大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制研究

　　摘要：探討了大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因及影響因素，概述了控制大體積混凝土裂縫的方法是提高混凝土的抗裂能力和控制溫度應(yīng)力。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；裂縫控制；施工

引言

近年來，大體積混凝土在高層建筑的基礎(chǔ)中運(yùn)用越來越多，由于基礎(chǔ)混凝土的澆筑要求連續(xù)進(jìn)行，不留施工縫，因而如何有效地控制大體積混凝土基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)裂縫，對基礎(chǔ)施工質(zhì)量至關(guān)重要。大體積混凝土裂縫問題是當(dāng)前混凝土施工中的一個普遍問題，裂縫不僅會降低混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，而且嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。

混凝土產(chǎn)生裂縫的原因和混凝土原材料的選擇、配合比的設(shè)計(jì)、施工工藝、外部荷載作用等因素有關(guān)。大體積混凝土具有體積過大、溫度高的特點(diǎn)，產(chǎn)生裂縫的主要原因與普通混凝土不同，文中主要針對這一特點(diǎn)分析了裂縫產(chǎn)生的主要原因，提出了施工預(yù)防措施，進(jìn)行合理的施工設(shè)計(jì)，防治混凝土有害裂縫的產(chǎn)生。

1.大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土施工期間產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫主要是水泥水化熱引起的溫度變化造成的。大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。矛盾的一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面是外部約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束，要阻止這種應(yīng)變。一旦溫度應(yīng)力超過混凝土能承受的抗拉強(qiáng)度時，即會出現(xiàn)裂縫。這是導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因，現(xiàn)將產(chǎn)生裂縫的主要原因分述如下：

水泥水化過程是大體積混凝土中的主要溫度因素

水泥水化過程中要放出一定的熱量。而大體積混凝土結(jié)構(gòu)物一般斷面較厚，水泥放出的熱量聚集在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不易散發(fā)。通過實(shí)測，水泥水化熱引起的溫升，在水利工程中一般為15～25℃，而在建筑工程中一般為20～30℃，甚至更高。

由于混凝土的導(dǎo)熱性能差，澆筑初期混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都很低，對水化熱引起的急劇溫升約束不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小。隨著混凝土齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也就愈來愈大，以至產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時，便開始出現(xiàn)溫度裂縫。

外界氣溫變化的影響

大體積混凝土在施工階段，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，這對大體積混凝土是極為不利?；炷羶?nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度，澆注溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱降溫等各種溫度疊加，而溫度應(yīng)力則是由溫差引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應(yīng)力也愈大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內(nèi)部的最高溫度一般在60～65℃，并且有較大的連續(xù)時間(與結(jié)構(gòu)尺寸和澆筑塊體厚度有關(guān))。在這種情況下，研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的過大溫度應(yīng)力，就顯得更為重要。

約束條件與溫度裂縫的關(guān)系

在完全約束下混凝土結(jié)構(gòu)物的溫度變形是溫差與溫度線膨脹系數(shù)的乘積。即：ε=ΔT·α；當(dāng)ε超過混凝土的極限拉伸值εp時，便出現(xiàn)裂縫。式中ε為混凝土收縮時的相對變形，ΔT為溫差，α為混凝土的溫度線膨脹系數(shù)。

混凝土的溫度線膨脹系數(shù)α一般為10×10-6/℃，極限拉伸值εp，一般在50～100×10-6之間，此時容許混凝土的內(nèi)外溫差值應(yīng)為5～10℃。而實(shí)踐證明，多數(shù)工程混凝土的溫差一般在20～25℃之間尚未開裂。這主要因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)物不可能受到絕對約束，混凝土也不可能完全沒有徐變和塑性變形的緣故。如果結(jié)構(gòu)因變形產(chǎn)生的最大應(yīng)力小于材料的抗拉或抗壓強(qiáng)度時，結(jié)構(gòu)的伸縮縫間距為無窮大，不設(shè)伸縮縫也不會裂；相反，當(dāng)其最大應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時，無論結(jié)構(gòu)尺寸多短，混凝土也會產(chǎn)生裂縫。這不僅說明約束的重要性，也說明伸縮縫間距不是控制裂縫的唯一條件。

混凝土的收縮變形

新澆筑的混凝土中有80%的游離水分需要蒸發(fā)，多余水分的蒸發(fā)會引起混凝土體積的收縮(干縮)，這種收縮變形不受約束條件的影響。若有約束，即可引起混凝土的開裂，并隨齡期的增長而發(fā)展。混凝土的收縮機(jī)理比較復(fù)雜，其最大的原因，可能是內(nèi)部孔隙水蒸發(fā)變化時引起的毛細(xì)管引力。收縮在很大程度上是有可逆現(xiàn)象的。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態(tài)，還可以恢復(fù)膨脹并幾乎達(dá)到原有的體積。干濕交替將引起混凝土體積的交替變化，這對混凝土是很不利的。有關(guān)研究資料表明，混凝土的最終收縮(變形)值一般在2～6×10-4范圍內(nèi)波動，有時高達(dá)10×10-4。在工程計(jì)算中，混凝土的極限收縮值一般取3.24×10-4。

在大體積混凝土溫度裂縫計(jì)算中，可將混凝土的收縮值，換算成相當(dāng)于引起同樣溫度變形所需要的溫度值，即“收縮當(dāng)量溫差”，以便按溫差計(jì)算混凝土的應(yīng)力。實(shí)踐證明，由混凝土收縮變形引起的溫度應(yīng)力是不可忽視的。此外，影響混凝土收縮的因素很多，主要是水泥品種和混合材、混凝土的配合成分、化學(xué)外加劑以及施工工藝等。

2.大體積混凝土裂縫控制措施

控制大體積混凝土開裂應(yīng)從兩個方面入手。一方面，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，使其足夠大，大到各種因素引起的開裂應(yīng)力小于它。另一方面，控制各種溫度應(yīng)力和混凝土的干縮變形，使其盡可能小，使之小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。

2.1提高混凝土抗裂能力

摻膨脹劑

在混凝土中摻膨脹劑，混凝土在硬化過程中產(chǎn)生體積膨脹，這部分膨脹可以部分或全部補(bǔ)償硬化過程中冷縮和干縮。減少或避免混凝土的開裂?，F(xiàn)在商品膨脹劑有UEA膨脹劑，F(xiàn)H復(fù)合膨脹劑，F(xiàn)N-M明礬石膨脹劑；PG硫鋁酸鹽型膨脹劑等等。其中UEA膨脹劑應(yīng)用較多，在混凝土中摻入10%～12%，其限制膨脹率為0.02%～0.04%，可在混凝土中建立0.2～0.7MPa預(yù)壓力，從而抵消混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的全部或部分拉應(yīng)力。

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