大体积混凝土温度裂缝的成因分析及控制技术

2011-08-15王春福王瑜玲

山西建筑 2011年11期

王春福王瑜玲

近年来，现代化建设迅猛发展，高层建筑、特大型桥梁、港口、码头、大坝、高速公路、大型锅炉基础、特种防护设施的建设越来越趋于大型化。大体积混凝土在工程中的应用越来越普遍。与普通混凝土相比，大体积混凝土结构厚、体形大、混凝土数量多、工程条件复杂、施工技术要求高，且大体积混凝土经常出现的问题，不是力学上的结构强度，而是以控制混凝土温度变形裂缝，从而提高混凝土抗渗、抗裂、抗侵蚀性能，提高建筑结构的整体性和耐久年限为突出任务。

本文针对大体积混凝土的特点，分析了温度裂缝产生的原因，并从设计、材料和施工三个方面介绍了温度裂缝的控制措施。

1 大体积混凝土温度裂缝产生的原因及影响因素分析

1.1 大体积混凝土温度裂缝产生的原因

实验和研究表明，混凝土是热的不良导体，导热性能差。水泥加水拌和后立即放热，水化热的释放主要集中在早期，由于大体积混凝土结构本身体积大，且一般要求一次性整体浇筑，短期内混凝土内部积聚了大量的热量不易散发，内部温度在一定的时间内不断上升，而混凝土表面散热较快，造成混凝土内外温差梯度过大，使混凝土表面受到很大的拉应力，当混凝土表面拉应力超过其抗拉强度时，就会在结构表面出现温度裂缝。混凝土属脆性材料，在硬化初期，龄期短，抗拉强度低，此时如果加上施工操作缺陷，便会在混凝土结构中引起抗拉强度不均，造成一些抗拉强度偏低的部位，从而成为裂缝出现的薄弱环节。故而在混凝土凝结硬化过程中，必须采用相应的技术措施，控制混凝土硬化时的温度，保持混凝土内外合理温差，避免混凝土出现温度裂缝。

1.2 大体积混凝土温度裂缝的影响因素分析

大体积混凝土温度裂缝的影响因素主要包括水泥品种，水泥用量，掺合料品种，掺合料用量，化学外加剂，施工环境及工艺流程，骨料温度，养护条件等［2］。

2 大体积混凝土温度型裂缝预防控制措施

实践证明，大体积混凝土的温度裂缝是不可避免的，只有通过合理的预防措施防治和控制裂缝的发展。防止大体积混凝土出现温度裂缝应从三方面出发:设计、材料和施工。首先应做到控制温度、改善约束，即减小温度应力;再则应尽可能提高混凝土抗裂能力，改善混凝土自身性能。这些措施不是孤立的，而是相互联系、相互制约，必须结合实际，全面考虑，合理采用。

2.1 设计措施

1 )根据结构物的实际情况选择结构方案和使用材料，降低拉应力，预防裂缝。2)在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。3)在大体积混凝土基础表面及内部设置必要的温度配筋，以改善应力分布，防止裂缝的出现;配设构造钢筋提高混凝土的抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。4)采用补偿收缩混凝土技术，如在混凝土中掺用膨胀剂来补偿收缩，防止收缩产生的裂缝。

2.2 配合比及原材料控制措施

合理选择原材料，优化混凝土配合比。根据国内外经验主要有以下几条:1)优化混凝土配合比设计，在保证混凝土强度及工作性能的情况下，尽可能降低混凝土的用水量和水泥用量，降低水灰比，并在混凝土中掺加矿物掺合料和化学外加剂等，减少水化热和收缩，预防混凝土的开裂。2)水泥的矿物组成中C3A的水化热和水化放热速率最大，C3S次之，接着是C4AF，C2S的水化热最小，放热速率最慢。因此为降低水化热可选用C3A或C3S含量低，C4AF和C2S含量高的水泥，如中热硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。C4AF在四种矿物组分中收缩最小，增加其含量可减少混凝土的收缩，改善温度裂缝问题。3)严格按照规范要求，控制骨料的含泥量，选择级配良好的砂石原料。粗骨料应选级配连续、较大粒径的;细骨料应选用级配良好的中砂和中粗砂。夏季高温施工时，在拌制混凝土前可用水将粗骨料湿润冷却，降低混凝土的浇筑温度。4)掺加矿物掺合料不仅可以减少每立方米混凝土中的水泥用量，还可以有效地降低水化的峰值温度，推迟水化热温峰的出现时间，同时可以改善混凝土的耐久性。掺矿物掺合料降低水化热的数量和延长温峰出现时间与其掺量有关。矿物掺合料的掺量越大，水化热的降低越多，延长温峰出现的时间也越长。混凝土中掺加矿物掺合料后，取代了一部分水泥，减少了水泥用量，同时减少了发热量最大的C3S和C3A，降低了水化温升。目前主要使用的矿物掺合料有粉煤灰、矿粉和硅灰等。5)在混凝土拌制过程中，掺加一定类型的减水剂，不仅可以改善新拌混凝土的工作性，还可以降低水化放热温峰、延迟放热峰值的出现，减少裂缝的出现。随着减水剂掺量增加，水化热降低的越多，延长温峰出现的时间越长。掺入减水剂后，28 d内水泥总的放热量与不掺者大致相同，不同之处在于改变了水化放热过程。普通减水剂均能不同程度地推迟水泥水化热峰值出现的时间与高度，这主要是因为推迟了水泥熟料中C3A和C3S的水化，延缓了放热过程。6)在混凝土中掺加聚丙烯纤维，可以增强混凝土的抗裂强度。在早期混凝土结构形成过程中，聚丙烯纤维可以减少混凝土的收缩、泌水和离析，提高混凝土内部结构的密实性，增强抗裂强度。

2.3 施工技术措施

1 )加强对原材料的检验、试验工作，所有进场材料检验合格后方可使用。2)混凝土的拌制过程中，严格控制原材料计量准确，严格控制搅拌时间和出机时的坍落度，一般控制混凝土的出机温度在6℃左右。对混凝土出机温度影响最大的是石子及水的温度，高温时可考虑降低石子的温度来保证混凝土的出机温度。3)浇筑大体积混凝土时应尽量避开炎热天气，较适宜的施工气温为5℃～28℃。高温环境下操作时，可采用温度较低的地下水，或在水中加冰块来降低新拌混凝土的温度，同时骨料等应进行遮阳、洒水降温处理，选择泵送混凝土时，泵管上须遮盖湿麻袋，并经常淋水散热。在混凝土入模时，还可以采取强制通风措施，加速模内热量的散发，降低混凝土入模温度。4)根据季节选用不同的施工方法，保温法或降温法;在高温下浇筑混凝土时，严格控制分层浇筑厚度，利用浇筑层面进行散热;根据现场情况制定合理的拆模时间，及时对结构表面进行覆盖保温，避免发生急剧的温度梯度，防止表面裂缝。5)根据现场情况，对结构进行分块、分层、分期浇筑或者在适当位置设置施工后浇带。6)加强早期养护，提高混凝土早期及相应龄期的抗拉强度和弹性模量。为了降低大体积混凝土的内外温差，可用表面保温保湿养护的方法，使混凝土缓慢降温，降低内外温差，充分发挥其徐变特性，减小温度应力。7)在有代表性的部位设温度监测装置，及时掌握混凝土内部温升与表面温度的变化值，加强测温和施工温度监测。8)根据规范和图纸，严格依照施工方案和交底要求进行施工。9)与时俱进，在保证混凝土质量的前提下，适时采用新技术、新材料与新工艺，减少混凝土的开裂。