浅谈大体积混凝土裂缝成因及防治措施

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　　摘要：混凝土在现代工程建设中占有重要地位，然而混凝土产生裂缝现象较为普遍，尽管在施工中采取了各种措施,但在工程结构成型后发现其仍然存在。尤其是大体积混凝土,更容易出现裂缝现象。在大体积混凝土施工过程中温度控制、早期养护具有重要意义。现将施工中混凝土裂缝的成因和防治措施作如下初步探讨。
　　关键词：混凝土裂缝成因 措施
　　工程项目实例
　　某煤矿新建产品仓工程，共计3个仓，产品仓内径18.00m，壁厚2.6m，高34.5m，单仓容积6900t。单仓基础中心混凝土高2m，外壁混凝土高1.5m，外径22.4m。钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为c30。单仓基础使用混凝土656 m³，属于大体积混凝土施工。笔者参与了这次大体积混凝土的施工管理,对施工中的常出现混凝土裂缝的成因进行了分析研究,并在材料使用、施工、养护等方面提出了一些裂缝控制的方法,以供参考。
　　1大体积混凝土裂缝的成因
　　1.1混凝土自身产生的影响
　　混凝土是由多种材料组成的非均质材料,它有较高的抗压强度，良好的耐久性。但抗拉强度差，抗变形能力低，易开裂。浇筑大体积混凝土时,因结构截面大，水泥用量多，水泥水化反应是放热过程，每克水泥放出热量约 356～461焦。由于结构物在一个自然散热条件下,表面散热较快，温度较低。但有大量的水化热聚集在结构内部不易散失,引起内部温度急剧升高。混凝土内部的最高温度多数发生在混凝土浇筑的最初3～4天内。水泥水化热引起的温度升高一般高达20～30℃，有时更高。随着混凝土龄期的增长,混凝土强度也在不断的增高,但混凝土内部的温度也在不断的降低,降温使得混凝土不断收缩,以致产生越来越大的拉应力,当这种拉应力超过混凝土的抗拉强度时,就出现了温度裂缝。
　　1.2混凝土收缩变形产生的影响
　　混凝土的收缩,也是产生裂缝的重要原因。在混凝土搅拌过程中使用大量水,但水泥水化只需要一小部分,其余的约有80%的水都要被蒸发掉。水分蒸发之后, 混凝土失水引起体积的收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时就产生了收缩应力，当此收缩应力超过混凝土抗拉强度时，也会促使裂缝产生。
　　1.3施工方面的产生的影响
　　一是在施工过程中,出现违规、不当施工造成混凝土裂缝。混凝土的和易性和流动性较差, 如运输过程中时间过长,就会产生混凝土离析现象,造成了混凝土强度的降低, 混凝土抗拉强度也不均匀，存在着许多抗拉能力很低，易出现裂缝的薄弱部位，也往往产生裂缝。二是振捣方式不正确引起裂缝。不正确的振捣方式会造成混凝土分层离析、表面浮浆而使混凝土表层开裂,或造成混凝土砂浆大量向低处流淌,致使混凝土产生不均匀收缩出现裂缝。三是现场养护不当造成混凝土开裂。在施工现场浇筑混凝土时不能做到及时覆盖保温养护,或混凝土的内部湿度、温度变化不大或变化较慢，但表面湿度、温度可能变化较大或发生急剧变化时，也会产生裂缝.
　　1.4环境气候的因素
　　混凝土浇筑施工期间,外界气温的变化情况对混凝土开裂也有影响。外界气温越高,混凝土的浇筑温度也就越高，混凝土内部的热量聚集的越多。如果外界温度下降,特别是在外界温度骤降时,会增加混凝土的内外温差, 形成温度梯度，使混凝土表面产生拉应力，内部产生压应力，这时混凝土就会产生裂缝。
　　2混凝土温度应力分析
　　根据温度应力的形成过程大概分为以下三个阶段:一是初期阶段，从浇筑混凝土开始到水泥水化放热基本结束,一般约为30天。这一阶段水泥放出大量的水化热，混凝土弹性模量急剧变化。由于弹性模量的变化,在混凝土内形成残余应力。二是中期阶段，从水泥放热基本结束时起到混凝土冷却到稳定温度时止,这一时期温度应力主要是由于混凝土的逐渐降温及外界气温变化引起的,在此阶段混凝土的弹性模量变化不大。三是后期阶段，混凝土完全冷却以后的时期。应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种应力相叠加，就形成了温度应力。根据温度应力引起的原因可分为两类,一类是自生应力。边界上没有约束或绝对静止的结构,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,基础结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度较低,内部温度较高,表面就会出现拉应力,中间出现压应力。另一类是约束应力。结构的全部或者部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。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。
　　3控制混凝土裂缝的措施
　　为了有效地控制有害裂缝的出现，必须从控制混凝土的水化升温、延缓降温速率、减少混凝土收缩、提高混凝土的极限拉伸强度、改善约束条件和设计结构等方面全面考虑，结合实际采取措施。
　　3.1 从材料使用上降低水泥水化热和变形
　　(a)选用低水化热水泥配置混凝土，水泥水化产生热量的大小，对混凝土的温度起决定性影响，而水泥水化热的大小取决于水泥所含的矿物成份，水泥中铝酸三钙及硅酸三钙含量越高，发热量越大，水化速度也就越快，出现温度峰值也就越早。所以在施工中要选用低水化热低碱水泥，如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰水泥、复合水泥等。
　　(b) 从设计方面入手，大体积混凝土的配合比设计尽量利用混凝土 60天或者 90天的后期强度，以满足减少水泥用量的要求，但是还要考虑到满足施工荷载的要求。
　　(c) 使用粗骨料，尽量选用粒径较大、级配良好的粗骨料；控制砂石含泥量；以保证混凝土的物理力学性能 。在掺加粉煤灰等掺合料和相应的减水剂、缓凝剂等，改善和易性、降低水灰比，以达到减少水泥用量，降低水化热的目的。
　　(d)在基础内部预埋冷却水管，浇筑完成后，通入循环冷却水，通过水循环，降低混凝土内部的热量，使混凝土内部的温度降到要求的限度。
　　 (e) 拌合混凝土前用浆或用冰将碎石冷却来降低混凝土的浇筑温度。
　　 (f) 在拌合混凝土时，还可以掺入适量的微膨胀剂或膨胀水泥，使混凝土得到收缩补偿，以减少混凝土的温度应力。
　　3.2 加强施工中的温度控制
　　 (a)在混凝土浇筑之后，做好混凝土地保温保湿养护，缓缓降温，气温骤降时对混凝土表面进行保温，避免混凝土内外温差急剧增大。
　　 (b)采取长时间的养护，规定合理的拆模时间，延缓降温时间和速度，充分发挥凝土的“应力松弛效应”。
　　 (c)加强温度监测与管理。预留测温孔，并在养护中通过测温点的温度测量指导降温、保温工作的进行，定时定量监测混凝土内外温度变化，内外温差控制在25℃以内，基面温差和基底面温差控制在20℃以内，根据温差变化及时调整保温、冷却措施，使混凝土的内外温差不至于过大，以有效控制裂缝的出现。
　　3.3 合理安排施工程序，改善约束条件。
　　(a) 合理的安排混凝土浇筑工序，对混凝土浇筑,应遵循“同时浇捣,分层堆累,一次到顶,循序渐进”的成熟工艺。大体积混凝土常采用三种浇筑方法:全面分层、分段分层及斜面分层。全面分层浇筑大体积混凝土时,在第一层浇筑完毕,再回头浇筑第二层,这时应使第一层混凝土还未初凝,如此逐层连续浇筑,直至完工。采取这种方案, 一般用于结构的平面尺寸不太大,从短边开始施工,沿着长边推进比较合适。过长时可分成两段,从两端向中间或从中间向两端同时进行浇筑。分段分层浇筑大体积混凝土时,应先从底层开始, 浇筑至一定距离后在浇筑第二层,如此依次向前浇筑各层。由于浇筑总的层数较多,浇筑到顶后,应保证第一层末端的混凝土还未初凝,这样又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于结构厚度不大而面积或长度较大的工程。斜面分层浇筑大体积混凝土时,要求斜面的坡度不应大于1/3,适用于结构的长度超过厚度三倍的情况。混凝土浇筑从下端开始,逐渐上移。在采取分层浇筑时, 分层厚度一般为 80cm～ 100cm，这样可以减少每次大面积浇筑时产生的热量，防止水化热的集聚、温度骤升，避免温差应力产生的裂缝，但必须在下层混凝土初凝之前,浇筑上层混凝土。当层间间隔时间超过混凝土的初凝时间时，层面间应按施工缝处理。解决分层浇筑施工缝的问题，可在底板的中间设置钢筋网片，此层钢筋网片既可保证分层浇筑时两层混凝土之间的有机结合，又能抵抗混凝土收缩产生的收缩应力，这对于厚基础底板来说是必不可少的。混凝土振捣宜采用直径为50mm的插入式振捣器沿浇筑方向的顺序振捣。振捣时插入下层混凝土5～10cm，振捣时间以混凝土表面翻浆出气泡为准。混凝土在振捣过程中会产生多少不等的泌水，需配备工具排出泌水。对已浇筑完成的混凝土，在终凝前进行二次振捣，可减少混凝土在石子、水平钢筋下部形成的空隙，提高粘结力和抗拉强度，并减少内部的裂缝与气孔，提高抗裂性。在结构完成后及时回填土，避免侧面长期暴露。
　　 (b)对大体积混凝土基础与混凝土垫层之间设置滑动层，如采用平面刷热沥青或铺卷材或浇沥青胶铺砂。在垂直面、健槽部位设置缓冲层，如铺设沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料，以消除或减少嵌固作用，减小约束应力。
　　(c) 注重防护，适时拆模。在混凝土的施工过程中,为了提高模板的周转,往往要求浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当推迟拆模时间,或采取一定措施，以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面产生相当大的拉应力,此时混凝土表面温度也比气温高,这时拆除模板,表面温度散发比较快,必然引起温度突变,从而在表面产生拉应力,再加上混凝土干缩产生的拉应力, 与水化热产生的拉应力相叠加,表面的拉应力会达到很大的数值,就会出现裂缝,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖保温材料,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,控制裂缝的出现，具有良好的效果。
　　3.4混凝土的养护
　　混凝土常见的裂缝，大多数是不同深度的表面裂缝，其主要原因是混凝土内外温差过大，寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此，混凝土的养护对防止混凝土表面出现裂缝非常重要。混凝土的养护，主要目的一方面在于保持适宜的温度、湿度条件，防止有害的冷缩和干缩现象发生。另一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计强度和设计抗裂能力。新浇筑混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利的影响，因此,混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视该时期的养护。为了保证混凝土有适宜的硬化条件,混凝土终凝前,对不易被塑料薄膜完全覆盖部位,可采用浇水保湿。混凝土升温阶段如果因表面未能完全覆盖而出现局部干燥时,可浇热水(40～50 ℃)养护表面,防止出现裂缝。降温阶段可浇自来水养护, 混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。施工时再准备好塑料薄膜、棉毡,以便根据环境气温变化情况对保温保湿的工作作以调整。
　　 结语
　　由以上的分析可以看出，大体积混凝土有自己的特性，只要在施工过程中，严格按照设计要求、施工规范以及施工操作规程，采取合理、有效、科学的手段，大体积混凝土裂缝问题是可以解决的。

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