大体积混凝土温度裂缝浅析及控制

摘要:随着我国经济的发展,工程建设规模越来越大型化、复杂化,这使得工程建设中的大体积混凝土温度裂缝问题日益突出并成为具有相当普遍性的问题。文中通过分析大体积混凝土温度裂缝产生的原因,从中找到控制裂缝的措施及解决的方法,从而为保证建筑物和构件的安全奠定了基础。

关键词:大体积混凝土;温度裂缝;研究;控制措施

大体积混凝土温度裂缝的类型混凝土结构物的裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝主要有三种,一是骨料和水泥石粘合面上的裂缝,称为粘着裂缝;第二是水泥石自身的裂缝,称为水泥石裂缝;三是骨料本身裂缝,称为骨料裂缝。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则,不贯通的,并且肉眼看不见。宏观裂缝是由微观裂缝扩展而来的。

一、大体积混凝土温度裂缝的成因

1、概述

当混凝土结构产生变形时,在结构的内部、结构与结构之间,都会受到约束。当混凝土结构截面较厚时,其内部温度分布不均匀,引起内部不同部位的变形相互约束,称之为内约束,当一个结构物的变形受到其他结构的阻碍时称之为外约束。建筑工程中的大体积混凝土结构所承受的变形,主要是由温差和收缩产生,其约束既有外约束又有内约束。

大体积钢筋混凝土结构中,由于结构截面大,体积大,水泥用量多,水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩膨胀作用,由此引起的温度应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。这种裂缝的起因是温度变化引起的变形,当变形得不到满足时才会引起应力,而且应力与结构的刚度大小有关,只有当应力超过一定数值才引起裂缝。

2、温度变化引起变形

在大体积混凝土工程施工中,由于水泥水化热引起混凝土浇筑内部温度和温度应力剧烈变化。实际混凝土内部的最高温度多数发生在混凝土浇筑的最初3到5天,随着混凝土龄期的增长,温度逐渐下降,而弹性模量增高,因此混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大,以致产生很大的拉应力,当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种应力时,开始出现温度裂缝。

3、变形受到约束引起应力

当大体积混凝土浇筑在基岩或老混凝土上时,由于基岩(或老混凝土)的压缩模量(或弹性模量)较高,混凝土温度变化所产生的变形受到基岩(或老混凝土)的约束,而在新浇混凝土内部形成温度应力,在升温阶段,约束阻止新浇混凝土的温度膨胀变形,在混凝土内形成压应力。而在降温阶段,新浇混凝土收缩(降温收缩与干缩)因存在较强大的地基或基础的约束而不能自由收缩,在新浇混凝土内形成拉应力。

4、应力超过了混凝土的抗拉强度导致裂缝的产生

混凝土早期抗拉强度是很低的,值得注意的是随着水泥标号的提高,水泥用量的不断增加,抗拉强度也会相应增加。另外,由于水化热的影响,1 天龄期的小试件强度可比实际大尺寸构件中的强度低 50%,也就是说导致混凝土构件的早期强度降低;而28 天龄期的小试件强度则可比实际构件强度高30%;也就是说对设计而言不安全。因此这也是要限制最高温度的一个原因。

5、外界气温变化的影响

大体积混凝土在施工期间,外界气温变化的影响也很大。混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和,外界气温愈高,混凝土的结构温度也愈高,如外界温度下降,会增加混凝土的降温幅度,特别是在外界气温骤降时,会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度。温度应力是由温差引起的变形造成的,温差愈大,温度应力也愈大。在高温条件下,大体积混凝土不易散热,混凝土内部的最高温度可达60ºC,并且有较大的延续时间。在这种情况下研究合理的温度控制措施,防止混凝土内外温差引起的过大温度应力显得更为重要。

6、混凝土的收缩变形

混凝土收缩变形引起的温度应力大于混凝土的抗拉强度时,就会产生裂缝,因此混凝土的收缩也是引起裂缝不可忽视的因素。

二、大体积混凝土温度裂缝控制及措施

我们将大体积混凝土温度裂缝的基本控制措施分为设计措施、施工措施和监测措施。随着材料科学的发展和施工技术的完善,现场大体积混凝土的施工积累了不少经验,如留永久性变形缝或伸缩缝、用蛇形冷却水管来降低大体积混凝土内部温度、采用液态氮降低混凝土入模温度以及使用微膨胀混凝土减缓干缩等等。总上所述,为防止裂缝、减轻温度应力,我们主要是从控制温度和改善约束条件两个方面着手。

1、控制温度的措施

①采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;②拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;③热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;④在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;⑤规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发急剧的温度梯度;⑥施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保护措施;⑦使用低热或中热水泥。水泥的主要发热成分是铝酸三钙 (C3A)和硅酸三钙 (C3S),制造时适当降低这两种成分的含量即可降低其水化热。

2、改善约束条件的措施

①合理地分缝分块;②避免基础过大起伏;③合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。

此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。

结语

总之,大体积混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格,模板变形,基础不均匀沉降等。为了保证建筑物和构件的安全,我们一方面要从控制温度、改变约束、降低温度着手,另一方面应可能设法提高混凝土的抗裂性能。只有在施工中采取以上行之有效的措施,才能控制裂缝的出现或延伸,进而保证建筑物安全、稳定的工作。