振捣后,于凝结前的适当时间再重复进行二次振捣的一项新工艺。二次振捣能减少混凝土的内部裂缝,增强混凝土的密实性,从而提高混凝土的抗裂性。
2.3.3 加快浇注的施工进度
冬、夏季施工时,要根据大体积混凝土的结构尺寸、钢筋疏密、混凝土供应条件等合理分段、分层,采取“一个坡度、薄层浇注、循渐推进、一次到顶”的浇注方法,以减少因炎热高温或寒冷低温袭击引起的表面裂缝。
2.4 养护
混凝土成型后,要根据气候条件采取相应的控温措施,将内外温差严格控制在设计要求范围以内;当设计无要求时,混凝土的温度宜≯25℃。
(1)混凝土的养护时间根据水泥的品种而定,一般来讲,普通水泥的养护时间为14 d,矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥、大坝水泥、复合水泥及掺加掺和料后的混凝土的养护时间为21 d。
(2)不同施工季节应选择不同的混凝土养护方法。夏季施工时,要采用草帘覆盖、蓄水、洒水、喷水等降温方法进行养护;正常气温时,可喷刷养生液养护;冬季施工时,可使用保温材料来提高混凝土的表面温度,也可用薄膜养生液、塑料薄膜等封闭料对混凝土保温、保湿。
2.5 改善混凝土的内外约束条件
在构造设计方面采取一些必要的措施来改善混凝土的内外约束,对预防大体积混凝土裂缝的产生很有好处。
2.5.1 设置滑移层
为了方便混凝土底板热能释放时所产生的平行移动,在浇注混凝土前,宜在基础垫层与混凝土基础之间设置沥青油毡或其他类似的材料作为滑移层,用以减少大体积混凝土底板的内外约束。
2.5.2 设置缓冲层
为了缓解地基对基础收缩时的侧压力,可在底板基础的某些部位设置缓冲层,其构造形式见图1。
2.5.3 设置增强配筋
在容易开裂部位配置斜向钢筋或钢筋网片,并配置一定数量的抗裂钢筋,可显著提高混凝土的抗裂性能。例如在上、下施工缝之间配置钢筋后,不仅能提高混凝土的抗裂能力,还能起到“暗梁”增强的作用。
2.5.4 设置后浇带
当大体积混凝土结构尺寸过大时,为减小外约束力和温度应力,同时也为了有利于混凝土内部热量的散发,降低混凝土的内部温度,大型混凝土底板基础宜设置后浇带。后浇带封闭时,应将混凝土底板的断面处凿毛,并将钢筋按设计要求连接好,再用补偿收缩混凝土浇灌密实。
3 结语
有关大体积混凝土开裂的实例很多,原因也是多方面的,必须从原材料、施工、设计等方面实施质量控制,才能最大限度地预防和控制裂缝的产生,避免由于混凝土裂缝给工程和建筑物带来不必要的损失。
参考文献:
[1]杨绍林,田加才,田丽.新编混凝土配合比使用手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2002.116-130. |
