南方大体积混凝土裂缝成因及其施工措施

南方地区大体积混凝土裂缝成因及其施工措施摘要：大体积混凝土的浇筑一直以来是个困扰工程人员的问题，本文以南方城市长沙为例，分析了夏季容易产生混凝土裂缝的原因，并提出了夏季高温条件下工程施工时如何预防混凝土裂缝产生的措施。关键词：大体积混凝土；裂缝，施工，夏季1前言夏季全国普遍高温，南方地区气温尤其高。以长沙为例，该地区位于北纬28度，夏季处于副热带高气压控制区域，燥热少风，7月最热，平均气温29.4℃，长沙平均每年有29.9天的最高气温超过35℃的酷热天气，历史上绝对最高温曾在8月初出现，达43℃。由于混凝土水化过程中的化学反应产生大量的热量，混凝土在浇筑后的温度都会升高。而混凝土浇筑的理想温度在10℃～15℃，因此夏季南方地区的大体积混凝土施工中要防止混凝土构件裂缝的形成，需采取相应的措施。2大体积混凝土大体积混凝土是一个相对的概念。美国混凝土协会(ACI)这样定义：任何就地浇筑的大体积混凝土，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂。日本建筑学会这样定义：结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土，称之为大体积混凝土。我国学界的定义也不尽相同。有的规定建筑物的基础最小边尺寸在1～3m范围内就是大体积混凝土。也有的规定混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因为水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂隙的混凝土称为大体积混凝土。本人认为，不能简单规定混凝土的某个尺寸或某个内外温差，而应根据实际浇筑时候的外界情况而需采取温控措施最小体积的混凝土称为大体积混凝土。2．1大体积混凝土裂隙成因在大体积混凝土中，温升是由水化热引起的。混凝土内部温度升高并且膨胀，而混凝土表面处于冷却和收缩状态，如果内外形成温差过大，则在混凝土表面产生拉应力引起开裂。裂缝的宽度和深度取决于热的混凝土内部和冷的混凝土外表面之间的温度差大小。大体积混凝土很难完全防止裂缝，但如果重视温控设计并注意改善影响的各种因素，最大限度地减少裂缝及避免严重裂缝是可以做到的。对于重要部位超过温控标准可能发生裂缝的情况，最好进行裂缝的稳定分析，提出临界缝长及临界温度应力，采取重点防护措施，避免产生大缝(超过临界缝长)及严重缝，做到防患于未然。2．2大体积混凝土温控途径为防止出现开裂，建设工程中的桥梁工程、大坝工程或其他无筋混凝土(抗压强度相对较低)的构件要考虑温度控制。其内部温度不能比当地环境年平均温度高出11℃～4℃(ACI308)。可通过以下途径控制混凝土的内部温度升高：①低水泥用量——120～270kg／m3；②大粒径集料——75～150mm：③高的粗集料用量——可占总集料量的80％；④低热水泥；⑤掺加火山灰掺合料——其水化热约为水泥水化热的25％～50％；⑥冷却混凝土组分使混凝土的初始温度降至10℃左右；⑦用预埋的冷却水管给混凝土降温；⑧用散热迅速的钢模浇注；⑨水养护；⑩每层浇注厚度不大于1.5m。高水泥用量的(300～600kg／m3)大体积钢筋混凝土结构构件不能用上面提及的浇注工艺和控制措施去控制裂缝。对这类混凝土(常用于板式基础和发电厂厂房)，比较适用的技术有：①对整个混凝土构件进行连续浇注：②避免来自相邻混凝土构件的外部束缚，③防止混凝土内外产生过高的温差以控制内部的热应力梯度。后者是通过绝热，如用帐蓬遮盖、被覆棉被和在聚乙烯膜上铺砂使混凝土保温来实现的。研究结果和经验表明如果混凝土内外温差最大不超过20℃可防止混凝土表面开裂(FitzGibbon1977、Fintel和Ghosh1978)，相应的内部裂缝也减少。如果温差降至20℃或更低，且混凝土会缓慢冷却至环境温度，将不会产生表面裂缝，但是只有在混凝土构件不受连续配筋限制时，才不会产生裂缝，受约束的混凝土在冷却后会由于收缩而趋向开裂，而不受约束的混凝土若采取合适的程序而且温差得到监测和控制，将不会开裂。如果担心混凝土构件的温差过高时，则该构件就应视为大体积混凝土，而且应采取充分的防范措施。混凝土与周围环境进行热交换的速度很慢是由于混凝土的导热系数小。混凝土热散发的速度与其最小尺寸的平方成反比。例如厚度为0.15m的墙体，如从墙体两侧冷却，散发所放出热量的95％约需1.5h，而厚度为1.5m的墙体散发同样的热量则需整整一周(ACI207)。可用价廉的热电偶来监测混凝土的温度。3炎热天气下大体积混凝土的施工措施工地的天气条件——炎热或寒冷、大风或静风、干燥或潮湿，可能明显不同于原规定、设计、选择混凝土拌合物时假定的最佳条件，也可能不同于试件养护和测试时的实验室条件。炎热天气会对混凝土产生不利影响，主要体现在高温下水分损失速度和水泥水化反应速度加快。夏季长沙地区对混凝土有害的炎热天气条件包括：①环境温度高；②混凝土拌合温度高；③相对湿度低，蒸发速度快：④太阳高度角大，太阳辐射强。炎热天气对新拌混凝土可能会引起如下的不利影响：①增加水分需求量；②加快坍落度损失以致在工地需额外加入水分：③加快凝结导致浇注和修整困难；④塑性开裂的趋势增加；⑤早期养护的要求提高；⑧难于控制引气；⑦使混凝土内外温度升高以致引起混凝土后期强度的降低；⑧产生热裂缝的概率增大。在炎热天气下，如果不采取人工降温，通常很难满足新拌混凝土所需最适宜温度的10℃～15℃，但夏季长沙日最低气温都在20℃以上；许多规范只规定混凝土在浇注时的温度不得超过29℃～32℃，但夏季长沙白天温度可以达到38℃以上。因此，应该采取必要的施工措施来防治裂缝的发生和发展。3．1预防措施混凝土浇注的温度在25℃～35℃之间时，应提前采取一些措施来改善高温对混凝土产生的不利影响，临时采取的措施很少能充分实施。如果在工地没有可以参考的数据，那么应该根据试拌时的温度和典型混凝土截面尺寸来确定最高温度的限制，而不是引用某些权威机构规定的最佳温度。尽可能在一定的时间间隔内进行大量的试验测定拌合物的性能，建立不同温度条件下混凝土性能与时间关系曲线，以此确定出不同混凝土温度时卸载混凝上所允许的最长时间。要得到混凝土所需的强度和耐久性，确定什么时候采取预防措施比控制最高温度更为重要，对于广大多数工程，由于环境和混凝土的各种要求太复杂以致不能只简单的限制混凝土浇注时的最高温度。例如，在一个工地控制温度可以容易做到而在另一个工地温控措施又很难做到。大气状况(包括温度、相对湿度和风速)，以及工地条件不同，采取的预防措施也不一样。例如，在有遮挡太阳辐射的顶棚和挡风外墙时，施工就可以使用高温混凝土，但同一天在受阳光直射和风吹的地方浇注混凝土就会存在困难。采取哪种预防措施和什么时候采取预防措施取决于：结构类型、材料性能、浇注和修整工人在处理现场天气状况时的经验。下面的预防措施将会减少或避免在炎热天气成型混凝土时可能遇到的一些问题：①采用已在炎热天气时有良好记录的材料和配合比；②冷却混凝土或冷却一种或多种混凝土的组分；③采用适宜的混凝土稠度，使其便于，快速浇注和捣实；④尽可能减少运输、浇注和修整的时间；⑤合理的浇注日程，例如晚上或在合适的天气下浇注；⑥在浇注和修整中考虑采用避免水分损失的方法，如遮阳、挡风、喷雾、淋水；⑦抹平后采用维持水分的临时养护膜；⑧施工前根据实际的天气情况确定工程宜采用的预防措施。3．2混凝土组成材料的冷却措施通常降低混凝土温度的方法是在拌合前降低混凝土组成材料的温度，如冷却一种或多种组分。在炎热天气下，应尽量降低集料与拌合水的温度，因为与其他材料相比，这些材料在拌合后对混凝土温度影响比较大。混凝土拌合物中每种材料对新拌混凝土温度的贡献与每种材料的温度、比热和每种材料的质量有关。我们可以根据公式[1]大致推断出新拌混凝土温度：T={0.22[TaMa+TcMc)+TwMw+TwaMwa}/{0.22(Ma+Mc)+Mw+Mwa}[1]式中，T——新拌混凝土温度，℃；Ta，Tc，Tw，Twa——集料、水泥、拌合水和集料中自由水的温度，℃Ma，Mc，Mw，Mwa——集料、水泥、拌合水、集料中自由水的质量，Kg。在混凝土所用材料中，水最易冷却。即使水的用量比其他材料少，但冷水也会适当降低混凝土的温度。我们要尽可能使用较冷的水源，这些水源不要直接暴露在太阳光下，储水池和运输水的管道应该埋藏、隔热、遮阳或漆成白色，使水尽可能保持较低的温度。水可以用制冷、液氮或冰进行冷却，通常拌合水温度降低2.0℃～2.2℃可以使混凝土温度降低0.5℃。但是，拌合水在整个拌合物中所占的比例很小，所以若单独冷却水，混凝土温度降低的幅度一般不超过4.5℃。如果搅拌结束时冰能完全融化，则碎冰也可作为拌合水来使用。碎冰在保存时要防止结块。当碎冰作为拌合水使用时冰的熔解热的影响很大，则有新拌混凝土温度的计算公式：T={0.22(TaMa+TcMc}+TwMw+TwaMwa-80Mi)/{0.22(Ma+Mc)+Mw+Mwa+Mi)[2]式中，Mi——冰的质量，kg(引自NRM-CA1962，Mindess等1981)。另外，碎冰在其他组成材料之前装入混凝土搅拌车，搅拌时间要足够长以使冰融化，冰的体积不能超过总用水量的75％，使用碎冰可使混凝土温度降低的最大值在11℃以内。如果要使温度降低得更多，最好的方法是在搅拌机中注入液氮。液氮可以直接加入到中心搅拌机或混凝土搅拌车中来降低混凝土温度。必须小心防止液氮接触金属壁，因为超冷的液氮会使金属罐壁开裂。液氮的加人本身不会影响所需拌合水的用量，但液氮可以通过降低混凝土的温度来减少需水量。集料温度的高低能显著影响混凝土的温度，因为它们占混凝土质量的70％～85％，如果我们使粗集料的温度下降0.8℃～1.1℃，就可使混凝土的温度下降0.5℃。有许多简单的方法可以使集料保持较低的温度，料堆必须遮阳和通过喷淋维持潮湿。由于蒸发是一个降温的过程，特别是相对湿度较低时，喷淋是一种有效的冷却方法。喷淋粗集料时要避免集料表面水分含量变化过大引起流动性、均匀性不良。另一种冷却方法是制冷。集料可以浸在冷水桶槽中，还可在储料仓中通人循环的冷空气。使用真空冷却可以使集料的温度降低到1℃。3．3使用掺合料许多混凝土生产商认为在炎热天气必须使用掺合料，可选用的材料有粉煤灰和火山灰及磨细粒状高炉矿渣，这些掺合料通常能延缓凝结速度以减少坍落度损失。然而进行表面修整时应谨慎，因为蒸发的速度大于泌水的速度可能会导致塑性收缩开裂或裂纹。3．4添加外加剂炎热天气时，使用缓凝剂可以有效延长凝结时间，尽管缓凝剂的使用会增加坍落度损失。水化控制剂可用于终止水泥的水化和凝结；如果需要，再使用特殊的促凝剂或激发剂，水化反应又会重新开始。施工开始前，外加剂应在工地的环境下用工地材料进行试验，确定它们与混凝土组分的相容性以及在特定条件下达到预期效果的能力。3．5控制水化热水泥水化过程中产生的热量能升高混凝土的温度，温度升高的程度取决于混凝土浇注时的体积、周围环境、混凝土的水泥用量，通常认为每45kg普通硅酸盐水泥水化产生的热量可使混凝土温度升高5℃～9℃，这就要求在炎热天气下的混凝土工程和浇注大体积混凝土时，必须采取措施来处理水泥水化产生的热和伴随的温度体积变形以及控制开裂。3．6大体积混凝土成型前的措施在炎热的天气，混凝土浇注前，应采取一定的预防措施来维持或降低混凝土的温度，搅拌机、流料槽、传送带、漏料斗、泵送管以及其他设备都应遮阳、漆成白色或盖上湿麻布来减少太阳辐射热能。浇注混凝土前，模板、钢筋及基础应喷雾或用凉水喷淋，在浇注和修整时对这些地方喷雾不仅能降低接触面和周围空气的温度，还能增加空气的相对湿度，从而减缓混凝土温度的升高，也使得浇注后混凝土水分的蒸发最少。在温度特别高时，将浇注混凝土的时间改在早晚或夜间，可以取得良好的效果，这些措施可以很经济地减小大体积混凝土的温度收缩和开裂。3．6．1混凝土的运输、浇注与修整在炎热天气，应该尽快完成混凝土的运输和浇注，这些程序的拖延就会引起坍落度的损失和混凝土温度的升高。在工地，必须有充足的人力和设备，以便混凝土运达后能立即进行处理与浇注。首先应减少搅拌时间。如果需要延长搅拌，应停用搅拌机，采用间歇性搅动，可使搅拌产生的热量最小。在炎热天气卸载混凝土的时间限制在1h甚至45min内较为合理，如果卸载混凝土有特定的时限要求，那么施工过程中要严格按要求操作。最好通过试拌来模拟时间、搅拌合预期的混凝土温度等数据，如果有必要，还可以减少时间限制。由于在炎热天气混凝土凝结更快，更应采用一些浇注技术避免产生冷缝。浇注墙体时应按规定进行薄层浇注，以使得前后两部分的密实有较充裕的时间。临时遮阳和挡风有助于减少冷工缝的产生。混凝土表面收光后或混凝土能支撑修整工人的重量且凹陷深度不超过5mm时，应立即抹平混凝土板，在干燥与有风的天气抹面应特别注意，混凝土表面的快速干燥会引起塑性收缩开裂。3．6．2预防塑性收缩裂缝塑性收缩裂缝有时在新拌混凝土浇注后不久就在表面出现，而有时却在修整时或修整后不久产生。如果采取预防措施，可以消除这些主要在水平表面出现的裂缝。炎热天气通常会造成塑性收缩开裂，但如果周围环境引起混凝土表面水分快速蒸发，塑性收缩开裂也会随时发生，一旦混凝土表面蒸发的水分大于泌水速度就会产生开裂，因为这使得表面出现快速的干燥收缩和拉应力，通常裂缝为短而不规则形状。下列情况单独或同时出现，将加速混凝土表面的水分蒸发并增加塑性收缩开裂的可能：①混凝土表面温度明显高于空气温度；②空气湿度低；③风速大。裂缝的长度通常为50～1000mm，呈不规则分布，相距50～700mm。目前还没有办法确切预测在什么时候会产生塑性开裂。因此只能采取预防措施，这些措施以如下顺序在施工中实施：①润湿干燥和吸湿性强的混凝土集料：②冷却集料和拌合水以使混凝土保持较低的温度；③浇注混凝土前，润湿基础，对模板喷雾；④搭建临时挡风板来降低混凝土表面的风速；⑤搭建临时遮阳板降低混凝土表面的温度；⑥在浇注和修整之间如果有较长的时间间隔可临时用聚乙烯膜之类的覆盖物来保护混凝土；⑦在浇注之后或修整之前立即对混凝土板喷雾，但应注意防止板积水，因为积水会降低混凝土板表面水泥浆体的质量：⑧在混凝土中加入塑料纤维有助于减少塑性收缩裂缝的形成。减少混凝土塑性开裂最有效的方法是在最终修整之前和之后喷雾养护混凝土，喷雾可以增加混凝土板上方空气的相对湿度，从而减少混凝土水分的蒸发。其他防止混凝土表面水分，快速损失的方法包括：①喷洒能临时保持水分的薄膜(通常为聚合物)，或者覆盖湿润的麻袋；②施工过程中避免不必要的延误，浇注后至开始养护的时间间隔尽量缩短；③如果抹面时出现塑性收缩裂缝，在裂纹的两侧用抹子敲击并重新抹面可使裂缝闭合，但是如果没有找到裂缝产生的原因，裂缝还可能再次出现。3．7养护和保护炎热天气下混凝土的养护和保护比温度适宜的天气更为严格：3．7．1拆除模板养护，拆模