如何有效控制大体积混凝土的裂缝

分类：建筑设计论文发表 时间：2011-04-14 08:59 关注：(1)

如何有效控制大体积混凝土的裂缝
石广忠
摘 要:针对混凝土的性质特点，混凝土结构被越来越多的应用于高层建筑中，但伴其产生的大体积混凝土结构裂缝也是施工技术人员面对的重要课题。本文结合笔者多年的工作经验，分析了其裂缝产生的原因并提出了相应的预防措施。
关键词：混凝土结构 裂缝产生原因 控制措施
１ 大体积混凝土结构产生裂缝的原因
(1)水泥水化热的影响
混凝土由干硬性转向泵送大流动性预拌混凝土施工, 水泥用量, 用水量都增加, 水泥活性增加, 比表面积加大, 砂率提高等, 导致水化热及收缩变形显著增加, 体积稳定性下降了。混凝土的水化热是由水泥水化作用而产生的, 水泥凝结硬化过程中会产生大量的热量, 大体积混凝土测温试验研究表明, 水泥大部分水化热在1-3 ｄ内放出(放出的热量占总热量的5 0 ％左右, 7 ｄ内可达到约7 5％)。由于混凝土体积大,聚集在内部的水泥水化热不易散发可使大体积混凝土内部温度上升到50℃(冬)至70℃(夏),而混凝土表面则散热较快, 这样形成较大的内外温差, 使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力, 而拉应力超过极限抗拉强度时, 混凝土表面将产生裂缝。
(2)混凝土收缩变形的影响
水化热使混凝土内部升温的时间很短,大约在浇筑后的2-7 ｄ,这时混凝土的弹性模量很小,约束应力很小,但降温阶段很长,可延续10-30 ｄ,甚至更长时间。当混凝土降温时,由于逐渐散热而产生收缩,再加上混凝土硬化过程中, 由于混凝土内部拌和水的水化和蒸发,以及胶质体的胶凝作用,促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩,在收缩时受到基底或结构本身的约束, 产生很大的收缩应力( 拉应力),如果产生的收缩应力超过混凝土的极限抗拉强度,会在混凝土中产生收缩裂缝,这种裂缝有时会贯穿全断面,成为结构性裂缝,带来
严重的危害。
(3)外界气温的影响
大体积混凝土结构在施工期间,外界气温的变化对防止大体积混凝土开裂有着重大影响。混凝土内部的温度由浇筑温度、水泥水化热绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加而成。浇筑温度与外界气温有着直接关系, 外界气温愈高, 混凝土浇筑温度也愈高。如果外界气温突然下降,会增加混凝土的温度梯度,特别是气温骤然下降,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。
( 4 ) 现浇混凝土结构、砖混结构刚度增加,抗震烈度提高,结构约束比过去显著增大,如框架梁柱约束了楼板的变形,桩基约束了大体积承台的体积变形。
(5)与材料性质和配合比有关的因素 水泥的非正常凝结与非正常膨胀、骨料的级配不当及含泥量过大混凝土配合比不当(水泥因素大,用水量大,砂率大等),选用的水泥、外加剂,掺和料匹配不当,造成大体积混凝土产生裂缝。
(6)与施工有关的因素
拌和不均匀, 振捣不密实、坍落度过大、钢筋保护层厚度不够。模板支撑下沉,过早拆模,硬化前受扰动或承受荷载,表面抹压不及时、养护不当等。
２ 防止大体积混凝土裂缝的技术措施
实践经验表明,大体积混凝土结构的裂缝由荷载引起的可能性很小, 大多数是温度裂缝。为了防止大体积混凝土的裂缝,概括起来主要有以下几个措施:
2.1 合理选择材料、限制水泥用量降低混凝土内部水化热
(1)选择水泥
选用中热或低热水泥品种,是控制混凝土温升的最根本的方法。如强度等级为42.5 矿渣硅酸盐水泥早期的水化热与同龄期的普通硅酸盐水泥相比,3d 的水化热约降低30％,而强度等级为42.5 火山灰硅酸盐水泥与同强度等级的普通硅酸盐水泥,3d的水化热约降低60％。
(2)掺加磨细的粉煤灰 在每立方米混凝土中掺加粉煤灰,宜为水泥因素的 30％-50％利用粉煤灰“滚珠效应”可改善混凝土的粘聚性和流动性,大大降低混凝土的水化热。还可节约水泥, 降低成本。根据有关试验资料表明,每立方米混凝土的水泥用量每增减10 ｋkg, 其水化热引起混凝土的温度相应升降1-1.2℃。
(3)掺加优质外加剂
大体积混凝土中掺加抗裂、防渗高效增强剂。如ＪＭ－Ⅲ改进型, 其减水率可达20％左右,3d 的水化热为纯水泥浆体的74.2％,水化热峰值明显降低。水灰比的降低,可有效地减少收缩,提高混凝土长期体积稳定性,同时使混凝土的孔结构得到改善,使密实度及早期抗拉强度明显提高,从而提高混凝土的抗裂防渗性。例如姜堰建工大厦地下室承台,底板厚度为1.5 ｍ,采用C30P6 级抗渗混凝土,97
年６月上旬施工,旬平均温度21.5-22℃,选用 42.5 矿渣硅酸盐水泥, 掺用JM- Ⅵ缓凝减水剂和Ｙ F - 7 ,混凝土成型后采用蓄水养护, 未发现裂缝。
(4)在混凝土中掺加合成纤维
合成纤维用于控制混凝土早期收缩裂缝的作用,已得到许多研究和工程应用的证实,掺有体积率为0.05％－0.2％的合成纤维, 每立方米混凝土中即有几百万甚至上千万根纤维, 平均每立方厘米混凝土中就有几十根纤维, 这样在基体的水泥砂浆中布满了横竖交叉的立体纤维网,对初期硬化的基体的干缩和塑性收缩起到了较强的约束作用,从而阻碍了塑性收缩裂缝的发生。
(5)充分利用混凝土后期强度
实践证明,掺优质粉煤灰混凝土后期强度较高,在一定掺量范围内60d 强度比28d 强度约可增长20％左右, 因此在大体积混凝土工程中宜用90d 甚至180d 龄期的强度。如将混凝土 28d 龄期C30 改为60d 龄期C30,这样可使每立方米混凝土的水泥用量减少50 ｋｇ。混凝土温度相应随之降低。
2.2 控制混凝土入模温度
根据由搅拌前混凝土原材料的总热量与搅拌后混凝土总热量相等的原理, 可求得混凝土的出机温度,说明出机温度与原材料的温度成正比。为此对原材料采取降温措施。对混凝土出机温度影响最大的是石子的温度, 砂的温度次之, 水泥温度影响较小。为了降低混凝土的出机温度,其最有效的办法就是降低砂、石的温度。可采取以下措施:
(1)用冷水冲洗石子
在夏季气温高时, 为防止太阳的直接照射, 在砂石堆料场搭设简易的遮阳装置,砂石温度可降低3 - 5 ℃。
(2)在搅拌混凝土用的贮水池内加入冰块,可使水温降低5-6℃。
(3)对混凝土泵管进行覆盖,保温,减少混凝土泵送过程中的升温。
(4)由搅拌、运输到混凝土入模,当气温不高于25℃时,持续时间不宜大于90min,当气温高于25℃时, 持续时间不宜大于60 ｍin。混凝土的入模温度不宜高于30℃。从而使入模温度大为降低。
2.3 加强混凝土的支护模板、浇筑和振捣
大体积混凝土一般选用木模或砖胎模,以减少混凝土表面热量的散发。如果采用钢模板,必须采取保温措施,因其散发热量较快,会加大混凝土内外温差。混凝土和浇筑方案可根据整体性要求、结构大小、钢筋疏密,以及混凝土供应等具体情况,采取分层分段!斜面分层等方式进行, 使混凝土沿着高度均匀上升。浇筑时, 要在下一层初凝之前浇筑上一层,避免上下浇筑层之间产生施工缝,宜采用二次振捣法,以保证良好的接槎,提高密实度,分层厚度一般为20-30cm,且采用踏步式方式分层推进。混凝土宜专人振捣, 振捣前进行交底培训,边角部位安排专人看护模板,防止漏振或振捣不实。混凝土浇筑过程中除进行正常的振捣外,在混凝土初凝前宜进行二次振捣, 排除大粒径骨料和钢筋下的空气,增强混凝土的密实性,并进行二次抹压消除混凝土的干缩裂缝。
2.4 混凝土配比
严格控制水泥用量和用水量,骨料级配适当,含泥量符合规范要求,模板的支设和拆除应有专题方案, 混凝土浇筑时要防止钢筋、模板、定位筋等的移动和变形。大体积混凝土一般是通过泵送浇筑的,因此根据泵送要求和降低单位水泥用量两个方面来考虑配合比的设计。水泥用量一般为280-300kg/m3,不超过400kg/m3;砂率控制在40%-50% 左右;石子要求级配良好,且粗骨料的最大粒径d 和泵管直径D 的比值应满足d/D ≤ 1/3;坍落度可控制在12-18cm。
如在城镇区内施工, 一般选用商品混凝土。施工前可根据混凝土站报送的配合比及材料化验报告来控制商品混凝土的质量,必要时可在施工前进行实地考察, 施工中进行抽查;另外必须重视其供应能力,不可出现供应中断现象。
混凝土必须用机械搅拌,掺有外加剂的混凝土,搅拌时间相应延长,一般为2-215min。混凝土的运输可采用手推车!翻斗车及混凝土罐车等,混凝土罐车边走边搅拌,其质量易得到保证。需要说明的是,运输中如产生沁水现象必须重新搅拌。
2.5 加强混凝土的保温保湿养护
混凝土抹压后,当人踩在上面无明显脚印时,随即用塑料薄膜覆盖严实,不使透风漏气、水分蒸发散失并带走热量,且在薄膜上盖两层草包保温保湿养护,也可以采用蓄水保温养护的方法。以减少混凝土表面的热扩散,延长散热时间,降低混凝土内外温差, 确保混凝土的内外温差不超过25℃。例如某市人民医院病房大楼工程地上十九层,地下一层,总高度69.5ｍ,基础形式为混凝土灌柱整板基础,基础总长54 ｍ,总宽32.6 ｍ,厚度以3.5 ｍ为主,电梯井部分厚40 ｍ。施工中采用42.5 矿渣硅酸盐水泥,选用质地坚硬的石子,并在混凝土中掺加ＶＥＡ－Ｈ膨胀剂及ＹＪ－③型缓凝减水剂。混凝土养护采用一层塑料膜、两层草袋的蓄热养护法,未发现裂缝及渗漏现象。
另外,为了及时掌握混凝土内部的变化,控制混凝土内部和表面的温度,混凝土浇筑时可以留设测温孔。测温孔分为表面测温孔和内部测温孔。夏季施工时, 应采取冰水或冷水拌制混凝土,以降低混凝土的入模温度;冬季施工时,应采取草苫覆盖或采用双覆塑苯板覆盖,以减少表面热量的散发;如果采用砖胎膜,在混凝土浇筑前,胎模采用素土虚填,既可起到保温作用,又可抵消来自混凝土对砖胎模产生的侧压力, 不致胀模。
３ 结语
大体积混凝土施工中的主要任务是控制混凝土的温度裂缝,提高其抗渗抗裂抗浸蚀能力,提高结构的耐久性,从大体积混凝土的设计,材料选择、温度理论计算、施工技术、跟踪测试、信息化施工等方面,对大体积混凝土的施工进行综合控制,对控制大体积混凝土裂缝是非常有效的。综合工程的应用经验提出以下防裂缝建议:第一,合理分段( 层),科学施工;第二,重视混凝土原材料的选择;第三,选择合适的保温养护方法;第四,计算机辅助分析运用;第五,跟踪测试信息化施工技术。