大体积混凝土结构的裂缝控制

1、.同济大学专题报告建筑工程系大体积混凝土结构的裂缝控制专 业：土木工程姓 名：简天华学 号：081686指导老师：韩兵康时 间：2011年7月随着我国社会经济的快速发展，工程建设规模的不断扩大，大体积混凝土在结构中的应用越来越广泛，如工业建筑中的设备基础；在高层建筑中地下室底板，结构转换层；各类结构的厚大桩基承台或基础底板以及桥梁墩台；水工建筑中的重力式水坝等。根据特别值得一提的是中央电视台新址主楼1号楼的大底板混凝土浇注工程，工程总量为3.9万立方米的混凝土历时48小时全部浇筑完毕，浇注速度达到800m³/h，创下国内房间领域混凝土浇注的新纪录，是世界少有的大体积混凝土浇注工程。（

2、下图即为中央电视台大楼底板混凝土浇注现场）GB 50496-2009 大体积混凝土施工规范对大体积混凝土作了如下定义：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m 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。大体积混凝土工程一般具有以下特点：结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂，施工技术要求高，水泥水化热较大（预计超过25度），易使结构物产生温度变形。由于大体积混凝土工程体量的不断增大，其温度裂缝问题日显突出，并成为具有相当普遍性的问题。温度裂缝作为长期困扰大体积混凝土的主要难题，涉及到建筑材料、设计、施工和管理等多方面的因素。有关规范中关于土木工程的

3、温度裂缝控制条款尚不完善，工程中的温度控制实施主要依靠实践经验，缺乏理论依据。如何控制大体积混凝土结构温度应力并防止或减少温度裂缝的产生已成为每一个土木工程师所值得研究和探讨的课题。一.裂缝产生的原因分析  大体积混凝土结构产生裂缝的原因有多种，如温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格，碱骨料反应，模板变形，基础不均匀沉陷等。归纳起来主要有以下几点：1.温度应力引起裂缝（温差裂缝）大体积混凝土结构承受荷载巨大，水泥用量多，结构截面大，整体性要求高，往往不允许留设施工缝而要求一次性连续浇筑完毕。大体积混凝土结构在浇筑后水泥的水化需要释放大量的热量。由于混

4、凝土导热不良，体积过大，相对散热较小，水化热积聚在内部不易散发。 在混凝土浇注初期，混凝土内部温度显著升高，而表面散热较快，这样形成较大的内外温差，在混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。当混凝土内外温差过大导致表面拉应力超过此时混凝土的抗拉强度，则会在混凝土表面产生裂纹。随着水泥水化反应的减慢及混凝土的不断散热，大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段，温度降低，体积收缩。考虑到受基底或者已浇筑混凝土的约束，接触处将产生很大的剪应力，根据力学平衡可知在混凝土的正截面形成拉应力。当拉应力超过混凝土当时龄期的极限抗拉强度，便会产生裂缝，甚至会贯穿整个混凝土断面。此外，大体积混凝土在施工阶段，它的浇筑

5、温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降，会大大增加内外层混凝土温差，这对大体积混凝土是极为不利的。温度应力是由于温差引起温度变形而造成的，温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达60-65，并且有较长的延续时间。 2.收缩裂缝收缩有很多种，包括干燥收缩、自身收缩、塑性收缩、碳化收缩等。这里主要介绍干燥收缩、自身收缩和塑性收缩三种。混凝土在逐渐散热和硬化过程中会导致其体积的收缩，对于大体积混凝土来说，这种收缩更加显著。如果混凝土的收缩受到外界的位数，就会在混凝土体内产生相应的收缩盈利，当所产生的收缩应力超过当时龄期的混凝土极限抗拉强度，

6、就会在混凝土中产生收缩裂缝，影响混凝土收缩的主要因素主要是混凝土中的用水量、水泥用量及水泥品种。混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土收缩就越大。水泥品种对收缩量也有着很大的影响，一般来说中的热水泥和粉煤灰水泥的收缩你较小。自身收缩时混凝土收缩的一个主要来源。自身收缩同干缩一样，是由于水分的迁移而引起的。但是它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，导致混凝土体的相对适度降低及体积减小而最终自身收缩。水灰比对自身收缩影响较大，一般来说，当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比较小可忽略不计；但当水灰比小于0.35，体

7、内相对湿度很快下降到80%以下，自身收缩便同干缩相当，不可忽略。塑性收缩也是大体积混凝土收缩的一个主要来源。在水泥活性大、混凝土温度较高或者水灰比较低的条件下，混凝土的泌水会明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这是混凝土尚处于塑性状态，稍微受到拉力作用，混凝土表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速拓展。所以在这种情况下混凝土浇筑后需及早覆盖养护。3.其他原因导致的裂缝（1）安定性裂缝：表现为混凝土表面出现龟裂现象，是由于水泥安全性不合格而引起的。（2）混凝土的脆性和不均匀性：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

8、荷时的极限拉伸应变为（0.61.0）×104，长期加荷时的极限拉伸变形也只有（1.22.0）×104。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，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力较低，易于出现裂缝的薄弱部位。二温度应力分析（即温度裂缝成因分析）对于大体积混凝土结构而言，在以上所述的各种原因中，由于温度应力而引起的裂缝占主要情况。下面就温度应力的产生过程和形成原因展开具体分析。1温度应力的形成过程早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约2830 天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝土弹性模量的急剧变化。

9、由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。中期：自水泥放热作用结束时起至混凝土冷却到稳定温度时，这个埋藏中，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，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界温度变化所引起，这些应力与前两种残余应力相叠加。2.温度应力引起的原因自生应力：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，水工闸墩、大型设备基础、桥梁墩身等，结构尺寸相对圈套，混凝土冷却时表面温度低，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。约束

10、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。如面板堆石坝面板混凝土、箱梁顶桥混凝土和护栏混凝土等。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。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在一般情况下，需要通过模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响。三防止裂缝的措施由以上分析，大体积混凝土裂缝主要是要与温度应力和收缩变形所引起，所以为了防止裂缝的产生，就是要最大限度的降低温差和减少混凝土的收缩。对混凝土裂缝采取的措施，由于所处地域和所用材料的不同，方法也不尽相同。1.选择合适的原材料

11、（1）水泥由于温差主要是由水化热产生的，所以为了减小温差就要尽量降低水化热，为了降低水化热，要尽量采取早期水化热低的水泥，由于水泥的水化热是矿物成分 与细度的函数，要降低水泥的水化热，主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数，硅酸盐水泥的矿物组成主要有：C3S、C2S、C3A和C4AF，试 验表明：水泥中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）含量高的，水化热较高，所以，为了减少水泥的水化热，必须降低熟料中C3A和 C3S的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。另外，在不影响水泥活性的情况下，要尽量使水泥的细度适当减小，因为水泥的细度会影响水化 热的放热速率，试验表明比表面积每

12、增加100cm2/g，1d的水化热增加17J/g21 J/g，7d和20d均增加4 J/g12 J/g。（2） 掺加粉煤灰为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，我们可以把部分水泥用粉煤灰代替，掺入粉煤灰主要有以下作用：由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物， 其中二氧化硅含量40%60%，三氧化二铝含量17%35%，这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应，是其活性的来源，可以取代部分水泥， 从而减少水泥用量，降低混凝土的热胀；由于粉煤灰颗粒较细，能够参加二次反应的界面相应增加，在混凝土中分散更加均匀；同时，粉煤灰的火山灰反应进一 步改善了混凝土内部的孔结构，使混凝土中总的孔隙率降低，孔

13、结构进一步的细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相应收缩值也减少。值得一提的是：由于粉煤灰的比重较水泥小，混凝土振捣时比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面，使上部混凝土中的掺合料较多，强度较低，表面容易产生塑性收缩裂缝。因此，粉煤灰的掺量不宜过多，在工程中我们应根据具体情况确定粉煤灰的掺量。（3）骨料粗骨料尽量扩大粗骨料的粒径，因为粗骨料粒径越大，级配越好，孔隙率越小，总表面积越小，每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小，水化热就随之降低，对防止裂缝的产生有利。 细骨料宜采用级配良好的中砂和中粗砂，最好用中粗砂，因为其孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热

14、就低，裂缝就减少，另一方面，要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重，因此细骨料尽量用干净的中粗沙。（4） 加入外加剂加入外加剂后能减小混凝土收缩开裂的机会，外加剂对混凝土收缩开裂性能有以下影响：减水剂对混凝土开裂的影响减水剂的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。缓凝剂对混凝土开裂的影响缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的

15、塌落度损失。引气剂对混凝土开裂的影响引气剂在混凝土的应用对改善混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土耐久性能十分有利。在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。在这里值得注意的是：外加剂不能掺量过大，否则会产生负面影响，在GB80761977中规定，掺有外加剂的混凝土，28d的收缩比不得大于135%，即掺有外加剂的混凝土收缩比 基准混凝土的收缩不得大于35%。2.采取有效的设计措施（1）精心设计混凝土配合比.在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率, 低坍落度, 低水胶比) ，二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂) ，一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出&qu

16、ot;高强,高韧性,中弹,低热和高 抗拉值"的抗裂混凝土. （2）增配构造筋,提高抗裂性能.应采用小直径,小间距的配筋方式,全截面的配筋率应在 0.30.5%之间.（3）避免结构突变产生应力集中.在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施. （4）在易裂的边缘部位设置暗梁,提高该部位的配筋率,提高混凝土的极限抗拉强度. （5）在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征,合理设置后浇缝,在正常施工条件下,后浇缝间距 2030m,保留时间一般不小于 60 天.如不能预测施工时的具体条件,也可临时根据具体情况作设计变更.3.采用合理的施工方法（1） 混凝土的拌制在混凝土拌制过程中，要严格控制原材料

17、计量准确，同时严格控制混凝土出机塌落度。要尽量降低混凝土拌合物出机口温度，拌合物可采取以下两种降温措施：一是送冷风对拌和物进行冷却，二是加冰拌合，一般使新拌混凝土的温度控制在6左右。（2）混凝土浇注、拆模混凝土浇注过程质量控制浇注过程中要进行振捣方可密实，振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜，间距要均匀，以振捣力波及范围重叠二分之一为宜，浇注完毕后，表面要压实、抹 平，以防止表面裂缝。另外，浇注混凝土要求分层浇注，分层流水振捣，同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。浇注时间控制尽量避开在太阳辐射较高的时间浇注，若由于工程需要在夏季施工，则尽量避开正午高

18、温时段，浇注尽量安排在夜间进行。混凝土拆模时间控制混凝土在实际温度养护的条件下，强度达到设计强度的75%以上，混凝土中心与表面最低温度控制在25以内，预计拆模后混凝土表面温降不超过9以上允许拆模。（3）做好表面隔热保护大体积混凝土的温度裂缝，主要是由内外温差过大引起的。混凝土浇注后，由于内部较表面散热快，会形成内外温差，表面收缩受内部约束产生拉应力，但是 这种拉应力通常很小，不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。但是如果此时受到冷空气的袭击，或者过分通风散热，使表面温度降温过大就很容易导致裂缝的产 生，所以在混凝土在拆模后，特别是低温季节，在拆模后立即采取表面保护。防止表面降温过大 ，引起裂缝

19、。另外，当日平均气温在23d内连续下降不小于68时，28d龄期内混凝土表面必须进行表面保护。（4）通水冷却若是在高温季节施工，则要在初期采用通制冷水来降低混凝土最高温度峰值，但注意，通水时间不能过长，因为时间过长会造成降温幅度过大而引起较大的温 度应力。为了削减内外温差，还应在夏末秋初进行中期通水冷却，中期通水一般采用河水，通水历时两个月左右。后期通水是使混凝土柱状块达到接缝灌浆的必要措施，一般采用通河水和通制冷水相结合的方案。4.加强混凝土养护实践证明，混凝土的常见裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，主要原因是温度梯度造成，寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因为混凝土浇筑初期，由于水化热的散发

20、，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较大气温度高，这时拆模，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水泥水化热应力叠加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，应有导致裂缝的危险，但如果在拆模后及时在表面覆盖保温材料，对防止混凝土表面产生过大的拉应力，具有显著的效果。从温度应力的观点出发，保温应达到以下要求：（1）防止混凝土内外温差及混凝土表面温度梯度，防止表面裂缝。（2）防止混凝土过冷，应昼设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。（3）防止老混凝土过冷，减少新老混凝土之间的约束。混凝土的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效

21、果，一方面使混凝土免受不利温度、湿度变化的侵袭，防止有害的冷缩和干缩；一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度的抗拉能力。适宜的温、湿度条件是相互关联的，混凝土的保温措施一般都有保湿的效果。从理论上分析，新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的需求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑的最初几天是养护的关键时期，在施工中应切实重视起来。5.加强结构的温度监测大体积混凝土温度控制的测试内容：  （1）混凝土绝热温升的测试，混凝土绝热温升的测试有两种方法，间接法和直接法。间接法是用水泥的水化热、水泥用

22、量、混凝土比热、混凝土密度来计算混凝土绝热温升。直接法是用混凝土绝热温升实验仪直接测定混凝土绝热温升。直接法测定结果准确，但是实验设备和实验过程比较复杂，一般用于大型工程中。中小型工程常不具备这种条件，一般用间接法即可满足要求；  （2）混凝土浇筑温度的监测,监测混凝土浇筑时的温度，保证浇筑温度不要超过控制标准，以便控制混凝土浇筑后的温度升高峰值。同时也包括对混凝土搅拌、运输过程中温度的监测和混凝土原材料温度的监测；  （3）养护过程中的温度监测一般监测浇筑后大体积混凝土内部（中部、表面、底部）的温度和环境气温的变化情况，用来控制混凝土的降温速度和内外部温差 （一般要求温差T25）,也可用来进一步计算混凝土中的温度应力，确定混凝土的抗