分析大体积混凝土裂缝产生的原因及防控措施

王 雨,杜旭言

(黑龙江省公路工程监理咨询公司)

1 大体积混凝土裂缝的产生原因

(1)外界气温变化。大体积混凝土在施工阶段,它的浇筑温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降会大大增加内外层混凝土温差,这对大体积混凝土是极为不利的。温度应力是由于温差引起温度变形而造成的,温差愈大温度应力也愈大。同时,在高温条件下,大体积混凝土不易散热,混凝土内部的最高温度一般可达 60～65℃,并且有较长的延续时间。因此,应采取温度控制措施,防止混凝土内外温差引起的温度应力。

(2)混凝土的收缩。混凝土中约 20%的水分是水泥硬化所必需的,而约 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,在混凝土内部产生很大的收缩应力,导致混凝土的裂缝。影响混凝土收缩的因素主要是水泥品种、混凝土配合比、外加剂和掺合料的品种以及施工工艺、养护条件等。

(3)水泥水化热。水泥在水化过程中要释放出一定的热量,而大体积混凝土结构断面较厚,表面系数相对较小,所以水泥产生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去,以至于越积越高,使内外温差增大,产生温度应力和收缩应力。水化热产生的混凝土内部最高温度,多发生在浇筑后的最初 3～5 d,以后逐渐降低,这与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关。结构裂缝主要是由降温和收缩引起的,前者引起外约束,是导致贯通裂缝的主要原因;后者引起自约束,主要引起表面裂缝。因此在降温阶段,如果温差较大,则早期出现裂缝的可能性较大。

(4)约束条件。大体积混凝土与地基浇在一起,早期混凝土温度上升时,混凝土膨胀受到地基约束会产生压应力;当后期温度下降时,混凝土收缩受到地基约束便会产生拉应力。由于混凝土的抗压性能优于抗拉性能,所以在受压时一般不会出现裂缝,而在受拉时,当拉应力大于混凝土的抗拉强度时,就会在混凝土中出现垂直裂缝。

2 大体积混凝土裂缝的防控措施

2.1 科学用料、合理调配

(1)控制含泥量。根据结构断面最小尺寸和泵送管道内径,选择合理的最大粒径。选用天然连续级配的粗集料,使混凝土具有较好的可泵性,减少用水量、水泥用量,进而减小水化热,以采用级配良好的中砂为宜,通过试验证明,采用细度模数 2.8的中砂比采用细度模数 2.3的中砂,可减少用水量 20～25 kg/m3,可降低水泥用量 28～35 kg/m3。因而降低了水泥水化热,混凝土温度升高和收缩,选用合理砂率提高混凝土的可泵性。

(2)控制水灰比。混凝土中掺入一定数量的优质粉煤灰,不但能代替部分水泥,而且粉煤灰颗粒呈球状具有滚动效应,起到润滑作用,可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性、保水性,并且能够使泵送混凝土中粒径在 0.315 mm以下的细集料达到占 15%的要求,从而改善了可泵性。掺优质粉煤灰的混凝土后期强度高,在一定范围内 60 d比 28 d强度均可增长 20%左右。

(3)减少水泥用量。选用水化热较低的 32.5#矿渣硅酸盐水泥。其早期的水化与同龄期的普通硅酸盐水泥相比,3 d的水化热约低 30%。大体积混凝土引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚,使混凝土早期升温和后期降温产生内部和表面温差。合理地选用水泥是控制温度裂缝的有效措施。

2.2 优化浇捣方法

大体积混凝土施工段的划分及浇筑顺序应根据具体工程结构确定,通常按该工程项目划分表的单元工程进行划分。混凝土可采用混凝土运输车运到现场,汽车泵或混凝土输送泵运送入仓;如采用非泵送混凝土,可用吊机(车)直接布料或搭设脚手架采用机动车布料。大体积混凝土必须根据当地中长期天气预报,选择最佳天气条件进行浇筑,应尽量安排在低温时段浇筑,以最大限度降低混凝土的初凝温度。在浇筑过程中,应遵循“同时浇捣、分层推进,一次到顶,循序渐进”的成熟工艺。振捣时重点控制两点,即混凝土流淌的最近点和最远点,振动点振动时不能漏振,尽可能采用两次振捣工艺,以提高混凝土的密实度。

2.3 加强后期养护

养护是一项十分关键的工作,养护主要是保持适宜的温度和湿度,以便控制混凝土内表温差,促进混凝土强度的正常发展及防止混凝土裂缝的产生和发展。根据工程的具体情况,应尽可能多养护一段时间,拆模后立即回土或覆盖保护,同时预防近期骤冷气候影响,以控制内表温差,防止混凝土早期和中期裂缝。养护用水的温度应与现场测得的混凝土表面温度接近,以免人为造成混凝土表面产生温度梯度,进而出现裂缝。大体积混凝土的养护不仅要满足强度增长的需要,还应通过温度控制,防止因温度变形引起混凝土的开裂。温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行控制。在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点。混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于 20℃;当结构混凝土具有足够的抗裂能力时,不大于 25～30℃。混凝土拆模时,混凝土的温差不超过 20℃。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温。采用内部降温法来降低混凝土内外温差。保温法是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20℃。混凝土表层布设抗裂钢筋网片,增强混凝土的抗裂性,防止混凝土收缩时产生干裂。

3 结 语

虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见比较统一,同时在实践中应用效果也比较好,具体施工中要靠多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,同时做好充分的施工准备、加强现场协调与组织管理,混凝土的裂缝是可以避免的。