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大体积混凝土裂缝成因及控制措施

2008年04月03日 点击量:稿件编辑:陈文会 【字体:

  陈文会

水利建设工程中大体积混凝土结构比较多,混凝土重力坝、大型船闸、混凝土挡墙等建筑物,虽然设计时都分成好多块,但每一块都仍然有几百方,甚至上千方混凝土。工程实践证明,大体积混凝土施工难度较大,混凝土产生裂缝的机率较多,稍有差错,将会造成无法估量的损失。为了提高工程质量,降低不必要的经济损失,我们一定要减少和控制裂缝的的出现。

 从裂缝的形成过程可以看到,混凝土特别是大体积混凝土之所以开裂,主要是混凝土所承受的拉应力大于混凝土本身的抗拉强度的结果。因此为了控制大体积混凝土裂缝,就必须从提高混凝土本身抗拉强度性能和降低拉应力(特别是温度应力)这两方面综合考虑。抗拉强度主要决定于混凝土的强度等级及组成材料,要保证抗拉强度关键在于原材料的优选和配合比的优化(混凝土强度等级设计已经确定),由于混凝土选用地材,从经济角度来考虑,原材料优化的空间相对较小,所以降低拉应力是控制混凝土裂缝的有效途径。而降低拉应力主要通过减少温度应力和沉缩应力来控制温度裂缝和沉缩裂缝。

一、温度裂缝

   1、温度裂缝产生的主要原因:一是由于混凝土结构内外温差较大引起的。在混凝土结构硬化期间,水泥释放大量的水化热,如果散热不及时,内部温度就会不断上升,使混凝土表面和内部温差变大。混凝土内部膨胀高于外部,此时混凝土表面将受到很大的拉应力,而混凝土的早期抗拉强度很低,因而出现温度裂缝。这种温度应力一般在表面处较大,离开表面就很快减弱,因此裂缝只在接近表面的范围内发生,表面层以下结构仍保持完整。二是由于结构温差较大,受到外界的约束引起的,当大体积混凝土浇筑在约束地基(例如桩基)上时,又没有采取特殊措施降低、放松或取消约束,或根本无法消除约束,则易发生深度、甚至是贯穿的温度裂缝。

   2、温度裂缝形成的过程:一般(认为)分为三个时期:一是初期裂缝就是在混凝土浇筑的升温期。由于水化热,混凝土浇筑后2~3天内温度急剧上升,内热外冷引起的约束力超过混凝土抗拉强度引起裂缝。二是中期裂缝就是水化热降温期,当水化热温升到达峰值后逐渐下降,水化热散尽时结构物的温度接近环境温度,此间结构物温度引起外约束力,超过混凝土抗拉强度引起裂缝。三是后期裂缝,当混凝土接近周围环境条件之后保持相对稳定,而当环境条件剧变时,由于混凝土为不良导体,形成温度梯度,当温度梯度较大时,混凝土产生裂缝。

  3、温度控制:一般的,温度裂缝的产生是不可避免的,重要的是如何把其控制在规范允许的范围之内。要进行有效的控制,就必须进行科学预测,以保证控制的准确性。在施工现场,对温度应力的控制主要是进行温控。在浇筑混凝土时,采用温度传感片和测温仪,从浇筑一开始就开始测温(包括入模温度,环境温度),并及时抹面压光和养护(保温保湿)。混凝土浇筑完后根据温控指标,及时调整保温保湿养护条件。

 温度影响系数受多种因素影响,其中温度、湿度、散热界面(土、空气等),初凝时间、风速、温差等影响较大,特别是风速和温差较大时,温度影响系数大大降低,最高温升将降低,这与我们的实测结果是相吻合的。但为防止降温过快,形成大的温度梯度,夏季选用蓄水养护秋冬季加盖草袋、海绵如果工地气候风大、干燥特征拆模后及时采取防风,保温措施,并及时回填土,结果证明这些方法对温度影响系数的改变是非常有用的,事实表明控制也是非常成功的。

二、沉缩裂缝

  混凝土沉缩裂缝在大体积混凝土(特别是泵送大流态混凝土)施工中也是经常发生的。主要原因是振捣不密实,沉实不足;或者骨料下沉,表层浮浆过多,混凝土浇筑后,没有及时抹光压实(特别是初凝前的二次拌压);如果表面覆盖再不及时,受风吹日晒,表面水份散失快,产生干缩,混凝土早期强度低,不能抵抗干缩变形而导致开裂。

   在施工中采用缓凝型泵送剂,延缓混凝土的凝结硬化速度,充分利用外加剂(特别是缓凝剂)的特性,适时增加抹压次数,消除表面裂缝(特别是沉缩裂缝和初期温度裂缝),特别是初凝前的抹压,这对消除表面裂缝是有效的。

三、 减少大体积混凝土裂缝的措施 

1、选择合适水泥和严格控制水泥用量

为减少水泥用量,优先采用52.5R42.5R普通硅酸盐水泥等高标号水泥。选用低热水泥,减少水化热,降低混凝土的温升值。并尽量选用后期强度(90120天)进行配合比设计,降低水泥用量,并延缓峰值。在满足设计强度和混凝土可泵性的前提下,将42.5R水泥用量控制在450kg/m352.5R水泥用量控制在360kg/m3,以降低混凝土最高温升,降低混凝土所受的拉应力。

2、严格控制骨料级配和含泥量 

  选用5~40mm连续级配碎石(其中5~20mm级配含量55%左右),细度模数2.80-3.00的中砂(通过0.315n凹筛孔的砂不少于15),砂率控制在40-45%。砂、石含泥量控制在1%以内,并不得混有有机质等杂物,杜绝使用海砂。

3选择适当外加剂

根据设计要求,混凝土中掺加一定用量外加剂,如防水剂、膨胀剂、减水剂、缓凝剂等。适当掺加外加剂能提高混凝土的和易性,使用水量减少20%左右,水灰比可控制在0.55以下,初凝延长到5h左右。

4选择优化配合比

优化混凝土配合比,选用良好级配的骨料,严格控制砂石质量,降低水灰比,并在混凝土中掺加粉煤灰和外加剂等,以降低水泥用量,减少水化热,以降低混凝土温升,从而可以降低混凝土所受的拉应力。

5、采用切实可行的施工工艺 

   根据泵送大体积混凝土的特点,采用分段定点,一个坡度,薄层浇筑,循序推进,一次到顶的施工方法。这种自然流淌形成斜坡混凝土的方法,能较好地适应泵送工艺,避免混凝土输送管道经常拆除、冲洗和接长,从而提高泵送效率,保证上下层混凝土浇筑间隔不超过初凝时间。根据混凝土泵送时自然形成一个坡度的实际情况,在每个浇筑带的前后布置两道振动器,第一道布置在混凝土出料口,主要解决上部混凝土的振实;由于底层钢筋间距较密,第二道布置在混凝土坡脚处,以确保下部混凝土密实。随着浇筑的推进,振动器也相应跟上,以确保整个高度上混凝土的质量。由于大体积泵送混凝土表面水泥浆较厚,故浇筑结束后须在初凝前用铁滚筒碾压数遍,打磨压实,以闭合混凝土的收水裂缝。

6、严格控制混凝土入模温度

  大体积混凝土最好选在春秋季施工,以降低混凝土入仓温度。如果确需在夏季施工,最好采取有效措施降低混凝土入仓温度。浇筑混凝土时最好不要让混凝土在太阳下直接爆晒。混凝土拌制前应保证水泥库通风良好,并对碎石洒水降温,自来水预先放入地下蓄水池中降温。

7、适当增加预埋件

   在混凝土容易发生裂缝的部位埋设应力应变传感片,直接测试拉应力,以便更直接控制混凝土养护(调节保温保湿养护条件,保证温度梯度),确保混凝土不裂缝。在基础面上加设铁丝网或小直径钢筋网,以提高混凝土表面抗裂性(中间温度筋可去掉)。采用水平分层间隙施工方法,分两层进行浇筑,间隙时间7d以上,分层厚度各1.5m,抗缩钢筋网设置在下层1.5m的上表面。在工期允许的情况下,这种施工方法可降低内部最高温升,减少人力、材料及机械设备的投入。

8、改进施工技术

施工时加强插筋附近混凝土的振捣、抹压、养护。由于钢筋是热的良导体,易产生大的温度梯度,这是容易产生裂缝的一个主要部位。加强初凝前的抹压,以消除初期裂缝,并加强早期养护,提高混凝土抗拉强度。

9、加强混凝土浇筑后的养护

   混凝土浇筑后,应尽快回填土土是混凝土最好的养护材料之一。目前这是混凝土保温保湿养护的最有效方法,对预防裂缝是非常有益的。如采用蓄水法保温养护,在混凝土施工期间可通入冷却循环水,以便加快承台内部热量的散发。如采用内散外蓄综合养护措施,可有效降低混凝土的温升值,且可大大缩短养护周期,对于超厚大体积混凝土施工尤其适用。

10加强技术管理                                                                          

加强原材料的检验、试验工作。施工中严格按照施工方案及技术交底的要求指导施工,明确分工,责任到人。加强计量监测工作,定时检查并做好详细记录。认真对待混凝土浇筑过程中可能出现的冷缝,并采取措施加以杜绝。在变截面施工前,一定要加强预测,并保证预测的科学性。同时在实施过程中,要切实落实施工方案。

11、加强混凝土的测温工作 

 为及时掌握混凝土内部温升与表面温度的变化值,在大体积混凝土内埋设若干个测温点,采用L形布置,每个测温点埋设2根测温管,1根管底埋置于混凝土的中心位置,测量混凝土中心的最高温升,另一根管底距混凝土上表面100 mm,测量混凝土的表面温度,测温管均露出混凝土表面100 mm。用100的红色水银温度计测温,以方便读数。第l ~5d2h测温1次,第6d后每4h测温1次,测至温度稳定为止。从已有施工经验的测温情况看,混凝土内部温升的高峰值一般在3.5d内产生,3d内温度可上升到或接近最大温升,内外温差值在20℃左右,控制在规范规定范围内,未发现异常现象。

12、其它意见

   如果大体积混凝土采用泵送工艺,泵送过程中,常会发生输送管堵塞故障。所以提高混凝土的可泵性十分重要。须合理选择泵送压力,泵管直径,输送管线布置应合理。泵管上须遮盖湿麻袋,并经常淋水散热。混凝土中的砂石要有良好的级配,碎石最大粒径与输送管径之比宜为1:3,砂率宜在40~45%之间,水灰比宜在0.5-0.55之间,坍落度宜在15-18cm之间。 

    大体积混凝土施工过程中,还应经常与气象台联系,掌握天气情况。预备好防晒及防雨设施,并在基坑四周,设置盲沟和集水井,防止雨水倒灌进仓号内,造成不必要的经济损失。

通过上述控制措施,一定能将大体积混凝土的各种裂缝减到最少,达到比较满意的混凝土外观质量。

作者简介:陈文会,男,1974年生,1998年毕业于太原理工大学水利水电工程建筑专业,大学本科。1998年参加工作,工程师,一级建造师,现任第五工程处主任工程师。