大体积混凝土裂缝控制的探讨
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摘要：本文是笔者结合多年的工作经验，论述混泥土裂缝产生的原因以及控制措施，与同行共商。
关键词：混凝土裂缝 机理 控制措施
引言：
随着建筑施工技术飞速发展，混凝土体积由几百立方米逐渐增大到几万立方米，现代建筑中时常涉及到的大体积混凝土施工，如高层楼房基础、转换层、大型设备基础、水利大坝等，它主要的特点是体积大，一般实体最小尺寸大于或等于l.0米。由于大体积混凝土的截面尺寸较大，表面小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快，在混凝土硬化期间水泥水化过程中所释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩，以及外界约束条件的共同作用，而产生的温度应力和收缩应力，是导致大体积混凝土结构出现裂缝的主要因素。大量的工程实践表明，大体积混凝土在施工阶段如不采取合理的技术措施，就极易出现因裂缝所引发的工程事故。
1、大体积混凝土裂缝出现的机理
大体积混凝土由于截面大，水泥用量大，水泥水化释放的水化热会产生较大的温度变化，由此形成的温度应力是导致裂缝的主要原因。这种温度裂缝分为两种：
1.1混凝土浇筑初期(多为表面裂缝)
混凝土浇筑初期升温阶段，若外表温度较低，内部温度持续升高，则混凝土一旦初凝以后，内部混凝土升温膨胀，就会造成大体积混凝土的表面开裂，而这种开裂常常会被误认为是混凝土表面的失水、养护不好造成的龟裂(实际上，这种裂缝要比龟裂深的多)。
1.2混凝土浇筑后数日(深层裂缝及贯穿裂缝)
大体积混凝土浇筑初期，混凝土处于升温阶段及塑性状态，弹性模量很小，变形变化所引起的应力很小，故温度应力一般可忽略不计。混凝土浇筑后数日，水泥水化热基本上已释放，混凝土从最高温逐渐降温，降温的结果引起混凝土收缩，再加上由于混凝土中多余水分蒸发、碳化等引起的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束，不能自由变形，导致产生温度应力(拉应力)，当该温度应力超过混凝土抗拉强度时，则从约束面开始向上开裂形成温度裂缝。如果该温度应力足够大，严重时可能产生贯穿裂缝，破坏了结构的整体性、耐久性和防水性，影响正常使用。贯穿性裂缝切断了结构断面，破坏结构整体性、稳定性和耐久性等，危害严重。深层裂缝部分切断了结构断面，也有一定危害性。表面裂缝虽然不属于结构性裂缝，但在混凝土收缩时，由于表面裂缝处断面削弱且易产生应力集中，能促使裂缝进一步开展。
2、大体积混凝土温度应力控制措施
根据上述分析，大体积混凝土的两种温度裂缝均与内外部的温差有关，因此，有效的控制混凝土内外温差，就成为了有效控制温度应力的关键。对此,《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204―2002）曾作了如下要求“大体积混凝土表面和内部温差应控制在设计要求的范围内，当设计无具体要求时，温差不宜超过25℃”，并对浇筑温度也作了“不宜超过28℃”的规定。对于大体积混凝土的温差控制一般从3方面着手：①控制混凝土的绝对发热量；②采取有效措施降低混凝土内外温差；③改善周围的约束条件，改进配筋状况、减小裂缝宽度。所以，要真正实现大体积混凝土的质量控制，则应从设计、施工两个环节抓起。
2.1选择合适的原材料及科学的配合比
2.1.1水泥
为控制大体积混凝土的内部最高温度，宜优先选用低水化热水泥，例如：325#，425#低热矿渣硅酸盐水泥。所用水泥其3d的水化热不宜大于240KJ/kg，7d的水化热不宜大于270 KJ/kg。并最大限度降低水泥用量，经设计确定，可考虑采用混凝土60d或者90d的强度作为混凝土配合比设计。强度评定及验收的依据。与此同时，掺加必要的混凝土掺合材料.延缓混凝土终凝时间。应尽可能减少水泥用量，必要时要增大粉煤灰的渗和量(但不能超过规范要求)，使混凝土达到设计强度以及和易性的要求。
2.1.2粗骨料
应优先选用热膨胀系数小、含泥量低的骨料，并强调骨料的连续级配(条件许可时、应尽可能使用粒径大的骨科)。因为一方面骨料本身的强度就远大于水泥胶体，另一方面，采用连续级配的骨料，可以提高骨料在混凝土中的所占体积，能大幅度降低水泥用量，从而间接地降低水化热。采用的粗骨料，粒径5～25mm，含泥量不大于1%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。
2.1.3细骨料
采用中砂，平均粒径大于O.5mm，含泥量不大于5。选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。
2.1.4粉煤灰
由于混凝土的浇筑方式为泵送，为了改善混凝土的和易性便于泵送，考虑掺加适量的粉煤灰。按照规范要求，采用矿渣硅酸盐水泥拌制大体积粉煤灰混凝土时，其粉煤灰取代水泥的最大限量为25%。粉煤灰对降低水化热、改善混凝土和易性有利，但掺加粉煤灰的混凝土早期极限抗拉值均有所降低，对混凝土抗渗抗裂不利，因此粉煤灰的掺量控制在10%以内，采用外掺法，即不减少配合比中的水泥用量。按配合比要求计算出每立方米混凝土所掺加粉煤灰量。
2.1.5外加剂和配合比的选择
大量工程实践表明，△t在2O～25℃以下时，才能保证混凝土不开裂。而实际上，要使混凝土内外温差△t真正小于2O～25℃是非常困难的，因此要解决这一问题，就必须在选择适当的外加剂和配合比方面给予考虑、诸如选择掺加适量的减水剂、膨胀剂、粉煤灰等等。混凝土采用由搅拌站供应的商品混凝土，因此要求混凝土搅拌站根据现场提出的技术要求，提前做好混凝土试配。混凝土配合比应提高试配确定。按照国家现行《混凝土结构工程施工及验收规范》、《普通混凝土配合比设计规程》及《粉煤灰混凝土应用技术规范》中的有关技术要求进行设计。
2.2选择合适的施工方法
2.2.1合理分层分段浇筑
大体积混凝土的浇筑顺序应满足水平分层接缝时间的要求，确定浇筑顺序的基本原则是：保证所浇捣的混凝土没有冷缝，即混凝土先后浇筑层间隔时间不超过混凝土初凝时间。混凝土浇筑可根据面积大小和混凝土供应能力采取全面分层、分段分层或斜面分层连续浇筑。全面分层适用于基础长度和深度都不是很大的情况。分段分层适用于基础长度较大而深度不大的情况。斜面分层适用于基础长度不大，但是深度较大的基础。分层的厚度为300～500mm且不大于震动棒长1.25倍。分段分层多采取踏步式分层推进，一般踏步宽为1.5～2.5m。斜面分层浇灌每层厚度3O～35cm，坡度一般取1：6～1：7。为减少大体积混凝土浇筑的蓄热量，减少水化热的积聚，减小温度应力，大体积混凝土的浇筑大多采取斜面分层连续浇筑，每层厚度控制在300mm。
2.2.2改进混凝土的振动工艺
对已浇筑的混凝土，在终凝前进行二次振动，可排除混凝土因泌水，在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分，提高粘结力和抗拉强度，并减少内部裂缝与气孔，提高抗裂性。浇捣时，振捣捧要快插慢拔，根据不同的混凝土坍落度正确掌握振捣时间，避免过振或漏振，应提倡采用二次振捣、二次抹面技术，以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。
2.2.3改进混凝土的搅拌工艺
现在混凝土多为商品混凝土，混凝土的搅拌在搅拌站进行，原材料计量准确，搅拌均匀。对大体积混凝土的搅拌，要求混凝土搅拌站采用低温井水拌制混凝土，骨科放置在遮阳篷中，避免阳光直晒；采用二次投料的净浆裹石或砂浆裹石工艺，可以有效地防止水分聚集在水泥砂浆和石子的界面上，使硬化后界面过渡层结构致密、粘结力增大，从而提高混凝土强度10%或节约水泥5%，并进一步减少水化热和裂缝；混凝土搅拌时间比普通混凝土延长30s，确保搅拌均匀。
2.2.4降低混凝土的出机温度和浇筑温度
混凝土的温度升降速度及其内外温差是决定混凝土是否开裂的关键因素，所以做好施工过程中的温度控制至关重要。
(1)降低混凝土的出机温度
石子和水自身的温度，对混凝土出机温度的影响较大，在气温较高时，可采用在搅拌站内的搅拌筒上搭设遮阳棚；在混凝土拌合用水的水池中加冰块降温（应控制冰粒不直接入模）；堆高砂、石骨料，从砂堆、石堆底层取料；提前1d用水喷淋石子降温等措施。可有效地降低混凝土的出机温度。
(2)控制混凝土的浇注温度
夏季施工时，为降低混凝土浇注温度，采取浇注前对钢筋、模板表面洒水降温；避免模板和新浇注混凝土受阳光直射；尽量利用气温较低的傍晚和晚上进行浇注等措施。冬季气温较低时，宜采用正温搅拌。正温浇筑法是提高混凝土入模温度，并做好保温措施，有利于混凝土里表温差的控制。
2.2.5严格混凝土浇注质量控制
为确保大体积混凝土施工质量，提高混凝土的均匀性和抗裂能力，必须加强对混凝土浇注过程的质量控制。
(1)合理安排混凝土的浇注方法
根据浇注后混凝土的强度增长情况和初凝时间，混凝土的浇注采用分层连续浇注分层振捣的办法，每层浇注厚度约为300mm。
(2)保证混凝土振捣密实
为提高混凝土的密实度，采用二次振捣的回振方法，对于在浇注过程中出现的泌水及时排除。
2.2.6混凝土的降温和保温工作
对于厚大体积混凝土，施工时应充分考虑水泥水化热问题。采取必要的降温措施，避免水化热高峰的集中出现、降低峰值。浇捣成型后，应采取必要的蓄水保温措施，表面覆盖薄膜、湿麻袋等进行养护，以防止由于混凝土内外温差过大而引起的温度裂缝。
3、结束语
大体积钢筋混凝土工程的条件比较复杂，施工情况各异，再加上混凝土原材料的性能差异较大，对于工程技术人员来讲，必须采用湿度差和湿度应力双控制的方法以确保混凝土的质量。同时还必须编制行之有效的施工方案和合理周密的技术措施，在施工中采取全过程的温度监测工作，这样才能防止和控制温度裂缝，确保工程质量。
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