大体积混凝土施工裂缝控制分析

宋文英 中国成达工程有限公司 成都 610041

大体积混凝土施工裂缝控制分析

宋文英＊中国成达工程有限公司 成都 610041

分析大体积混凝土裂缝产生的原因及控制裂缝产生的措施。

体积混凝土 水化热 裂缝 原因分析 控制措施

大体积混凝土一般指厚度大于1m的建、构筑物,由于在施工中水化热会导致内部温升较高,收缩大,一旦养护不当极易引起裂缝。

这不仅对建、构筑物外观产生较大影响,同时对使用功能和耐久性产生影响,严重时对建、构筑物的安全构成威胁,甚至于完全丧失使用功能,裂缝问题引起了人们的广泛关注。根据国内外的调查资料,工程实践中结构物的裂缝原因,属于变形变化(温度、湿度、地基变形)引起的占80%以上,属于荷载引起的约占20%。

本文仅讨论裂缝产生的原因及控制措施。

1 裂缝产生的原因

混凝土产生裂缝的原因是多方面的,例如外荷载的作用、湿度、温度的变化、基础不均匀沉降、混凝土的收缩徐变、构件的配筋不合理以及施工方法不当等都可能引起混凝土构件的开裂。其中,温度和湿度变化是主要的原因。

(1)混凝土硬化期间水泥释放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或已浇注混凝土的约束,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。当这些拉应力超过混凝土的抗拉强度时,就会产生裂缝。

(2)许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不当、时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束,也会导致裂缝的产生。

(3)混凝土是一种脆性材料,抗拉强度是抗压强度的1/10左右,短期加荷时的极限拉伸变形为(0.6～1.0)×10-4;长期加荷时的极限拉伸变形为(1.2～2.0)×10-4。由于原材料不均匀,水灰比不稳定,及运输和浇筑过程中的离析现象,即便是在同一块混凝土中其抗拉强度也是不均匀的,存在着抗拉能力低,易于出现裂缝的薄弱部位。因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

2 温度应力分析

2.1 温度应力的形成过程

温度应力的形成过程可分为三个阶段:

(1)自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束。这个阶段有两个特征:①水泥放出大量的水化热;②混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。

(2)自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这阶段温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,但混凝土的弹性模量的变化不大。

(3)在混凝土完全冷却后,温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种残余应力相叠加。

2.2 温度应力的形成原因

温度应力形成的原因可分为两类:

(1)自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,桥梁墩身结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力。

(2)约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如大块式筏板基础受到岩石地基的约束产生的应力。

这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响。

3 控制裂缝的措施

控制混凝土裂缝贯穿于设计、选材及施工全过程,可采取许多适当的技术措施。

3.1 设计

(1)大体积混凝土底板应在满足抗弯及抗冲切计算要求下,采用强度等级在C20～C35范围内的混凝土,考虑到建设周期长的特点,可以利用混凝土60d或90d的后期强度,这样既可减少混凝土中的水泥用量,又能降低混凝土浇筑块体的温度。

(2)大体积混凝土基础除应满足承载力和构造要求外,还应增配承受水泥水化热引起的温度应力及控制裂缝开展的钢筋,以构造钢筋来控制裂缝,配筋应尽可能采用小直径、小间距。采用直径8～14mm的钢筋和100～150mm间距是比较合理的。

(3)当基础设置于岩石地基上时,宜在混凝土垫层上设置滑动层。

(4)避免结构突变(或断面突变)产生应力集中。转角和孔洞处增设构造加强筋。

(5)大体积基础采用“后浇带”来控制施工期间的较大温差及收缩应力,后浇带宜控制在20～30m。

3.2 选材

(1)采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值,既便于控制混凝土浇筑后的内外温差和降温速度,又可降低保温养护的费用,这是大体积混凝土配合比选择的特殊性。

(2)选用水化热低的水泥浇筑大体积混凝土。

(3)采用含泥量小于1.5%、5～40mm颗粒级配的石子。

(4)采用含泥量小于1.5%的中、粗砂。

3.3 施工

为了防止裂缝,减小温度应力可以从控制温度、改善约束条件和保温保湿方面着手。

3.3.1 控制温度

(1)采用改善骨料级配,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量。

(2)拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的入模温度。

(3)减小浇筑厚度,利用浇筑层面散热。

(4)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度。

(5)在寒冷季节对施工中长期暴露的混凝土浇筑块或薄壁结构采取保温措施。

(6)控制混凝土内外温差不大于25℃。(7)控制降温速度。

3.3.2 改善约束条件

(1)合理地分缝分块。

(2)避免基础过大起伏。

(3)合理安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。

3.3.3 保温保湿

采用草袋和塑料薄膜进行保温保湿养护。

4 结语

大体积混凝土应重视温度应力的分析,设计措施应控制混凝土内外温差及降温速度,合理有效进行保温保湿工作,以防止或控制裂缝的产生,确保工程质量。

1 GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].

2 GB 50007-2002,建筑地基基础设计规范[S].

3 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

4 朱柏芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

＊宋文英:高级工程师。1998年毕业于四川大学建筑工程专业。现从事工程设计工作。联系电话:(028)65531909。

2009-04-08)