浅谈建筑中大体积混凝土防裂缝控制措施

王 辉

随着我国经济的迅速发展,科学技术的进步,大体积混凝土在土木工程建设中得到了广泛的应用。由于大体积混凝土体积庞大,一次性混凝土浇筑量大,工程条件复杂。若施工措施不力,极易产生各种混凝土结构裂缝,轻者会影响混凝土的耐久性,重者会严重影响混凝土的力学性能。

在施工中,混凝土产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性以及结构不合理、原材料不合格(如碱骨料反应)、模板变形、亚欧大陆不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力;后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝土的约束,又会在混凝土内部出现拉应力;气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,就会出现裂缝。另外,当混凝土表面湿度变化较大或发生剧烈变化(如养护不周、时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束)时,也往往导致裂缝;由于原材料不均匀,水灰质量比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低,易于出现裂缝的薄弱部位。因此,对大体积混凝土裂缝进行有效的消除或控制,成为施工中经常遇到的问题。下面以某工程为例,进行阐述论证。

1 工程概况

某大桥:主桥采用(80+128+80)m三跨预应力混凝土部分斜拉桥,引桥采用等截面预应力混凝土连续箱梁。主桥桥墩承台高为4 m,混凝土量为3099.2 m3。如何控制好大体积混凝土承台的施工成为本工程的一个重点。

2 裂缝产生主要原因

2.1 水泥水化热的影响

1)混凝土的水化热是由水泥水化作用产生的。在混凝土凝固阶段,水泥凝结硬化过程中产生大量的热量,大体积混凝土测温试验研究表明,水泥大部分水化热在1 d～6 d内放出。如果表面拉应力超过此时的混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土表面产生由温差引起的裂缝。2)在水泥不断水化过程中不断消耗水分导致毛细孔中自由水减少,湿度降低,若外部养护水供应不充分,混凝土内部将产生自干燥现象。由自干燥作用导致毛细孔内产生负压,引起混凝土内自干燥收缩导致产生混凝土自内而外的自生干缩裂缝。

2.2 混凝土收缩变形的影响

大体积混凝土浇筑初期,混凝土处于升温阶段及塑性状态,弹性模量较小,因而变形引起的应力较小。当混凝土开始降温时,因散热而产生收缩;加之混凝土硬化过程中,混凝土硬化产生收缩。这两种收缩会受到基底和结构本身的约束,产生很大的拉应力。如果产生的拉应力超过此时混凝土极限抗拉强度,混凝土就会产生收缩裂缝,这种裂缝若得不到严格控制,发展到一定程度,就会在混凝土中产生贯穿性裂缝。

2.3 外界气温的影响

大体积混凝土在施工阶段,常受外界气温变化的影响,混凝土内部温度是由水泥水化热的绝热温度、浇筑温度和混凝土的散热温度三者的叠加组成,其中浇筑温度与外界气温有直接关系,外界气温越高,混凝土浇筑温度也越高。如果外界气温突然下降,会大大增加混凝土内外温差,因而造成过大的温度应力,使大体积混凝土产生裂缝。

3 施工控制技术

3.1 材料方面

3.1.1 原材料

1)水泥。选择合适水泥,严格控制水泥用量。选用强度等级42.5的低热普通硅酸盐水泥,水泥含碱量小于0.6%。为减少水化热产生,应提前进行水泥储备工作,进场水泥最少保证3 d以上的存放期才能使用。2)粗骨料。增大选择粗骨料的粒径,混凝土的收缩和泌水随之减少,同时也减少了水泥用量,水泥的水化热减少,降低了混凝土的温升。3)细骨料。采用中粗砂,砂空隙率及总表面积均较小,不仅减少每立方米混凝土的水泥用量,还可提高混凝土的密实性与强度。4)掺合料。在混凝土中掺加磨细的粉煤灰代替部分水泥,可明显降低混凝土水化热,降低徐变、干缩性和热膨胀系数,提高混凝土抗渗性能。5)外加剂。选用聚羧酸高效减水剂,其碱含量和表面张力较其他传统减水剂具有明显优势,在常规掺量范围内具有降低收缩的作用。6)超细粉。矿物质粉体的粒径小于10 μ m的称为超细粉。矿物质超细粉在混凝土中具有许多特殊功能,是HPC不可缺少的组成部分,超细粉混凝土的耐久性效应就是其中之一。

3.1.2 配合比选定

大体积混凝土配合比在选择时,应考虑在满足设计要求及施工工艺要求的前提下,尽可能降低混凝土的干缩与温差收缩。为充分降低水泥水化热的影响,本工程采用了超细粉代替部分水泥,大大降低了水化热的产生。另根据混凝土结构物防腐设计要求,水胶比为0.31,配合比如下:水泥∶粉煤灰∶矿粉∶砂∶碎石∶水∶超细粉∶激发剂∶减水剂∶阻锈剂=200∶75∶200∶665∶1085∶155∶25∶6∶2.5∶10。此配合比经过试验论证,氯离子含量为 0.03876 kg/m3,以上指标均能满足设计及施工规范要求,可以用于现场施工。

3.2 施工工艺

1)混凝土浇筑前准备工作。备用砂石料设置遮阳棚,避免太阳直晒;保证水泥库通风良好;拌合用水采用深层地下水。因本桥施工时天气较热,采用了拌合用水中加冰的方式降低用水温度。2)混凝土拌制和运输。在搅拌混凝土时采用二次投料法。3)混凝土浇筑与振捣。采用“分段定点,一个坡度,薄层浇筑,循序推进,一次到顶”的浇筑方法。在振捣过程中,要全面振捣,严格控制振捣时间,以混凝土开始泛浆和不冒气泡为准。4)混凝土养护。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度,同时减少混凝土降温速度,防止冷缩裂缝的发生。保湿时尽可能使混凝土处于湿润状态,让水泥充分水化,增强混凝土的抗裂能力,防止干缩裂缝的发生。

3.3 混凝土的温控

施工前在承台内布设冷却水管,垂直层间距1 m。在施工混凝土期间通入循环冷却水,可消减混凝土浇筑初期水化热升温,有利于控制混凝土内部最高温度,减小基础温差和内外温差。冷却管布设过程中应充分注意以下几点:冷却管直径过粗,不利于循环水的冷热交换,宜采用直径50 cm的冷却管;单根循环冷却管的长度不宜超过250 m,如条件允许,可以多增加进水口。

4 施工效果

混凝土浇筑完成后安排专人进行温度测量,实测最高温度为72℃,拆除模板后未发现裂缝,说明施工中所采取的措施是成功的、有效的,为桥墩和上部结构施工奠定了基础。

5 结语

大体积混凝土结构温度裂缝控制是一个系统工程,在工程实践当中要根据具体的要求进行控制。综合工程的应用经验提出以下防裂缝建议:1)合理分段,科学施工;2)重视混凝土原材料的选择和配合比的选定;3)选择合适的保温养护方法;4)计算机辅助分析应用;5)跟踪测试信息化施工技术。

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