裝配式建筑工程知識分享：淺談大體積混凝土裂縫成因及控制

1 大體積混凝土裂縫類型及裂縫產(chǎn)生原因分析

大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫主要包括干燥收縮裂縫、塑性收縮裂縫、自身收縮裂縫、安定性裂縫、溫差裂縫、碳化收縮裂縫等。

1.1 收縮裂縫 混凝土在逐漸散熱和硬化過程中會導(dǎo)致其體積的收縮，對于大體積混凝土，這種收縮更加明顯。如果混凝土的收縮受到外界的約束，就會在混凝土體內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的收縮應(yīng)力，當(dāng)產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過當(dāng)時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫。影響混凝土收縮的主要因素主要是混凝土中的用水量、水泥用量及水泥品種?；炷林械挠盟亢退嘤昧吭礁?，混凝土收縮就越大。水泥品種對干縮量及收縮量也有很大的影響，一般中低熱水泥和粉煤灰水泥的收縮量較小。

自身收縮是混凝土收縮的一個主要來源。自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起的。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，導(dǎo)致混凝土體的相對濕度降低及體積減小而最終自身收縮。水灰比對自身收縮影響較大，一般來說，當(dāng)水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計;但是當(dāng)水灰比小于0.35時，體內(nèi)相對濕度會很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則幾乎各占一半。

自身收縮主要發(fā)生在混凝土拌合后的初期。因此在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分甚至全部已經(jīng)完成。在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應(yīng)力增大，所以在水工大壩施工時早就將自身收縮作為一項性能指標(biāo)進行測定和考慮。但是，許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也必須考慮水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響，也需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響。

塑性收縮也是大體積混凝土收縮一個主要來源。在水泥活性大、混凝土溫度較高或者水灰比較低的條件下，混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進一步加快，于是裂縫迅速擴展。所以在這種情況下混凝土澆筑后需要及早覆蓋養(yǎng)生。

1.2 溫差裂縫 混凝土內(nèi)部和外部的溫差過大會產(chǎn)生裂縫。溫差裂縫產(chǎn)生的主要原因是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過大。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。溫差的產(chǎn)生主要有三種情況：第一種是在混凝土澆筑初期，這一階段產(chǎn)生大量的水化熱，形成內(nèi)外溫差并導(dǎo)致混凝土開裂，這種裂縫一般產(chǎn)生在混凝土澆筑后的第3天(升溫階段)。另一種是在拆模前后，這時混凝土表面溫度下降很快，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。第三種情況是當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度高達峰值后，熱量逐漸散發(fā)而達到使用溫度或最低溫度，它們與最高溫度的差值即內(nèi)部溫差。這三種溫差都會產(chǎn)生裂縫，但最嚴(yán)重的是水化熱引起的內(nèi)外溫差。

1.3 安定性裂縫 安定性裂縫表現(xiàn)為龜裂，主要是由于水泥安定性不合格而引起。

2 裂縫的防治措施

2.1 設(shè)計措施

2.1.1 精心設(shè)計混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應(yīng)盡可能降低混凝土的單位用水量，采用“三低(低砂率、低坍落度、低水膠比)二摻(摻高效減水劑和高性能引氣劑)一高(高粉煤灰摻量)”的設(shè)計準(zhǔn)則，生產(chǎn)出“高強、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值”的抗裂混凝土。

2.1.2 增配構(gòu)造筋，提高抗裂性能。應(yīng)采用小直徑、小間距的配筋方式，全截面的配筋率應(yīng)在0.3～0.5%之間。

2.1.3 避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中。在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強措施。

2.1.4 在易裂的邊緣部位設(shè)置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限抗拉強度。

2.1.5 在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分考慮施工時的氣候特征，合理設(shè)置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30m，保留時間一般不小于60天。如不能預(yù)測施工時的具體條件，也可臨時根據(jù)具體情況作設(shè)計變更。

2.2 原材料控制措施

2.2.1 盡量選用低熱或中熱水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期強度(90d～180d)以降低水泥用量，減少水化熱(因為每加減10kg水泥，溫度會相應(yīng)增減1℃，水化熱與水泥用量成正比)。在條件許可的情況下，應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。因為這種水泥在水化膨脹期(1～5d)可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，而在水化后期預(yù)壓應(yīng)力可部分抵消溫度徐變應(yīng)力，減少混凝土內(nèi)的拉應(yīng)力，提高混凝土的抗裂能力。

2.2.2 適當(dāng)攙加粉煤灰。混凝土中摻用粉煤灰后，可提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強度，抑制堿骨料反應(yīng)，減少新拌混凝土的泌水等。

2.2.3 選擇級配良好的骨料。骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對體積的80%～83%，因此在選擇骨料時，應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。一般來說，可以選用粒徑4mm～40mm的粗骨料，盡量采用中砂，嚴(yán)格控制砂、石子的含泥量(石子在1%以內(nèi)，砂在2%以內(nèi))?？刂扑冶仍?.6以下。還可以在混凝土中摻緩凝劑，減緩澆筑速度，以利于散熱。另外還可以考慮在大體積混凝土中摻加堅實無裂縫、沖洗干凈、規(guī)格為150mm～300mm的大塊石。摻加大塊石不僅減少了混凝土總用量，降低了水化熱，而且石塊本身也吸收了熱量，使水化熱能進一步降低，對控制裂縫有一定好處。

2.2.4 適當(dāng)選用高效減水劑和引氣劑，這對減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力學(xué)、熱學(xué)、變形、耐久性等性能起著極為重要的作用。

2.3 施工方法控制措施 大體積混凝土施工時內(nèi)部應(yīng)適當(dāng)預(yù)留一些孔道，在內(nèi)部通循環(huán)冷水或冷氣冷卻，降溫速度不應(yīng)超過0.5℃～1.0℃/h。對大型設(shè)備基礎(chǔ)可采用分塊分層澆筑(每層間隔時間5d～7d)，分塊厚度為1.0m～1.5m，以利于水化熱散發(fā)和減少約束作用。當(dāng)混凝土澆筑在巖石地基或厚大的混凝土墊層上時，在巖石地基或混凝土墊層上鋪設(shè)防滑隔離層(澆二度瀝青膠撒鋪5mm厚砂子或鋪二氈三油)，底板高低起伏和截面突變處，做成漸變化形式，以消除或減少約束作用。此外，還應(yīng)加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應(yīng)下降15℃以上。盡量采用兩次振搗技術(shù)，改善混凝土強度，提高抗裂性。還可根據(jù)具體工程特點，采用UEA補償收縮混凝土技術(shù)。

2.4 溫度控制措施 混凝土溫度和溫度變化對混凝土裂縫是極其敏感的。當(dāng)混凝土從零應(yīng)力溫度降低到混凝土開裂溫度時，混凝土拉應(yīng)力超過了此時的混凝土極限拉應(yīng)力。因此，通過應(yīng)降低混凝土內(nèi)水化熱溫度和混凝土初始溫度，減少和避免裂縫風(fēng)險。

人工控制混凝土溫度的措施對早期因熱原因引起的裂縫作用不明顯。比如表面保溫材料保護可以減少內(nèi)外溫差，但不可避免地招致混凝土體內(nèi)溫度很高，從受約束而導(dǎo)致貫穿裂縫的角度看，是一個潛在惡化裂縫的條件。因為體內(nèi)熱量遲早是要散發(fā)掉的。另外人工控制混凝土溫度還需注意的問題是防止過速冷卻和超冷，過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大，而且早期的過速超冷會影響水泥——膠體體系的水化程度和早期強度，更易產(chǎn)生早期熱裂縫。超冷會使混凝土溫差過大，引起溫差裂縫澆筑時間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設(shè)簡易遮陽裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時，可在水平及垂直泵管上加蓋草袋并噴冷水。

所以，大體積混凝土施工重點主要是將溫度應(yīng)力產(chǎn)生的不利影響減少到最小，防止和降低裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

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