王巍巍,劉 偉

(哈同公路管理處金家管理所)

淺談大體積混凝土溫度裂縫及控制方法

王巍巍,劉 偉

(哈同公路管理處金家管理所)

大體積混凝土溫度裂縫問題日益突出,并成為具有相當(dāng)普遍性的問題。通過分析大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因,從中找到控制裂縫的措施及解決的方法,從而為保證建筑物和構(gòu)件的安全奠定了基礎(chǔ)。

大體積混凝土;溫度裂縫;研究;控制措施

大體積混凝土溫度裂縫的類型分為微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫主要有三種：骨料和水泥石粘合面上的裂縫,稱為粘著裂縫;水泥石自身的裂縫,稱為水泥石裂縫;骨料本身裂縫,稱為骨料裂縫。微觀裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的分布是不規(guī)則的、不貫通的,并且肉眼看不見。宏觀裂縫是由微觀裂縫擴(kuò)展而來的。溫度作為一種變形作用,在混凝土結(jié)構(gòu)中引起的裂縫分為表面裂縫和貫穿裂縫。這兩種裂縫在不同程度上都屬于有害裂縫。

大體積混凝土溫度裂縫的成因是：當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形時,在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間,都會受到約束。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)截面較厚時,其內(nèi)部溫度分布不均勻,引起內(nèi)部不同部位的變形相互約束,稱之為內(nèi)約束,當(dāng)一個結(jié)構(gòu)物的變形受到其他結(jié)構(gòu)的阻礙時稱之為外約束。工程中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)所承受的變形,主要是由溫差和收縮產(chǎn)生,其約束既有外約束又有內(nèi)約束。

大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,由于結(jié)構(gòu)截面大,體積大,水泥用量多,水泥水化所釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮膨脹作用,由此引起的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫的起因是溫度變化引起的變形,當(dāng)變形得不到滿足時才會引起應(yīng)力,而且應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的剛度大小有關(guān),只有當(dāng)應(yīng)力超過一定數(shù)值才引起裂縫。

混凝土內(nèi)部的最高溫度多數(shù)發(fā)生在混凝土澆筑的最初3～5 d,隨著混凝土齡期的增長,溫度逐漸下降,而彈性模量增高,因此混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也就愈來愈大,以致產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種應(yīng)力時,開始出現(xiàn)溫度裂縫。

變形受到約束引起應(yīng)力,當(dāng)大體積混凝土澆筑在基巖或老混凝土上時,由于壓縮模量較高,混凝土溫度變化所產(chǎn)生的變形受到約束,而在新澆混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力,在升溫階段,約束阻止新澆混凝土的溫度膨脹變形,在混凝土內(nèi)形成壓應(yīng)力。而在降溫階段,新澆混凝土收縮因存在較強(qiáng)大的地基或基礎(chǔ)的約束而不能自由收縮,在新澆混凝土內(nèi)形成拉應(yīng)力。

應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生,混凝土早期抗拉強(qiáng)度是很低的。值得注意的是隨著水泥標(biāo)號的提高,水泥用量的不斷增加,抗拉強(qiáng)度也會相應(yīng)增加。另外,由于水化熱的影響,1d齡期的小試件強(qiáng)度可比實(shí)際大尺寸構(gòu)件中的強(qiáng)度低 50%,也就是說導(dǎo)致混凝土構(gòu)件的早期強(qiáng)度降低;而 28 d齡期的小試件強(qiáng)度則可比實(shí)際構(gòu)件強(qiáng)度高30%;也就是說對設(shè)計而言不安全。因此這也是要限制最高溫度的一個原因。

大體積混凝土在施工期間,外界氣溫變化的影響也很大。混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和,外界氣溫愈高,混凝土的結(jié)構(gòu)溫度也愈高,如外界溫度下降,會增加混凝土的降溫幅度,特別是在外界氣溫驟降時,會增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度。溫度應(yīng)力是由溫差引起的變形造成的,溫差愈大,溫度應(yīng)力也愈大。在高溫條件下,大體積混凝土不易散熱,混凝土內(nèi)部的最高溫度可達(dá) 60℃,并且有較大的延續(xù)時間。在這種情況下研究合理的溫度控制措施,防止混凝土內(nèi)外溫差引起的過大溫度應(yīng)力顯得更為重要。

混凝土的收縮變形;混凝土收縮變形引起的溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時,就會產(chǎn)生裂縫,因此混凝土的收縮也是引起裂縫不可忽視的因素。

大體積混凝土溫度裂縫控制及措施在大體積混凝土工程施工中,由于水泥水化熱引起混凝土澆筑內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力劇烈變化,從而導(dǎo)致混凝土發(fā)生裂縫。因此,控制混凝土澆筑塊體因水化熱引起的溫升、混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差及降溫速度,是防止混凝土出現(xiàn)有害的溫度裂縫的關(guān)鍵問題。

大體積混凝土溫度裂縫的基本控制措施分為設(shè)計措施、施工措施和監(jiān)測措施。隨著材料科學(xué)的發(fā)展和施工技術(shù)的完善,現(xiàn)場大體積混凝土的施工積累了不少經(jīng)驗(yàn),如留永久性變形縫或伸縮縫、用蛇形冷卻水管來降低大體積混凝土內(nèi)部溫度、采用液態(tài)氮降低混凝土入模溫度以及使用微膨脹混凝土減緩干縮等等。綜上所述,為防止裂縫、減輕溫度應(yīng)力,主要應(yīng)從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。

1 控制溫度的措施

(1)采用改善骨料級配,用干硬性混凝土,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量;

(2)拌和混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;

(3)熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;

(4)在混凝土中埋設(shè)水管,通入冷水降溫;

(5)規(guī)定合理的拆模時間,氣溫驟降時進(jìn)行表面保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度;

(6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結(jié)構(gòu),在寒冷季節(jié)采取保護(hù)措施;

(7)使用低熱或中熱水泥。水泥的主要發(fā)熱成分是鋁酸三鈣和硅酸三鈣,制造時適當(dāng)降低這兩種成分的含量即可降低其水化熱。

2 改善約束條件的措施

(1)合理地分縫分塊;

(2)避免基礎(chǔ)過大起伏;

(3)合理的安排施工工序,避免過大的高差和側(cè)面長期暴露。

此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),防止表面干縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量對防止裂縫的十分重要,應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫,出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的,因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

根據(jù)以上述分析,大體積混凝土在三個階段產(chǎn)生的溫度應(yīng)力均與內(nèi)外部的溫差有關(guān),因此,有效的控制混凝土內(nèi)外溫差,就成為了有效控制溫度應(yīng)力的關(guān)鍵。對此,《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》曾作了如下要求“大體積混凝上表面和內(nèi)部溫差應(yīng)控制在設(shè)計要求的范圍內(nèi),當(dāng)設(shè)計無具體要求時,溫差不宜超過 25℃”,并對澆筑溫度也作了“不宜超過28℃”的規(guī)定。對于大體積混凝土的溫差控制一般從三方面著手：第一是控制混凝土的絕對發(fā)熱量;第二是采取有效措施降低混凝土內(nèi)外溫差;第三是改善周圍的約束條件,改進(jìn)配筋狀況,減小裂縫寬度。所以,要真正實(shí)現(xiàn)大體積混凝土的質(zhì)量控制,則應(yīng)從原材料、設(shè)計、施工等各個環(huán)節(jié)抓起。

總之,大體積混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,以及結(jié)構(gòu)不合理,原材料不合格,模板變形,基礎(chǔ)不均勻沉降等。為了保證建筑物和構(gòu)件的安全,我們一方面要從控制溫度、改變約束、降低溫度著手,另一方面應(yīng)可能設(shè)法提高混凝土的抗裂性能。只有在施工中采取以上行之有效的措施,才能控制裂縫的出現(xiàn)或延伸,進(jìn)而保證建筑物安全、穩(wěn)定的工作。

U214

C

1008-3383(2010)08-0054-01

2010-04-15