大体积混凝土产生裂缝的原因及解决措施

2022-09-11

随着建桥技术的突飞猛进, 大体积混凝土在桥梁结构中应用的越来越多。按照我国普通混凝土配合比设计规范规定认为:混凝土结构物中实体最小尺寸大于1m的部位所用的混凝土即为大体积混凝土;有的国家则规定为:只要有可能产生温度影响的混凝土均称为大体积混凝土。

1 大体积混凝土裂缝产生的原因

1.1 水泥水化热的影响

水泥水化过程中释放大量的热量, 且主要集中在混凝土浇筑后的7d左右, 一般每克水泥可以放出500J左右的热量, 如果以水泥用量350kg/m3～500kg/m3来计算, 每m3混凝土将放出17500kJ～27500kJ的热量, 因而混凝土内部温度大幅升高。 (可达70℃左右, 甚至更高) 。尤其对于大体积混凝土来讲, 这种现象更为严重。

1.2 混凝土的收缩

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形, 受到外部约束时 (支承条件、钢筋等) , 将在混凝土中产生拉应力, 使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等形式。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化, 后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。

1.3 外界气温湿度变化的影响

大体积混凝土结构在施工期间, 外界气温的变化对大体积混凝土裂缝的有着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加形成。浇筑温度与外界气温有着直接关系, 外界气温愈高, 混凝土的浇筑温度也就会愈高;如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快, 会造成很大的温度应力, 极其容易引发混凝土的开裂。

2 大体积混凝土裂缝的控制

2.1 大体积混凝土中水泥的品种及用量

理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。于是, 我们对于桥梁中的大体积混凝土应该选择低热或者中热的水泥品种。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率快和发热量大的有铝酸三钙 (C3A) , 其他成分依次为硅酸三钙 (C3S) 、硅酸二钙 (C2S) 和铁铝酸四钙 (C4AF) 。另外, 水泥越细发热速率越快, 但是不影响最终发热量。因此我们在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥。我们应该充分利用混凝土的后期强度, 以减少水泥的用量。因为大体积混凝土施工时间长, 不可能28d向混凝土施加设计荷载, 因此将试验混凝土标准强度的龄期向后推迟至56d或者90d是合理的。正是基于这一特性, 国内外很多专家均提出类似的建议。充分利用后期强度则可以每m3混凝土减少水泥40 kg～70kg左右, 混凝土内部的温度相应降低4℃～7℃。

2.2 掺加外加料和外加剂

在大体积混凝土中掺入一定量的粉煤灰后, 可以增加混凝土的密实度, 提高抗渗能力, 改善混凝土的工作度, 降低最终收缩值, 减少水泥用量。要降低大体积混凝土的水泥水化热引起的内部温升, 防止结构出现温度裂缝, 利用粉煤灰作混凝土的掺合料是有有效的方法之一。外加剂可以从以下几个方面来选择。UFA膨胀剂, 它可以等量替换水泥。并且可使混凝土产生适度的膨胀, 一方面保证混凝土的密实度, 另一方面使混凝土内部产生压力, 以抵消混凝土中产生的部分拉应力。减水缓凝剂, 能保证一定的坍落度。可以延缓水化热的峰值期并改善混凝土的和易性, 降低水灰比以达到减少水化热的目的。

2.3 大体积混凝土的骨料控制

在骨料的选择上应该选取粒径大、强度高、级配好的骨料。这样可以获得较小的空隙率及表面积, 从而减少水泥的用量, 降低水化热, 减少干缩。

2.4 优化大体积混凝土的设计

大体积混凝土不布置钢筋或者布筋较少已成设计共识, 实际上还是应该在裂缝易发生部位如孔洞周围以及转角处布置一些斜筋, 从而让钢筋代替混凝土承担拉应力, 这样可以有效的控制裂缝的发展。为了避免裂缝的出现, 在设计中利用中低强度的水泥充分利用混凝土的后期强度。

2.5 大体积混凝土的施工

混凝土施工包括混凝土的生产、运输、浇筑及表面保护, 其中控制好热应力是防止大体积混凝土产生温度裂缝的关键环节。而热应力的控制手段主要是控制混凝土的内外温差△T:

式中:Tp为起始浇筑温度;Tr为水泥水化温升;Tf为天然或人工冷却后浇筑体的稳定温度。

在温度较高的情况下进行施工, 要注意降低混凝土浇筑时的温度。在施工现场要对堆放在露天的砂石料予以覆盖, 以减少阳光照射, 同时对浇筑前的砂石用冷水降温, 在搅拌过程中添加冷水等措施来有效的降低混凝土的入模温度。在混凝土的内部可通入冷却循环水, 采用循环法保温养护, 以便加快混凝土内部的热量散发。混凝土表面应及时覆盖进行保温、保湿养护, 这样不但可以降低混凝土内外温差, 防止表面产生裂缝, 还可以防止混凝土骤然降温产生贯穿裂缝, 并且还可以使水泥顺利水化, 防止产生湿度裂缝。为了及时掌握混凝土内部温升与表面温度变化值, 可以在混凝土内埋设一定量的测温设备, 以便可以更好的了解混凝土的内外温度变化情况, 一旦温差超过允许值25℃, 应及时采取措施。

3 大体积混凝土裂缝的处理

大体积混凝土的裂缝依开裂程度、开裂位置大致分为三种:表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝。对于表面裂缝因为其对结构应力、耐久性和安全影响不大, 处理相对容易。对深层裂缝和贯穿裂缝可以采取凿除裂缝再进行浇注混凝土的措施, 用风镐、风钻或其他方法将裂缝先行凿除, 凿槽断面应设计为梯形, 将凿槽断面清理干净后浇筑混凝土, 要注意对新浇注部位的保护和养护。对于施工过程中位置较深的裂缝, 可在混凝土充分冷却后, 在裂缝顶面铺设1～2层的钢筋网再继续浇筑新混凝土。比较严重的裂缝可以采取水泥灌浆和化学灌浆。水泥灌浆适用于裂缝宽度在0.5mm以上的情况, 对于裂缝宽度小于0.5mm的现象可采取化学灌浆。