大体积混凝土温度裂缝

大体积混凝土温度裂缝

摘要:介绍了大体积混凝土概念的界定,从温度应力和内外约束两个方面浅析了大体积混凝土温度裂缝产生的机理,总结了混凝土开裂的三种方式。根据裂缝产生的机理,结合工程实践从设计和施工角度总结出大体积混凝土温度裂缝的控制措施。

关键词:大体积混凝土;温度裂缝;温差

在全球各地的土木工程中,混凝土是最重要的建筑材料,其强度高、耐久性好,广泛用于各类建筑物、构筑物。随着人类科技的不断进步,建筑技术的不断发展,各种新型结构相继涌现,使得大体积混凝土结构应用越来越广泛。但大体积混凝土自身导热性能较差,混凝土内部水化热量难以散发,而表面散热快,中心温度和表面温度的差异造成混凝土开裂。 混凝土的温度裂缝问题是一个相当普遍的质量问题,不仅影响建筑物的外观,更会危及建筑的正常使用及结构的耐久性。特别是随着建设规模的日趋增大,大体积混凝土结构日益增多,工程裂缝控制技术难度更高。很多研究学者对如何避免大体积混凝土开裂进行了研究,大部分学者提出采用埋设冷却水管的温控措施,或者使用微膨胀混凝土。但是这些方法不仅造价高,而且也不完全可靠。大体积混凝土温度裂缝的控制从设计、材料、施工等多方面入手,采用综合治理措施更为有效。

1 大体积混凝土概念的界定

对大体积混凝土概念的界定问题,在工程界有一个逐步认识的过程。在研究初期主要是定量判别法,根据混凝土的厚度和温差来区别,采用0.8-1m和25℃作为区分的界限。 《JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规程》 采用定量和定性相结合的解释,其定义为:混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m,或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土 。

美国混凝土协会(ACI 116R—00) 的解释是:“任意体量的混凝土,当其尺寸大到必须采取预防措施控制由于水泥水化热和体积变化以最大限度减少裂缝时,均可称为大体积混凝土”(concrete, mass-any volume of concrete with dimensions large enough to require that measures be taken to cope with generation of heat from hydration of the cement and attendant volume change , to minimize cracking)。

而日本建筑学会标准(JASS5) 的解释为:“结构断面最小厚度在80cm以上,同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土,称为大体积混凝土” 。 参考以上列出的解释,笔者认为大体积混凝土这个术语中的“大”在某种意义上属于约定俗成的说法;因为《JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规程》和美国混凝土协会(ACI 116R—00) 的解释中提到的因水泥水化热和体积变化引起混凝土裂缝,并没有对体积做出定量要求,而包含了体积不大但因预计水泥水化热和收缩会引起混凝土裂缝时需要采取预防措施来控制裂缝的混凝土结构。

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2.1 大体积混凝土温度裂缝产生机理浅析 温度应力

超大体积混凝土由于水泥水化时会放出大量的水化热,而混凝土自身体积较厚,混凝土表面和内部的散热条件不同,混凝土表面由于直接和空气接触,散热条件好,热量可向大气中散发,表面温度上升较少;而混凝土内部自身导热性能差,水化热积聚在混凝土内部不易散发,温度会上升较多,这样就形成外低内高的温差。由于外部约束和内部约束的存在,使混凝土不能自由变形,于是就会在混凝土内部产生温度应力,这种由于温度变化产生的变形受到约束而产生的应力称为温度应力。由此可见:产生温度应力必须具备两个必要条件是温差和约束。温差越大,产生的温度应力越大,混凝土越容易开裂。当超大体积混凝土被完全嵌固时,它受到的约束最大,此时温度应力会达到最大值,当约束减小时,所产生的温度应力也随之减小,开裂的概率也随之降低。

2.2 约束

超大体积混凝土受到的约束一般分为内约束和外约束两种。

2.2.1 内约束引起温度裂缝的机理

一个物体或一个构件本身各质点之间的相互约束作用称为“内约束”。大体积混凝土在水泥水化时,会形成外低内高的温差,这种温差会使大体积混凝土内部温度分布不均匀,会引起质点发生的变形不一致,从而产生内约束。大体积混凝土中心由于温度较高,所产生的热膨胀也较表面大,因而在混凝土中心产生压应力,而表面则产生拉应力。当表面拉应力超过混凝土的抗拉强度时,就会在大体积混凝土的外表面产生裂缝,这种裂缝比较分散、裂缝宽度小、深度也很小,俗称“表面裂缝”。它一般发生在浇筑后的温度上升阶段,是由于混凝土体积发生膨胀所形成的。表面裂缝的形状见图1所示。

图1 表面裂缝

2.2.2 外约束引起的温度裂缝的机理

一个物体的变形受到其它物体的阻碍,一个结构的变形受到另一个结构的阻碍,这种结构与结构之间,物体与物体之间,物体与构件之间,基础与地基之间的相互牵制作用称作

“外

约束”。大体积混凝土浇筑后数日(一般不少于5 d),水泥水化热基本上释放完毕,由于环境温度较低,这时大体积混凝土就会从最高温度开始逐渐降温,降温的结果会引起混凝土的收缩,同时混凝土中多余水分也随之蒸发,这样就会引起混凝土体积出现不同程度的收缩。而地基、其它结构往往会对大体积混凝土进行约束,让其不能自由变形,在这种外部约束的作用下,混凝土的内外温差就会产生温度应力。这种温度应力一般是拉应力,当该温度应力超过混凝土的抗拉强度时,就会从约束面开始向上出现开裂,从而形成温度裂缝。若温度应力足够大,裂缝会连续产生,甚至会贯穿整个截面。贯穿裂缝会严重影响结构的性能,它会破坏结构的整体性、耐久性、防水性,给结构带来重大的损伤,直接影响到工程结构安全。贯穿裂缝一般发生在混凝土的温度下降阶段,且外部约束较大,裂缝一般与约束面成直角关系。如约束体为桩基、岩体、以及老混凝土结构面时,约束力会更大,产生的温度应力也会更大。但只有在温差(最高温度与最终稳定温度差)25℃以上,才会出现这种裂缝。此外,不同的约束体会导致不同的贯穿裂缝,且其发生部位和裂缝的多少也会不一样。若产生贯穿裂缝,后期养护不到位,还会加剧裂缝发展。外部约束应力形成裂缝的情况如图2所示。

图2 部约束应力所形成的裂缝

虽然引起大体积混凝土开裂的原因很多,但是按照裂缝深度的不同,一般可将裂缝分为:贯穿裂缝、深层裂缝和表面裂缝。在这三种裂缝中,贯穿裂缝的危害最大,它贯穿了结构面,破坏了结构的整体稳定性,大大降低结构的安全使用性能。深层裂缝的危害其次,并没完全切断结构面,除地基或受既有建筑混凝土影响外,不会发展成贯穿裂缝,则对结构的影响不太大。表面裂缝的危害性一般较小,除特种结构(如:有防辐射要求的探伤室、有防水要求的堤坝等)外,表面裂缝可以通过抹灰等方式处理。

图3 大体积混凝士结构裂缝类型示意图

3 大体积混凝土温度裂缝的控制

混凝土开裂不但会使结构承载能力相应的下降,改变结构的受力状态,而且会影响到结构外表的美观,影响结构的正常使用。例如:若大坝开裂则会使水渗漏,若探伤室开裂则会使射线泄露,严重影响到结构的使用功能。因此,我们一定要采取有效措施控制大体积混凝土的开裂。王铁梦教授从1955年起就开始研究分析多种结构裂缝,并在此基础上,提出了“抗”、“放”的原则。许多学者在“抗”、“放”原则的基础上又提出了多种抗裂措施。在实际工程中,应结合工程特点灵活运用“抗”、“放”、“抗放”结合的原则控制裂缝的开裂。在实际工程的设计和施工中,就可以通过分析混凝土开裂的不同原因来采取具体的防裂措施。例如:开裂原因与结构设计和受力荷载有关时,应当结合概念设计、平面布置、受力加固等原则和方法考虑控制混凝土开裂的措施。控制大体积混凝土开裂的措施与一般混凝土相比,除了上述措施之外,由于大体积混凝土的固有特性(主要是混凝土中的温度应力和温差),还有一些其他的抗裂措施。下面重点分析在设计和施工中,控制大体积混凝土开裂的措施。

大体积混凝土裂缝控制措施可分为两类,一类是:设计措施:设计控制措施可以分为以下几点:①合理布置平面、立面;可以避免体型突变,保证各种系数达到规范要求(安全系数应当适当提高);②合理留设施工缝;施工缝位置应优先选在在受力较薄弱、剪力较小的结构上,例如:探伤室大体积施工时,其墙体的施工缝可以留在板底和墙体之间;③合理配置钢筋;一般大体积混凝土的配筋率较小,适当提高配筋率可以改善应力分布情况,增强混凝土的抗拉应力,抵抗温度应力的影响,降低裂缝产生的可能性。

控制大体积混凝土开裂的另一类措施是:施工措施,这是控制大体积混凝土裂缝的关键。其施工措施可分为以下几个方面:

(1)合理的混凝土配合比设计;配合比设计包括选材和比例控制,在选材时,水化热是造成大体积混凝土开裂的主要原因。配合比设计时,可以在保证混凝土结构强度的条件下,降低水泥的使用量,选用较低水化热的水泥(如粉煤灰硅酸盐水泥),或者在混凝土中添加适

当的粉煤灰、矿粉等,减少水化热的产生量。避免选用早强水泥、含氯化物、含铝酸钙等影

响大体积混凝土结构使用的水泥。掺加适当的添加剂如:减水剂(在同等强度条件下,减水剂可以降低水灰比,在保证水泥用量不变时,节约用水;在保证用水量不变时,节省水泥。)、微膨胀剂(微膨胀剂可以减少混凝土的体积收缩,减小混凝土的收缩应力。)。为防止混凝土开裂,要严格控制骨料级配、含泥量,严禁使用海砂。在进行配合比设计时,一定要经过多次试验,经过试验合格后,方可用于施工;经检验配合比不合格或强度不够的混凝土,严禁用于工程施工。

(2)施工工艺的选择;施工工艺包含搅拌、输送、浇筑等几个过程,为保证混凝土有良好和易性和加工性能,一定要做好搅拌和输送工作。另外,需要注意:搅拌站或商品混凝土供应站应当建在实际工程附近。搅拌前可先用冷水冲刷骨料,降低建筑温度;搅拌时应该投料次序准确,不得一次性全加,按照配合比设计原则分清先后次序,一般情况下应先投水泥搅拌;搅拌时间合理,不得发产生分层、离析现象。运输时应当迅速,运输方式、运输路径应当便捷,保证运输车辆的运行,防止堵塞和交通拥挤,尽量减少周转次数和输送时间,避免离析(一旦发生,应进行二次搅拌)现象。浇筑前应进行技术交底,确定浇筑方案,做好准备工作;浇筑时供料及时,不能有离析,振捣密实,增强混凝土密实度,大体积混凝土还应当采用振捣棒振捣,并在混凝土初凝前进行二次振捣;妥善处理泌水;浇筑完成后,应及时采取合理措施,进行养护。

(3)采取合适的温控方案;温控方案包括两种:保温法和降温法。降温法指在混凝土内部埋设冷水管,这种方法多用于水利、交通结构。保温法一种是在混凝土表面采用保温材料覆盖,这种方法适用于我国南方气温在15℃以上的季节,寒冷地区不太适用;另一种是表面蓄水保温,表面蓄水保温可以控制表面龟裂,保证工程质量。在采用温控方案时一定要结合结构所在的地理环境和结构的组成形式。在混凝土结构设计时应当采取合理措施,避免结构形式和受力荷载所造成的混凝土开裂:施工时应当保证每个施工工序、施工措施都严格按照施工技术方案进行,并做好预警方案,一旦施工过程中出现问题即可立即实施备案,防止问题继续发展。

参考文献:

[1] JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2001.

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[6] 王润富,陈国荣.温度场和温度应力[M].北京:科学出版社,2005


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