大体积混凝土温度裂缝的产生与控制

2014-11-09段海云

山西建筑 2014年25期

段海云

(山西吕梁公路建设有限公司，山西吕梁 033000)

0 引言

在混凝土工程中，裂缝是最常见的一种缺陷，是影响混凝土结构使用寿命的最主要因素。微观裂缝，指宽度一般在0.05 mm以下，肉眼不可见，为一般混凝土结构所固有。在大体积混凝土结构施工中，水化热导致混凝土内外部温度差很大，经常出现很多裂缝是工程实践中存在的常见问题。本文所称裂缝指的是宽度超过0.05 mm，肉眼可见的宏观裂缝。

近年来，随着我国基础设施建设的快速发展，一些大坝、桥梁以及高层建筑的基础工程等大型工程项目越来越多，大体积混凝土应用也越来越多。混凝土硬化时产生温度裂缝是不可避免的。当出现的裂缝影响到结构的整体性和耐久性时，就会对建筑物的结构安全产生极其不利的影响。因此，研究大体积混凝土温度裂缝成因，进行温度裂缝控制就尤为重要。

1 大体积混凝土裂缝的危害

在我国GB 50496-2009大体积混凝土施工规范中大体积混凝土的定义为，混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。

在大体积混凝土中，主要材料包括水泥、砂和石料等。在混凝土结构中，水泥浆体硬化后，其干缩值比较大，石料会对水泥浆体的自由收缩产生限制，使得混凝土结构从硬化开始就会在骨料与水泥浆体的粘结面上形成微裂缝。同时，由于混凝土中各种材料的物理性能不同，在混凝土结构中出现诸如空洞、孔道、裂缝、疏松等固有缺陷。

在不大的外力或变形作用下，混凝土结构中的微裂缝是稳定的。但当受到外力导致混凝土产生变形的作用较大时，在混凝土内部的微裂缝逐渐发展扩大，甚至能够对硬化后的水泥石形成贯穿，逐步发展成为宏观裂缝，影响混凝土结构安全。

在大体积混凝土结构中，存在的部分轻微细小的裂缝，甚至极少量的宏观裂缝，这仅会对结构外观造成影响，对结构的使用性能、耐久性能及安全性能不会有大的影响。但当宏观裂缝逐步发展扩大，形成较宽较深的宏观裂缝时，就给腐蚀介质的侵入留下通道，水分及有害物质顺着裂缝渗入，诱发出现如钢筋锈蚀、混凝土碳化和酥松脱落等病害，则会对结构的耐久性和防水性造成破坏性的影响，影响混凝土结构的安全。

一旦出现裂缝，分析成因并采取适当的补救措施是非常必要的。在建筑物基础、地下或半地下结构中，裂缝最主要是对结构的防渗性能产生影响。产生的裂缝宽度在0.1 mm～0.2 mm范围内时，会表现出轻微渗水，经过一段时间的使用后一般可自愈。当裂缝的宽度范围超过0.2 mm时，则必须进行处治，如采用化学注浆等。

2 裂缝产生的机理

在大体积混凝土结构中，出现裂缝的原因是多种多样的，但拉应力是裂缝产生的必要条件。在混凝土的结构中，当发生体积变化时，一般主要是由于受到约束或荷载作用时，在结构内部产生的拉应力过大，超过混凝土结构当时的抗拉强度时，则裂缝产生。

2.1 混凝土结构变形的内外约束作用

当混凝土结构发生变形时，在其内部各质点之间就会产生内约束，表现为混凝土表面裂缝。在大体积混凝土结构内部，由于水泥水化热使得其内部温度比表面高，相应的产生的热膨胀也比表面大，则会在混凝土结构的表面产生拉应力。当产生的表面拉应力超过混凝土当时的抗拉强度时，则会形成混凝土表面裂缝(见图1)。

当混凝土的结构发生变形时，不同结构之间就会产生外约束，表现为混凝土深层裂缝。当大体积混凝土浇筑数日后，水泥水化热基本完毕，混凝土内部温度就会逐渐降低。同时，集料中的多余水分也会蒸发，混凝土体积就会出现自由收缩。外部结构会对混凝土的这种自由收缩产生约束作用。在外部结构的约束作用下，内外温差产生温度应力。当温度应力(一般是拉应力)超过混凝土当时的抗拉强度时，就会从约束面开始形成温度裂缝，当温度应力足够大时，形成的裂缝甚至会贯穿整个截面(如图2所示)。

图1 内约束引起表面裂缝

图2 外约束引起深层裂缝

在大体积混凝土裂缝中，外约束应力占主要地位。

2.2 水泥水化热

在混凝土结构浇筑初期，水泥水化热引起温升，且结构表面自然散热。因此，在浇筑后的3 d～5 d，混凝土内部达到最高温度。混凝土结构自身的导热性能差，且大体积混凝土由于体积巨大，本身不易散热，水泥水化现象会使得大量的热聚集在混凝土内部，使得混凝土内部迅速升温。而混凝土外露表面容易散发热量，这就使得混凝土结构温度内高外低，且温差很大，形成温度应力。当产生的温度应力(一般是拉应力)超过混凝土当时的抗拉强度时，就会形成表面裂缝。

3 大体积混凝土温度裂缝的控制措施

从以上可以看出，混凝土裂缝形成受多种因素的影响，主要是水泥水化热大量积聚使得混凝土早期温升和后期降温导致温度应力过大。在施工中，对裂缝成因的影响因素进行分析，可针对性的解决大体积混凝土裂缝问题。

3.1 影响因素

在大体积混凝土结构中，影响温度裂缝形成及扩展的因素很多，主要包括混凝土结构中的水泥使用量、配合比设计、外加剂与施工工艺、养护条件等。

1)原材料和配合比。

水泥量、水泥强度、水泥活性、水胶比、骨料粒径、骨料含泥量、掺合料、外加剂等混凝土本身性能起决定性作用。

2)施工质量。

在施工中，混凝土的搅拌时间、运输流程及时间、浇筑时机、振捣工艺、养护作业，模板拆除和预应力施工的时机，施工接槎处理，压抹、施工季节等都对施工质量产生影响。

3)设计缺陷。

结构体型、结构设缝、局部配筋不足、配筋方式不当、保护层厚度不够、环境条件选择不当等设计合理与否对裂缝状态具有重要影响。

4)使用环境耐久性。

严重超载、疲劳荷载等非设计工况、改变结构用途、改造结构形式、结构超期服役而抗力退化、侵蚀环境下结构长期使用、没有及时维护需定期更换的构件。

3.2 裂缝控制措施

在大体积混凝土项目建设中，裂缝有时会成为贯穿全断面的结构性裂缝，造成结构安全隐患。要减少裂缝的发生，主要是从有效控制混凝土的温升，延缓前期降温速率，减少后期收缩，提高混凝土的抗拉值，改善约束条件，完善混凝土结构设计和加强施工中的温度监测等方面采取措施。

1)从设计角度控制。

设置伸缩缝，释放大部分的热量和变形，减小约束应力。合理布置钢筋，以减轻混凝土的收缩，限制裂缝的展开。设置后浇带。

2)从施工角度控制。

a.控制出机温度。

对混凝土出机温度影响最大的是石子。在施工中，采取有效方法降低石子温度。

b.控制浇筑温度。

施工时，混凝土的浇筑温度过大会引起较大的干缩，应采取措施适当控制浇筑温度在40℃以下为宜。

c.浇筑工艺和处理。

在施工中，采用二次投料的砂浆裹石工艺和净浆裹石搅拌工艺，利于提高混凝土的密实度，有效提升混凝土的极限拉伸值和抗裂性能。

合理确定浇筑顺序，加强振捣。

d.养护措施。

进行潮湿养护，通过在表面不断地补给水分，降低内外温差。如淋水，铺设湿砂层、湿麻袋或草袋等，一般不少于半个月。

e.加强温度检测。

在混凝土硬化过程中，监测其内部温度场变化分布情况，以采取相应措施，确保混凝土不产生过大的温度应力。

3)原材料角度控制。

水泥的品种及用量:应根据结构特点，选择水化热低且强度高的水泥。同时，在确保混凝土强度和耐久性的前提下，尽可能的减少水泥用量，以缓解水热化。

在配合比设计中，适量的加入外加料，能有效降低水泥用量，降低浇筑前期的升温，减少后期的收缩。如:适量掺入木质素磺酸钙(也称木钙)用作减水剂使用，可显著降低水化热，延迟水化热释放速度(如表1所示)。适量掺入膨胀剂(AEA:矾土水泥、天然明矾石、硬石膏;UEA:烧结明矾石、天然明矾石、硬石膏等)置换相同质量的水泥，产生的膨胀自应力可使混凝土处于受压状态，抵消产生的部分拉应力，避免裂缝的发生和发展。适量掺入粉煤灰能有效地提高混凝土的抗渗性能，显著改善混凝土拌合料的工作性能，并具有减水作用。