大体积混凝土裂缝控制摘要:为有效控制大体积混凝土裂缝问题,在原材料选择时,按照配合比设计选用低水化热水泥、级配良好的砂石和合理的掺合料等原材料,并严格控制好原材料的使用。
施工时采用有效合理的混凝土浇筑施工工艺、方法和后期测温保温养护等技术质量控制措施。
文章分析了大体积混凝土裂缝产生的原因,提出了防止产生裂缝的措施,并提及大体积混凝土裂缝控制的发展方向。
关键词:大体积混凝土;裂缝;原因;控制0 引言美国混凝土学会116委员会把大体积混凝土定义为在大体积结构中的混凝土,即某一梁、柱、墩、船闸或坝由于体积巨大,需要采取专门的方法以对付产生的热量与伴随着体积的变化。
国内的规范规定基础边长大于20m,厚度大于1m,体积大于400m3时,必须采取措施处理所发生的温差,解决变形所引起的应力集中和裂缝开展,这样的混凝土称为大体积混凝土[1]。
大体积混凝土常常出现温度裂缝,影响结构的整体性和耐久性[2]。
大体积混凝土的特点决定了其裂缝控制的难度将很大,必须从设计、施工、材料、温控技术、养护等多方面采取措施预防、检测和控制。
大体积混凝土温度裂缝的成因主要有三方面:(1)水泥水化热;(2)混凝土的收缩;(3)外界气温的变化[3]。
1 大体积混凝土裂缝原因1.1 水泥水化热的影响大量的热量在水泥水化过程中产生,混凝土及水泥用量与混凝土内部的温度有关,温度应力会随混凝土结构尺寸增大变得更高,引起的裂缝的可能性也越大,裂缝在这种温度应力超过混凝土内外的约束力时就会产生[4]。
1.2 混凝土收缩的影响混凝土中约80℅的水分要蒸发,多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。
混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。
如果混凝土收缩后,再处于水饱和状态,还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。
干湿交替会引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土很不利 [5]。
如果水泥的活性较大,混凝土的温度较高或者水灰比较低的情况下,其泌水会减少,表面会蒸发大量的水分,无法及时获得补充,此时的混凝土尚处于塑性状态,一点拉力都会导致裂缝的出现,裂缝出现后,其体内的水分蒸发迅速加快,裂缝扩大,这就需要在进行混凝土浇筑后及时覆盖[6]。
1.3 外界气温、湿度变化的影响在大体积混凝土的施工过程中,经常会受到例如寒潮来临、暴雨袭击等外界气温变化的影响。
这些突如其来的天气变化使混凝土内部的温度迅速的变化。
大体积混凝土内部的温度指的是水泥水化热的绝热温度、浇筑温度以及混凝土散热温度三者相叠加而产生的温度,其中,浇筑温度和外界气温有着直接的联系。
一般来说,外部环境的气温值越高,混凝土的浇筑温度也相应越高,反之,当气温下降时,特别是在气温骤降时,会大大增加外部混凝土与混凝土内部的温度梯度。
这就引起混凝土外部环境与内表面产生温度差,从而引起温度应力的产生,直接导致大体积混凝土外表面产生裂缝[7]。
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。
1.4 安定性影响安定性裂缝表现为龟裂,主要是因水泥安定性不合格而引起的[8]。
1.5 温度影响大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝,一方面是由于内外温差而产生的;另一方面是结构的外部约束和混凝土各质点间的约束,阻止混凝土收缩变形,混凝土抗压强度较大,但受拉力却很小,所以温度应力一旦超过混凝土能承受的抗拉强度时,即会出现裂缝,这种裂缝的宽度在允许限值内,一般不会影响结构的强度,但却对结构的耐久性有所影响,因此必须予以重视和加以控制。
大体积混凝土的温度裂缝按照深度不同主要分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种,贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝,最终形成贯穿裂缝它切断了结构的断面,可能破坏结构的整体性和稳定性,其危害性是较严重的;而深层裂缝部分地切断了结构断面,也有一定危害性;表面裂缝一般危害性较小[9-10]。
1.6 其他因素的影响建筑物基础的不均匀沉降也会产生裂缝,这种裂缝会随着基础沉降而不断地增大,待地基下沉稳定后,将不会变化。
混凝土配合比不良会造成混凝土塑性沉降裂缝,一般是混凝土配合比中,粗骨料级配不连续、数量不够,砂率及水灰比不当所造成的裂缝。
水泥中的碱与活性骨料中的活性氧化硅起化学反应也会产生裂缝[11]。
总的来说,混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格(如碱骨料反应),模板变形,基础不均匀沉降等可以造成裂缝的产生[12]。
产生裂缝的原因归纳起来主要有以下几个方面:结构方面,结构长度较长、结构面积较大、约束变形过大和结构体系突变等;材料方面水泥品种用量、骨料性能、级配、含泥量、外加剂和掺合料选用等;施工方面,混凝土浇筑、振捣、养护方法以及混凝土坍落度大小等;环境方面,施工现场温度、湿度、风速等[13]。
2 大体积混凝土裂缝控制大量的实践与研究表明,大体积混凝土结构施工过程中的温度裂缝是不可避免的,重要的是采用合理的措施来防治和控制裂缝产生和发展,防止大体积混凝土出现温度裂缝主要从两个方面注意控制。
一方面从各环节控制温度入手,从改善约束力方面控制,即以减小温度应力为重点;另一方面应尽可能设法提高混凝土抗裂能力,改善混凝土自身性能,但这些措施不是孤立的,而是相互联系、相互制约,必须结合施工现场实际情况,全面考虑,合理利用,综合控制大体积混凝土温度裂缝[14]。
2.1 原材料的质量控制(1)粗骨料宜采用连续级配,细骨料宜采用中砂。
(2)外加剂宜采用缓凝剂、减水剂;掺合料宜采用粉煤灰、矿渣粉等。
如在大体积混凝土中掺入石蜡后,可以降低其升温速率和降温速率,从而防止混凝土因温度变化过快而产生的温度裂缝[15]。
(3)大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下,应提高掺合料及骨料的含量,以降低单方混凝土的水泥用量[16]。
(4)大体积混凝土产生温度裂缝的主要原因是水泥水化产生的水化热。
因此,最好选用低水化热或中水化热的水泥配制混凝土。
同时,水泥的用量直接影响着水化热的多少及混凝土温升。
在满足强度的要求下,大体积混凝土应尽量降低水泥用量。
可采用后期强度作为设计强度、掺入混合料和减水剂等方式进行控制[17]。
(5)优化混凝土配合比,按大体积混凝土进行配合比设计,采用低水胶比、低用水量、低水泥用量的原则。
为提高混凝土的耐久性,改善混凝土的施工性能和抗裂性能,掺加适量粉煤灰,取代25%水泥用量,使用聚羧酸系高效减水剂有效降低混凝土的用水量。
在配合比设计过程中尽量降低胶凝材料中水泥用量、减小砂率和坍落度[18-22]。
2.2 温度、测温控制严格控制混凝土入模温度,大体积混凝土最好选在春秋季施工,以降低入模温度,既是在夏季施工最好采取有效措施降低入模温度,再者浇筑混凝土时最好不要让混凝土在太阳下直接爆晒。
施工过程中应对碎石洒水降温,保证水泥库通风良好,自来水预可先放入地下蓄水池中降温[23-25]。
针对后期而言,宜采用人工控制混凝土温度的措施(如体内埋设冷水管和风管,表面洒水冷却,表明保温材料保护),比如表面保温材料保护可以减少外温差,但不可以避免的导致混凝土体内温度很高,从受约束而导致贯穿裂缝的角度看,是一个潜在恶化裂缝的条件。
因为体内热量迟早要散发出去的[26-27]。
一般在大体积的混凝土中设置测温孔,来了解大体积混凝土内部的温度分布和变化隋况,测温洞孔要求按完全反映混凝土结构内部温度变化来布置,不管是平面的还是立体的都要全反面的进行监控,随时了解混凝土的温度和湿度。
为及时掌握混凝土内部温升与表面温度的变化值,在承台内埋没若干个测温点,采用l 形布置,每个测温点设置测温管2 根:其中1 根管底埋置于承台混凝土的中心位置,测量混凝土中心的最高温升,另一根要求管底距离承台上表面100 mm,用100 的红色水银温度计测温,以方便读数。
第1 个5d 每2h 测温1次,第6d 后每4h 测温1 次,测至温度稳定为止。
从3 个承台的测温情况看,混凝土内部温升的高峰值一般在3.5d 内产生,3d 内温度可上升到或接近最大温升,内外温差值在20cC 左右,控制在规范规定范围内。
测温方法采用温度计人工方法测温,每隔一段时间都要准确测量并记录[28]。
2.3 施工技术控制虽然混凝土的原材料质量、配合比设计是影响大体积混凝土施工质量的主要因素,但混凝土配料的准确、搅拌的均匀、浇筑、振实成型、养护更是整个施工环节中影响大体积混凝土的主要环节[29]。
施工前应进行详细的技术交底,认真检查现场的施工各项准备工作,明确各有关人员的岗位和责任,施工中实行挂牌上岗责任制,每道工序的责任人均列详细名单,加强管理是控制大体积混凝土裂缝最关键问题,应引起施工单位的高度重视[30]。
采用综合措施,控制混凝土初始温度。
尽量避开炎热天气浇筑混凝土,夏季可加入低温水或冰水搅拌,或对骨料进行遮挡。
合理安排施工程序,控制混凝土浇筑过程中均匀上升,避免混凝土拌合物堆积过大高差。
浇筑混凝土时,对一些特殊部位要注意,以确保工程质量。
如地脚螺栓、预留栓孔、预埋管道等。
大体积混凝土的保温材料不宜一次全部拆除,应在实时监测的基础上分期分批地逐渐拆除,尤其要注意天气变化,特别是寒潮来临之前应加强保温[31-33]。
2.4 养护阶段控制(1)浇筑后2 h采用塑料膜对表面覆盖,可有效增加混凝土的表面温度,减小总温差.若在冬季施工需在塑料膜上面加上草垫保温等。
(2)混凝土浇筑后,应在终凝后两小时开始带水养护,养护期14天以上.夏季浇筑大体积混凝土时,可采用积水养护的方法.在混凝土表面上用砖砌成浅水池,然后放入300 mm深的水,起保护和养护双重作用。
(3)冬季施工时,在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料(如草袋、锯木、湿砂等)。
在缓慢的散热过程中,使混凝土获得必要的强度,以控制混凝土的内外温差小于25℃[34-38]。
3 发展方向大体积混凝土的温度控制方法的应用已经较为成熟,从设计到施工工艺及材料的选取,以及裂缝的处理,在工程中已经取得很多的应用,但仍然有很多方面的问题需要考虑,完善温度控制的理论。
3.1 膨胀剂的使用对于大体积混凝土,水泥水化产生的热量释放过程较为缓慢,普通的膨胀剂在早期就膨胀,对后期的补偿作用不明显,MgO的延迟微膨胀特性更适用于大体积混凝土。
目前南京工业大学在MgO膨胀剂工业化生产方面进行了一系列探索已取得一定的成果[39]。
3.2 纤维的掺入纤维的掺人有效提高了混凝土的极限抗拉强度,但在应用方面仍存在严重不足,目前纤维混凝土一般只用于一些具有特殊要求的结构当中[40]。
3.3 导控应力释放装置已证明对抗裂有较好的效果,裂缝发展有序,裂缝深度可控,便于裂缝的修补。
3.4 裂缝修补裂缝修补的常用方法已较为成熟,在仿生自修复混凝土上面技术还不够完善。