建筑工程大体积混凝土温度裂缝控制分析

2022-09-10

一般来说, 裂缝是指固体材料中的某种不连续现象, 在学术上属于结构材料强度理论范畴。近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量的工作实践所提供的经验表明裂缝是一种人们可以接受的材料特征。结构物的裂缝是不可避免的。从不同的国家来看各国的规范对混凝土构筑物的裂缝都有不同的控制范围和要求, 要保证混凝土构筑物不出现裂缝可以说是不可能的。在我国, 对在不同环境下混凝土构筑物, 在不同的介质情况下, 所规定的混凝土裂缝宽度也不同。

1 大体积混凝土温度裂缝产生的机理

1.1 裂缝种类

混凝土是由水泥浆、砂子和石子组成的水泥浆体和骨料的两相复合型脆性材料。存在着两种裂缝:肉眼看不见的微观裂缝和肉眼看得见的宏观裂缝。微观裂缝是混凝土本身就有的, 它的宽度仅 (2~5) um, 主要有三种形式的微观缝:粘着裂缝;水泥石裂缝;骨料裂缝。宽度不小于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝, 宏观裂缝是由微观裂缝扩展而来的。混凝土的宏观裂缝按其成因有荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝、碱骨料反应裂缝。根据它们在结构中的分布区域, 一般可分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三类。

1.2 大体积混凝土温度裂缝的产生原理

温度, 作为一种变形作用, 在混凝土结构中引起的裂缝有表面裂缝和贯穿裂两种。这两种裂缝在不同程度上都属于有害裂缝。由于高层建筑、高耸结构物和大型设备基础的出现, 大体积混凝土也被广泛采用, 现将产生裂缝的主要原因分述如下。

1.2.1 水泥水化过程是大体积混凝土中的主要温度因素

水泥水化过程中要放出一定的热量。而大体积混凝土结构物一般断面较厚, 水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。通过实测, 水泥水化热引起的温升, 在水利工程中一般为 (15~25) ℃, 而在建筑工程中一般为 (20~30) ℃, 甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升, 是与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关, 并随混凝土的龄期 (时间) 按指数关系增长, 一般在10~12天接近于最终绝热温升。但由于结构物有一个自然散热条件, 实际上混凝土内部的最高温度, 多数发生在混凝土浇筑后的最初3~5天[1]。由于混凝土的导热性能差, 浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低, 对水化热引起的急剧温升约束不大, 相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长, 弹性模量的增高, 对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大, 以至产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时, 便开始出现温度裂缝。

1.2.2 外界气温变化的影响

大体积混凝土在施工阶段, 外界气温的变化影响是显而易见的, 因为外界气温愈高。混凝土的浇筑温度也愈高;而外界温度下降, 又增加混凝土的降温幅度, 特别是气温骤降, 会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度, 这对大体积混凝土是极为不利的。

1.2.3 约束条件与温度裂缝的关系

各种结构物在变形变化过程中, 必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形, 这就是指的约束条件。大体积混凝土由于温度变化会产生变形, 而这种变形又受到约束, 便产生了应力, 这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值, 便引起裂缝。

1.2.4 混凝土的收缩变形

混凝土的收缩机理比较复杂, 其最大的原因, 可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。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。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化, 这对混凝土是很不利的。

2 大体积混凝土温度裂缝的特点

大积混凝土温度裂缝属于变形荷载引起的裂缝。此类裂缝区别于外荷载引起的裂缝, 有两个显著的特点: (1) 温度裂缝的起因是结构首先变形, 当变形得不到满足才引起应力, 而应力又与结构的刚度大小有关, 只有当应力超过一定数值时才引起裂缝。混凝土开裂后, 变形得到满足或部分满足, 应力就发生松弛现象。如果材料强度不高, 但是有较好的韧性, 也可以适应变形要求, 抗裂性能较高。混凝土虽然属于脆性材料, 但是改善配合比, 增加密实度, 在允许范围内提高混凝土的变形能力也是控制开裂的一种途径。松弛变形是大体积混凝土温度裂缝区别于荷载产生裂缝的主要特点, 计算时应充分考虑。 (2) 按普通外荷载计算原则, 从外荷载作用, 结构内力形成, 直至裂缝的出现与扩展, 似乎都是在一瞬间完成的, 是某个“瞬间过程”。但是大体积混凝土温度变形的作用, 从变形的产生到温度变形应力的形成, 裂缝的出现、扩展都不是在同一时间瞬时完成的, 它有一个“时间过程”, 即为“传递过程”, 是一个多次产生和发展的过程, 这是区别于外荷载裂缝的第二个特点。因此, 大体积混凝土的温度应力应按分段叠加的方法来求得[2]。

3 控制温度应力, 防止裂缝的措施

大体积混凝土结构的裂缝主要是由温度应力造成的, 所以重点是对温度应力进行控制, 控制温度应力, 需要从多方面控制。

3.1 选择合理的结构形式和分缝分块

结构形式对温度应力和裂缝的出现具有重要影响, 浇筑块尺寸对温度应力影响也非常大, 浇筑块愈大, 温度应力也愈大愈容易产生裂缝, 因此合理的分缝分块对防裂缝有重要意义。实际经验和理论分析都表明, 当浇筑块平面尺寸控制在15m×15m左右时, 温度应力比较小。

3.2 合理选择混凝土原材料, 优化混凝土配合比

合理选择混凝土原材料, 优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能力, 具体说就是要求混凝土的绝热温升较小, 抗拉强度较大, 极限拉伸变形能力较大, 热强比较小, 线膨胀系数较小, 自身体积微膨胀。

(1) 选择水泥:混凝土主要考虑低热和高强, 一般采用矿渣水泥。 (2) 掺用混合材料:掺用混合材料的目的是降低混凝土的绝热温升, 提高混凝土抗裂能力。混合材包括矿渣和粉煤灰等。目前粉煤灰采用较多。 (3) 掺用外加剂:外加剂有减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等多种类型。 (4) 优化混凝土配合比:在保证混凝土强度和流动度条件下, 尽量节约水泥, 降低混凝土绝热温升。

4 严格控制混凝土温度, 减少基础温差, 内外温差及表面温度骤降严格控制混凝土温度是防止裂缝的最重要措施

(1) 降低混凝土出机温度, 可采用预冷骨料, 冷水拌和, 加冰拌和等方法。 (2) 加快浇筑速度, 减小暴露时间。 (3) 采用台阶式浇筑法, 把混凝土浇筑方式从全平面浇筑改为台阶浇筑, 这样可缩短混凝土面层暴露时间。 (4) 表面保温:在混凝土表面覆盖保温材料, 以减少内外温差, 降低混凝土表面温度梯度。 (5) 夏季尽量在夜间浇筑。