大体积混凝土裂缝成因及温度控制防裂措施

大体积混凝土裂缝成因、温度控制防裂措施内容摘要：混凝土结构在建设和使用过程中出现不同程度、不同形式的裂缝，这是一个相当普遍的现象。大体积混凝土结构出现裂缝更普遍。混凝土干缩变形对结构物的危害很大，它可使混凝土表面出现较大的拉应力，从而引起表面开裂，直接影响结构物的耐久性。近几年，对于如何做好混凝土的防裂工作，倍受大家的关注，提出了一些如何控制干缩变形的措施，有的已在工程中得到应用，并取得成效。本文简要介绍了混凝土在工程不同部位发生裂缝的主要原因及应对措施。在工程实际中，若能对文中所述混凝土裂缝成因予以严格控制，将会对工程中避免混凝土裂缝起到良好的效果。通过多年的现场观察，通过查阅有关混凝土内部应力方面的专著，对混凝土温度裂缝产生的原因、现场混凝土温度的控制和预防裂缝的措施进行等进行阐述。关键词：裂缝温控养护新工艺混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天，混凝土的裂缝较为普遍，在工程中裂缝几乎无所不在。尽管我们在施工中采取各种措施，小心谨慎，但裂缝仍然时有出现。究其原因，我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出现温度裂缝，影响到结构的整体性和耐久性。其次，在运转过程中，温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝，因此本文仅对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做一探讨。1、裂缝的原因混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，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。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。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。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。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只有（0.6～1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×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很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，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、温度应力的分析根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：2．1早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30d。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上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。2．2中期：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，这个时期中，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，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。2．3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气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。根据温度应力引起的原因可分为两类：2．3．1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，在中间出现压应力。2．3．2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。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。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。在大多数情况下，需要依靠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，具体计算这里就不再细述。3、温控防裂主要措施3．1优化混凝土配合比在进行混凝土配合比设计和混凝土施工时，除满足混凝土标号及抗冻、抗渗、极限拉伸值等主要设计指标外，还应达到混凝土均质性指标。同时，应加强施工管理，提高施工工艺，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。3.2控制混凝土最高温度应采取必要的温控措施，使大体积混凝土实际出现的最高温度不超过设计允许最高温度。控制体积混凝土实际最高温度的有效措施是降低混凝土浇筑温度、减少胶凝材料水化热温升。主要采用的控制混凝土最高温度的措施有以下几点：控制体积混凝土实际出现的最高温度不超过设计允许最高温度的有效措施是降低混凝土浇筑温度、减少胶凝材料用量、合理的层厚及间歇期、初期通水等。高温季节或较高温季节浇筑混凝土时，应采用预冷混凝土浇筑。主体建筑物基础约束区混凝土的浇筑温度不得超过12~14℃（相应混凝土出机口温度应达到7℃）；脱离基础约束区混凝土浇筑温度不得超过16~18℃（相应出机口温度不大于14℃）。应注意夏季浇筑能力要适应入仓强度要求。为减少预冷混凝土温度回升，应严格控制混凝土运输时间和仓面浇筑坯覆盖前的暴露时间。混凝土运输机具应加保温设施，使高温季节预冷混凝土自出机口至浇筑坯被覆盖前的温度回升率不大于0.25。3合理的层厚及间歇期3.1大体积混凝土浇筑层厚；基础约束区采用1.5~2.m，脱离基础约束区一般为2m。3.2层间间歇期应不小于3d，也不宜大于10d。4、合理安排施工程序和施工进度合理安排体积混凝土施工程序和施工进度,是防止基础贯穿裂缝、减少表面裂缝的主要措施之一，为此应满足以下要求：4.1基础约束区混凝土、导流底孔、深孔、排漂孔等重要结构部位，在设计规定的间歇期内连续均匀上升，不得出现薄层长间歇。基础约束区混凝土宜在低温季节施工。4.2其余部位基本做到短间歇连续均匀上升。4.3相邻块、相邻段高差符合设计允许高差要求。相邻块高差不大于6~8m，相邻段高差不大于10~12m。5、通水冷却通水冷却是混凝土温度控制的有效措施之一，设计对各阶段的通水冷却提出了不同的要求：5.1初期通水高温季节采用预冷混凝土浇筑体积混凝土，其混凝土最高温度仍超过设计允许最高温度时，还应采取初期通水冷却削减混凝土最以高温度。均需进行初期通水冷却。对于基础约束区和导流底孔部位混凝土，高温季节采用预冷混凝土浇筑坝体混凝土，最高温度未超过设计允许最高温度者，也宜进行初期通水冷却。初期通水应采用6~8℃的制冷水，通水时间为10~15d，在混凝土收仓后12h内于绐通水，单根水管通水流量不小于18L/min.5.2中期通水大体积混凝土块体进行中期通水，削减坝体混凝土内外温差。中期通水采用江水，通水时间为1.5~2.5个月，以混凝土块体温度达20~22℃为准，单根水管通水流量应达18~25L/min.通水类加别根据季节及进度要求采用制冷水或江水，其余季节通江水。通水时间以混凝土块体达到或接近基岩温度（18~20℃）为准，通水流量不小于18~25L/min.5.3．后期通水需进行大体积混凝土接缝灌浆及岸坡接触灌浆部位，在灌浆前必须进行后期通水冷却，后期通水冷却要求如下：后期通水，通水时间以混凝土达到灌浆（稳定）温度为准。应根据混凝土接缝灌浆进度和混凝土温度计算确定各部位通水类别（制冷水或江水）；为保证必要的灌浆时段，对于各灌浆年度开始进行接缝灌浆的部位应通制冷水，制冷水水温为8~10℃。混凝土应保证连续通水，每月通水时间不少于600h，坝体混凝土与冷却水之间温差不宜超过20~25℃,控制混凝土降温速度不大于1℃/d。水管通水量通制冷水时应不小于18L/min.，通江水时应达到20~25L/min.。通水冷却后的温度应达到设计规定的混凝土接缝灌浆温度，控制实际接缝灌浆温度与设计接缝灌浆温度的差值在+1~—2℃范围内，应避免较大的超温和超冷。6、表面保护混凝土表面保护是防止表面裂缝的主要措施之一。大体积混凝土暴露面大，气温骤降频繁，更突出了表面保护的得要性，应十分重视基础约束区、重要结构部位的表面保护。具体表面保护要求如下：6.1大体积混凝土温控防裂除满足以上温控要求外，还应满足表面保护要求。6.2应根据设计的表面保护标准确定不同部位、不同条件的表面保温要求。应重视基础约束区、重要结构部位的表面保护，尤其应重视防止寒潮的冲击。所有混凝土工程在最终验收之前，还必须加以维护及保护，以防损坏，浇筑的棱角和突出部分应加强保护。7、养护混凝土养护是保护混凝土性能正常发挥和防止干缩裂缝的重要措施，混凝土养护一般应在混凝土浇筑完毕后12~18h及时采取洒水或喷雾等措施，使混凝土表面经常保持湿润状态。对于新浇筑混凝土表面，在混凝土能抵御水的破坏之后，应立即覆盖保水材料或采取其他有效方法使表面保持湿润状态。混凝土所有侧面也应采取类似方法进行养护。混凝土连续养护时间不短于28d。抗冲耐磨混凝土的养护尤为重要，应在混凝土浇筑抹面后立即养护，宜采用喷雾，以防止由于早期失水过快而产生塑性裂缝，待龄期２d后用草袋等覆盖并洒水养护，养护期不少于28d。7.1防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度，防止表面裂缝。7.2防止混凝土超冷，应该尽量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。7.3防止老混凝土过冷，以减少新老混凝土间的约束。8、施工监测仪器的埋设与观测8.1混凝土施工监测仪器包括温度计、测缝计、裂缝计、应变计和无应力计等。仪器按设计要求采购，并须满足设计图纸及有关技术、质量、数量要求。8.2各种仪器的埋设、观测及资料整理，应满足施工详科图及有关文件的有关要求，以及SDJ336—1989《混凝土大坝安全监测技术规范》（试行）中的有关规定或要求。8.3仪器、设备、电缆及其他配件在运到现场后14d内，应按制造厂家提供的说明书进行率定，率定应在监理单位在场时进行并将率定报告提交给监理单位审阅。8.4仪器的埋设位置及电缆走向按施工详图及有关文件要求严格执行。仪器安装于规定位置后，经检验合格方可埋入混凝土中，在浇筑混凝土时，对仪器和电缆应妥加保护。埋设时，应将仪器周围的混凝土中粒径大于6cm的骨料剔除,并用人工或小功率振捣器仔细将周围的混凝土捣实。仪器安装埋设偏差按下表控制。施工仪器安装埋设允许偏差序号仪器名称测量位置允许误差（mm）水平向垂直向1应变计几何图形中心±50±502无应力计圆锥筒中心±50±503测缝计（裂缝计）仪器中心点±50±504测试计仪器中心点±50±508.5观侧：仪器设备安装完毕后，承包者应按监理单位批准的方法对设备进行观测、校正、并记录仪器设备在工作状态下的初始读数。温度计、测缝计、裂缝计、应变计及无应力计等仪器埋设后24h以内，4h观测1次，之后每天观测3次，直至混凝土达到最高水化热温升为止。以后每天1次，持续一旬。再往后两天1次，持续1月。埋设1.5~2个月后，每周观测1次，直至中期通水。中、后期通水冷却期间3d观侧1次，通水接近或达到设计要求的温度期间每天观测3次。在无特殊观测要求的其余时段每周观测1次。承包者必须为施工监测仪器数据的搜集提供必要的设施和非工程性辅助手段，并负责搜集整理和保存有关的记录，每周用书面形式将监测资料和其他数据报送监理单位。承者者应对施工监测仪器观测资料的真实性负责，并及时报送监理单位和设计单位。工程完工后，所有施工监测仪器应按监理单位的批示移交或处理。9、推广应用混凝土温控防裂新技术(工程实例)9.1采用微膨胀性质的中热水泥***工程第一阶段施工采用的中热水泥自身体积变形为收缩型，***曾开展低热水泥和中热水泥混凝土的自身体积变形对比试验研究，试验成果表明中热水泥、掺30%粉煤灰、人工骨料混凝土在龄期5d约发生5*106的膨胀变形，以后逐渐收缩，到90d龄期逐渐稳定至—22*10-4的收缩变形。为改善中热水泥的变形性能，使混凝土具有微膨胀性质，提高混凝土抗裂能力，***总公司根据试验资料和国内大量工程实践经验在1998年决定，供应***工程中热水泥的厂家均在满足国标前提下把水泥熟料中Mgo含量控制为3.5%~5%，从而***工程第二阶段实施的大坝混凝土在推广应用水泥原材料的改性新技术方面，取得了显著成效。采用微膨胀性质的中热水泥成为具有特色的温控防裂重要措施之一。9.2使用I级粉煤灰***工程第一阶段使用长江天然砂石料，在高效减水剂和II级粉煤灰条件下，三、四级配混凝土用水量约为80~90kg/cm3。但***工程第二阶段使用花岗岩人工骨料，在高效减水剂和II级粉煤灰条件下，三、四级配混凝土用水量高达110~120kg/cm3，比天然骨料混凝土高30%左右，将直接导致三、四级配混凝土胶凝材料用量增加50~60kg/cm3，从而带来温控防裂的困难和混凝土单价攀升。因此降低人工骨料混凝土用水量，缓解温控防裂矛盾，成为工程急需解决的关键问题之一。***总公司组织***、***和试验中心积仍开展***工程第二阶段混凝土配合比试验研究，通过试验研究寻求到I级别粉煤灰具有显著的减水作用，在用高效减水剂和I级粉煤灰条件下，三、四级配人工骨料混凝土用水量可成功地降低至80~95kg/cm3，相当于胶凝材料降低约50kg/cm3，从而可以显著降低水化热温升，有利于抗裂能力的提高。此外I级粉煤灰颗粒细、微珠含量高，可明显改善混凝土的工作性能。9.3使用优质高效减水剂经***、***和***总公司试验中心三个单位对多种减水剂、引气剂的试验研究，优选出数种萘系高效减水剂和引气剂，在实施中减水剂率达18%以上，在***工程第二阶段广泛泛使用大坝内部、基础和外部混凝土部位，有效地降低了混凝土用水量和胶凝材料用量。抗冲磨高标号混凝土部位，经过试验研究和比选，选用X404缓凝高效减水剂，具有减水率高，可降低水泥的早期水化热、含碱量低等优点，与参比的萘系高效减水剂相比，性能更好，综合减水率高达30%。对R28400、R28450高标号混凝土，标号X404与掺萘系同标号混凝土相比，可以减少混凝土胶凝材料用量40~47kg/cm3，浇筑层实测最高温度降低5℃左右,有利于大坝温控防裂,为抗冲耐磨部位混凝土夏季施工提供了有力的技术支持。同时由于X404缓凝高效减水剂综合减水率高，还改善了混凝土的干缩、强度等一系列性能，提高了混凝土的抗裂能力和耐久性。***工程第二阶段在抗冲磨高标号混凝土部位推广应用丙烯酸类缓凝高效减水剂，在水工混凝土中应用丙烯酸类缓凝高效减水剂首次获得成功，具有明显的社会效益。9.4二次风次骨料新工艺***工程低温混凝土生产设计，利用多年研究成果，在充分证基础上采用二次风冷骨料，于***工程第一阶段系统应用成功后，继续在第二阶段全面推广应用。***工程第二阶段低温混凝土生产系纺创夏季混凝土生产世界记录。系统实施效果说明，二次风冷骨料新工艺与传统的先水冷后风冷工艺相比，生产工艺单一、运行操作简便，易于控制；以一次风冷代替水冷，冷却调幅大，系统运行灵活，冷耗低，冷量利用率高，运行稳定可靠；系统布置紧凑，占地面积小；设备相对简单，