大体积混凝土裂缝分析与控制

2022-09-11

大体积混凝土是指结构断面尺寸不小于1m。同时水泥水化热引起混凝土内部最高温度与外界气温之差超过25℃的混凝土。近年来。大体积混凝土越来越多的应用在水工结构以及工民建领域。大体积混凝土施工中最常见的质量问题是混凝土裂缝。导致大体积混凝土裂缝的原因主要有荷载裂缝、变形裂缝以及温度裂缝等。随着对混凝土裂缝研究的不断深入。解决裂缝的措施也越来越成熟与完善。

1 大体积混凝土裂缝成因

1.1 水泥水化热

混凝土施工中水泥用量较大。水泥在浇筑后的7天内发生水化过程。该过程放出大量热量。每克水泥放出的热量为500J左右。试想。如果每立方混凝土内水泥用量定为350kg/m3~550kg/m3。则每m3混凝土在水化过程中将放出1.75×104k J~2.75×104k J的热量。浇筑后的混凝土表面与外界环境接触散热较快。而内部则散热慢。内部的高热量不能及时释放则会在内部聚集导致混凝土内部升温。与外界形成较大温差。导致混凝土内部产生压应力。表面产生拉应力。随着时间的延长。大体积混凝土逐渐降温。在其表面附近区域形成较大的温度梯度。则会引起较大的表面拉应力。一旦该拉应力超过此时混凝土的极限抗拉强度。则会在混凝土表面产生表面裂缝。

1.2 混凝土收缩

混凝土的拌合水中。只有20%左右的水分是水泥水化过程所需要的。其余80%都要被蒸发掉。这部分水的蒸发是引起混凝土体积的收缩;大量的水化热导致混凝土温度升高。当随着时间延续。大体积混凝土温度逐步下降过程中。大量热量散失也会导致混凝土产生收缩;混凝土在搅拌过程中往往施加含胶质体外加剂。由于胶质体的胶凝作用。在混凝土硬化过程中也产生收缩。以上几种收缩会产生很大的收缩应力导致混凝土收缩。而收缩要受到基底或结构本身的约束。如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度。就会在混凝土中产生裂缝。这种裂缝甚至会贯穿断面。成为结构性裂缝。一般被称为收缩裂缝。

1.3 气温湿度变化

大体积混凝内部温度由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加后的结果。外界气温高则混凝土的浇筑温度也高。当混凝土浇筑过程中发生气温骤然下降的现象时。会导致混凝土内温度梯度增加。混凝土内外温差增大。由于由于大体积混凝土体积、厚度均较大。散热效果差。导致大体积混凝土内外温差越来越大。因此由温差引起的温度应力随着温差的增大而增大。混凝土外界环境的空气湿度也在一定程度上影响混凝土裂缝的产生。经验显示。外界湿度降低会加速混凝土的干缩。导致混凝土裂缝产生。

2 裂缝控制措施

2.1 优化设计

大体积混凝土施工中绝大多数的裂缝都是由于混凝土的降温及收缩应力超过了混凝土的抗拉强度引起的。即混凝土内部的约束拉应变超过了其极限变形引起的。因此提高混凝土的极限拉伸不失为杜绝该种裂缝产生的良策。但在现实设计过程中。设计人员往往只重视混凝土的承载力极限状态。而忽略正常使用极限状态。同时高强、高性能混凝土越来越多的被使用到工程中。而这两种混凝土的水化热收缩值很大。徐变确很小。因此更容易形成开裂。因此。在设计过程中要根据“抗、放兼顾”的原则。大体积混凝土强度等级应以中等强度为宜。一般在C25~C35范围内较好。这样既能满足强度要求。又能满足变形需要。C40混凝土则一般作为大体积混凝土设计的极限[1];设法降低大体积混凝土底部约束度。比如设置滑动支座。当大体积混凝土受到温度应力后。由于滑动支座的作用而产生轻微滑动。很小的滑动往往会阻滞裂缝的产生。该支座同时在大体积混凝土底部还能充当“褥垫层”作用。当有地震发生时。支座还能起到一定的隔震效果[2]。

2.2 正确选择水泥品种

在确定水泥品种之前。首先要确定大体积混凝土所需强度。据此来确定水泥强度等级。大体积混凝土经常使用的有矿渣水泥和普通水泥两种。矿渣水泥放热量大于普通水泥。但其早期水化热低。采用矿渣水泥则混凝土早期抗拉强度偏低。由温度产生的温度应力更加容易超过大体积混凝土抗拉强度导致混凝土更加容易开裂。同时。矿渣水泥沁水性、干缩性高于普通水泥。其最终收缩值也高于普通水泥。因此。为了尽量避免大体积混凝土的收缩裂缝产生选用收缩性小的普通水泥要优于矿渣水泥。而针对于普通水泥水化热高的特性可以通过添加粉煤灰等外加剂来改善。

2.3 正确选用骨料

大体积混凝土施工中通常采用选择粒径较大的粗骨料和较多的粗骨料用量来减少水泥用量。降低水化热和提高混凝土抗裂性能。资料显示。相同的水灰比。采用较大粒径骨料可以在很大程度上节省用水量和水泥用量;石灰岩骨料尤其是多棱角的石灰岩骨料可以是混凝土的温度变形系数值减小。同时可以使混凝土的极限拉伸显著提高。温度变形系数较小则有利于减小混凝土的温度应力。提高大体积混凝土的抗裂性;骨料中含有过多的针片状骨料或其含泥量及含粉量过高。均不利于大体积混凝土的抗拉强度及拉伸极限。因此在骨料选择中要避免这些情况发生;细骨料中含有适量的中粗砂有利于降低大体积混凝土的水泥用量。同时也可以降低混凝土的水化热。

2.4 水及减水剂的确定

混凝土用水量大小对大体积混凝土质量产生很大影响。用水量适当。会降低水泥用量、有利于降低混凝土放热量和改善混凝土的耐久性。因此。水用量是混凝土配合比设计的关键。大体积混凝土用水量要根据水泥、骨料品种及坍落度要求等方面决定。在混凝土中掺入缓凝型高效减水剂可以减少水和水泥的用量。从而降低水化热。同时由于缓凝性能。延缓了水泥水化热的释放速度推迟了大体积混凝土的凝结硬化速度。避免裂缝的产生。

2.5 合理施工

施工中对于超长、超宽、超厚且不允许设置变形缝的大体积混凝土可采用“分块跳仓法”施工。即先将超长大体积混凝土分成小块。一段时间后再将小块连成整体。依靠抗拉强度抵抗下一阶段的温度应力;经验表明密实度好的大体积混凝土不容易出现裂缝。因此在浇筑过程中要控制振捣时间。防治漏振和过振。

2.6 充分养护

大体积混凝土浇筑后需经过升温、降温两个阶段。试验表明。混凝土降温速率小于1.5℃/d且内外温差小于25℃。大体积混凝土就不容易开裂。因此。加强混凝土测温及温控工作对预防控制裂缝是非常重要的;混凝土养护关键是使其保持适宜的温度和湿度。让大体积混凝土缓慢降温。通过降低混凝土的降温速率。从而充分发挥混凝土强度的潜力。同时为大体积混凝土创造充分应力松弛的条件。从而缓解裂缝产生现象。