摘要：本文主要从笔者亲身参与的大体积混凝土裂缝控制技术的探讨，旨在与同行探讨学习，共同进步。
关键词：大体积混凝土；施工裂缝；成因；控制；技术措施
随着建筑业的高速发展,大体积混凝土越来越广泛被用在高层建筑、大跨度桥梁、大型工业建筑的主要受力部位。这些大体积混凝土结构截面大,浇筑量大、施工条件复杂、水泥水化热较高,形成的温度收缩应力是导致裂缝产生的主要原因。随着商品和泵送混凝土的推广普及,为加快施工进度常采用流态混凝土,在提高混凝土匀质性和质量的同时加大了水泥和水的用量,骨料粒径减小,导致混凝土中水泥水化热和混凝土收缩变形的增加,施工时重视不够或预控措施不当,容易使混凝土结构物在温度和温度应力作用下产生温度和结构收缩裂缝,裂缝直接影响到结构的整体性和耐久性。目前,大体积混凝土面临的问题,不是力学上的结构强度,而是控制温度变形缝,提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀性能,提高建筑结构的耐久年限。
1.裂缝成因
混凝土结构宏观裂缝产生的原因主要有三种,一种是由外荷载引起的,即按常规计算的主要应力引起的;二是结构次应力引起的裂缝,是由于结构的实际工作状态与计算假设模型的差异引起的;三是变形应力引起的裂缝,是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起结构变形,当变形受到约束时便产生应力,当此应力超过混凝土抗拉极限强度时就产生裂缝。本文只探讨变形裂缝。
大体积混凝土硬化期间水泥水化过程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,所产生的温度应力和收缩应力,是导致混凝土结构出现裂缝的主要因素。图1是某桩承台中心温度随时间变化过程(承台长18.95m,宽13.7m,厚4.0m,采用C30混凝土,混凝土用量为1038.46m3,泵送一次浇筑完成)。可以看出,由于水泥水化热的作用,承台中心温度分为升温和降温两个阶段,升温时间较短,降温时间较长,从混凝土浇筑完毕起,大约4d后,内部温度达到最高点58.90℃,中心温升为绝热温升的0.76倍。随后由于水化热的热量小于混凝土表面和底面的散热量,中心温度开始下降,下降过程较平缓,持续时间较长。对于温度沿承台厚度方向的分布情况,以中心部位升温为最高,由于向地基和空气散热,与地基接触面的温度较低,而与空气接触面的散热快,温度更低,呈非对称抛物线分布。混凝土表面与中心温差为39.5℃,大大超过了规范允许值25℃,在降温收缩阶段由于受到地基的约束和内部混凝土的约束而产生拉应力,其拉应力大于此时混凝土的抗拉强度,就有可能产生裂缝。
（1）水泥水化热影响
水泥在水化过程中产生大量的热量,是内部温升的主要热量来源。每克普通硅酸盐水泥放出的热量可达到500J,水化热聚集在结构物内部不易散发。引起结构内部急剧升温。研究表明,水泥水化热引起的绝热温升,与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关。结构厚度越大,水泥用量越多,水泥早期强度越高,混凝土内部升温越快。每m3混凝土中的水泥用量,每增减10kg其水化热将使混凝土的温度相应升降1℃,对于普通混凝土控制每m3混凝土水泥用量不超过400kg。由于混凝土的导热性能较差,大体积混凝土因热量积聚绝热温升可达70℃或更高。当内外温差产生的约束力超过抗拉强度时,将导致裂缝。
（2）内外约束条件的影响
由于温度变化会产生变形,变形受到内外约束的阻碍便产生应力,当应力超过某一数值时,便引起裂缝。如在完全约束条件下混凝土结构物的温度变形,ε=ΔT•d,当ε超过混凝土的极限拉伸值εp时,便出现裂缝。混凝土的温度膨胀系数α一般为10×10-6/℃,极限拉伸值εp一般为(50～100)×10-6之间,此时容许混凝土的内外温差值应为5～10℃。实践证明,多数工程混凝土的温差一般在20～25℃之间尚未开裂,主要原因是结构物不可能受到绝对约束,混凝土也不可能完全没有徐变和塑性变形的缘故。在零约束条件下,由于温度变形而引起的温度应力值可达1.0～2.1Mpa.这足以证明,约束条件对混凝土开裂有很大影响。
有必要指出,许多工程案例提供数据证明,某些结构物的长度,已经超过了设计规范的伸缩缝间距而没有发生裂缝,但也有不少工程的长度小于设计规定,却发生了温度裂缝。出现这种现象,主要涉及约束条件,材料自身强度等多种因素。如果结构因变形产生的最大应力小于材料抗拉或抗压强度时,结构的伸缩缝间距为无穷大,不设伸缩缝也不开裂,相反,当其最大应力超过材料的抗拉或抗压强度时,无论结构尺寸多短,混凝土也会产生裂缝。这不仅说明约束的重要性,也说明伸缩缝间距不是控制裂缝的唯一条件。
（3）外界气温变化的影响
在施工期间,外界气温变化对防止开裂有很大影响。混凝土内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度的叠加。外界气温越高,混凝土的浇筑温度也越高;如果外界气温下降,会增加混凝土的温度梯度,特别是气温骤然下降,会大大增加外层与内部混凝土的温差,因而会造成过大的温度应力。大体积混凝土由于厚度大,不易散热,其内部最高温度可高达85℃,并且延续时间较长。温度应力是由温差引起的变形所造成的,温差越大,温度应力也越大。采取合理的温度控制措施,控制混凝土表面与外界气温的温差,是防止产生裂缝的关键措施之一。
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（4）混凝土收缩变形的影响
混凝土中20%的水分是水泥水化所必须的,约80%的水分要蒸发,多余水分的蒸发会引起体积收缩,如果混凝土收缩后,再处于水饱和状态,还可以恢复膨胀几乎达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化,这对混凝土是很不利的。这种收缩变形不受约束条件的影响,若有约束,即可引起混凝土的开裂。收缩变形主要包括塑性收缩变形和体积变形两个方面。在硬化之前,混凝土处于塑性状态,如果上部混凝土的均匀沉降受到限制,其水平方向的减缩比垂直方向更难时,就容易形成一些不规则的塑性收缩裂缝。混凝土在水泥水化过程中要产生一定的体积变形,但多数是收缩变形,少数为膨胀变形,掺入混凝土中的水逐渐蒸发,随着混凝土的不断干燥而使吸附水溢出,就会出现收缩变形;混凝土还会产生碳化收缩变形,即空气中的二氧化碳与混凝土中的氢氧化钙反应生成碳酸钙和水,这些结合水因蒸发会使混凝土产生收缩变形。实践证明,混凝土的最终收缩值一般在2～6×10-4范围内波动,有的高达10×10-4。由收缩引起的温度应力占混凝土应力值的30%以上。
2.大体积混凝土裂缝的控制措施
根据工程实践，基于“抗放结合”的裂缝控制原则，为了防止大体积混凝土裂缝产生，可以从设计和施工手段两个方面考虑，最大限度的降低温差和减小混凝土的收缩达到裂缝控制的目的。
（1）设计措施
设计时宜采用中低强度混凝土，避免采用高强度混凝土。为了控制大体积混凝土的表面收缩裂缝，可以适当采取在承台表面合理增加分布钢筋用量的措施，虽然单靠增加分布钢筋用量不能明显的防止裂缝出现，但适当增加分布钢筋的用量可以加强结构的整体性和减小温度裂缝的宽度。大体积混凝土工程施工中如果允许设置水平施工缝，应根据温度裂缝的要求进行分块，且设置必要的连接方式。
（2）材料选择与制备
混凝土内本身产生热量的只有水泥，选用低热水泥成为降低混凝土内部温升和防裂的重要手段。选择合理的混凝土的配合比设计，可以有效的降低水泥产生的水化热。对选用的低热水泥还希望早期强度高、后期强度仍增长、弹模低、徐变大、自生体变为膨胀型。同时，适当的减少水泥用量，并严格控制骨料的质量。
（3）合理组织施工
实践证明，合理组织施工是经济而有效的措施。在安排混凝土的施工季节时，可注意以下几点：第一，尽量避免酷暑、严寒的气候下施工；第二，不同的混凝土块对混凝土浇筑温度及内部水化热温升不相同；合理组织大体积混凝土施工包括：①降低混凝土浇筑温度应从降低混凝土的出机口的温度和减少运输途中仓面的温度回升两方面着手；②合理控制间歇期。混凝土层间间歇期从散热、防裂及施工作业方面综合分析后，提出合理间歇期。
（4）采取有效的施工技术措施
分块浇捣、化整为零
在施工过程中，通过设置合理的变形缝、后浇带、施工缝等将大体积混凝土分成多块，分块、分层浇捣从而减小混凝土的收缩变形。
通水冷却
通水冷却是混凝土温度控制的有效措施之一。通过冷却水循环，降低混凝土内部温度，减小内表温差，控制混凝土内外温差。通过测温点测量，掌握内部各测点温度变化，以便及时调整冷却水的流量，做到及时控制温差。当内外温差过高，而流量的控制效果不明显时，可将冷却水管的出口处的热水浇灌于混凝土的表层，提高表层混凝土的温度，从而更好的控制内外温差。上海的经贸大厦底板以及闵浦大桥承台大体积混凝土便采用了冷却水管，对降低混凝土内部温度控制内外温差起到一定的作用。
（5）表面保温
保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土的温度梯度，防止表面裂缝的发生。保温层兼有保湿的作用，如果用湿砂层、潮湿锯末层，积水保湿效果尤为突出。保温养护过程中，应保持混凝土表面湿润，保湿可以提高混凝土的表面抗裂能力。在大体积混凝土施工中可因地制宜地采用保温性能好的保温养护材料。在施工工期要求内，尽量采用自然散热的方式。
（6）有限元模拟分析
早期混凝土内部温度场分布随龄期的变化，可以把混凝土认为是均匀、正交各向同性材料，根据采用的混凝土各项准确参数、边界条件、环境温度等对实际工程进行有限元模拟分析，得出其内部最高温度、浇注后各个时间段的温度场以及内部应力变化规律。根据结果考虑是否采用冷却水管降温，并对布置冷却水管后进行有限元模拟分析，用以指导实际的施工。
参考文献；
[1]大体积混凝土裂缝控制技术的探讨_邓磊
[2]大体积混凝土裂缝控制技术应用研究_王顶堂
[3]大体积混凝土施工裂缝控制技术_陈燕菲
论文作者:朱创荣
论文发表刊物:《基层建设》2016年36期
论文发表时间:2017/3/29
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 温度论文; 应力论文; 水化论文; 体积论文; 温差论文; 《基层建设》2016年36期论文;