大体积砼的抗裂分析和预防措施

　　摘要：大体积砼所产生的裂缝的主要形式，为温度裂缝。其裂缝的根本原因是砼的变形。因此，制造合适的允许温差，加强施工中的温度观测，采取适当的温度控制措施，提高砼的极限拉伸强度，以预防大体积砼的温度裂缝。
　　关键词：混凝土，大体积，温度裂缝，预防措施
　　混凝土是建筑结构中应用最普遍的材料，随着经济突飞猛进的发展，对基础设施的要求也越来越高。大体积混凝土构件的应用越来越广泛，如大跨径桥梁基础、工业建筑基础、超高层建筑基础等。因此，如何减轻大体积混凝土构件的开裂现象应将成为工程界深入探讨的课题。混凝土中裂缝的出现严重影响到混凝土结构的整体性和耐久性。从而影响到混凝土结构的使用功能及安全性能。混凝土结构出现裂缝是一个相当普遍的现象，近代科学关于混凝土强度的微观研究，以及大量工程实践所提供的经验都说明，结构的裂缝是不可避免的，科学的要求是将其有害程度控制在允许范围内。大体积混凝土的裂缝问题在国外研究较早。l933年，美国开始修建世界上第一座高于200m的混凝土坝——胡佛坝，对大体积混凝土进行了全面的研究。第一次采取温控制措施，主要包括横缝分布均为15m，混凝土的水泥用量为223kg/m³，采用低热水泥，浇筑层厚1.5m并限制间歇期、预埋冷却水管等。结果表明这些温控防裂措施是比较成功的。
　　一、温度裂缝产生的原因分析
　　混凝土裂缝产生的原因有很多种,一是由外荷载引起的,这是发生最为普遍的一种情况,二是结构次应力引起的裂缝,这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,这是由温度、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强度时就产生裂缝。
　　建筑工程中的大体积混凝土结构中,由于结构截面大,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作用,由此形成的温度收缩应力是导致大体积混凝土产生裂缝的主要原因。表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同,温度外低内高,形成了温度梯度,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,表面拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的;通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度,混凝土逐渐降温,这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形,受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力,超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。这两种裂缝不同程度上,都属有害裂缝。因此,掌握温度应力的变化规律及温度控制对于进行大体积混凝土施工极为重要。
　　二、大体积混凝土温度裂缝的分类
　　混凝土结构的裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝主要有三种是骨料和水泥石粘合面上的裂缝，称为粘着裂缝；第二种是水泥石自缝，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。大体积混凝土内出现的裂缝，按其深度不同，可分为贯穿裂缝，深层裂缝及表层裂缝三种。贯穿裂缝切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和其危害性是较严重的；深层裂缝是部分切断了结构断面，也有一定的危表层裂缝一般危害性较小，但处于基础或老混凝土约束范围内的表层裂内部混凝土降温过程中可能发展为贯穿裂缝。温度裂缝是由温度变化在不同的约束条件下，致使微观裂缝扩展形裂缝。一般来说，表面裂缝如果较浅、没有发展到结构中的钢筋表面且变化不再发展，通常不影响工程质量，但绝大多数是有害裂缝。
　　三、温度应力的分析
　　(一)温度应力的形成过程
　　温度应力的形成可分为以下三个阶段:
　　早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30天。这个阶段有两个特征,一是水泥放出大量水化热,二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。
　　中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期中,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
　　晚期:混凝土完全冷却以后的服役时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相叠加。
　　(二)温度应力引起的原因
　　对于边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。因为大体积混凝土结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间过程出现压应力,这种应力成为自身应力。
　　结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力,此时的应力称为约束应力。
　　这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。温度应力的分布及大小是比较复杂的,在大多数情况下,需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛,所以分析计算温度应力时,还必须考虑徐变的影响。
　　四、温度的控制和防止裂缝的措施
　　为了防止裂缝的产生，应着重在控制砼温度上升、延缓砼降温速率、减少砼收缩、提高砼极限拉伸值、改善约束等方面采取措施。
　　4.1控制砼温度上升的措施
　　4.1.1选用低热水泥：砼升温的热源是水水泥不化热，选用低热的水泥品种，可减少水化热，使砼减少升温。
　　4.1.2利用砼的后期强度：试验证明，每立方米的砼水泥用量，每增减10kg，水泥水化热将使硷的温度相应升降l℃。因此，为控制砼温度上升，降低温度应力，减少产生温度裂缝的可能性。
　　4.1.3掺加减剂：减水剂对水泥颗粒有明显的分散效应，并能使水的表面张力降低而引起加气作用。它不仅能使砼的和易性有明显的改善，同时又减少了l0％左右的拌合水，节约10％左右的水泥，从而降低了水化热。
　　4.1.4掺加粉煤灰外掺料：实验资料表明，在砼内掺入一定数量的粉煤灰，由于粉煤灰具有一定活性，不但可代替部分水泥，而且粉煤灰颗粒呈球形，具有“滚珠效应”而起润滑作用，能改善砼的粘塑性，改善砼的可泵性，降低砼的水化热。
　　4.1.5粗骨料的选择：宜优先采用以自然连续级配的粗骨料配制砼，因为用连续级配粗骨料配制的砼具有较好的和易性、较少的用水量和水泥用量以及较高的抗压抗拉强度。在石子规格上可根据施工条件，尽量选用粒径较大的、级配良好的石子。因为增大骨料粒径，可减少用少量，而使砼的收缩和泌不随之减少，同时又减少水泥用量，从而使水泥的水化热减小，最终降低了砼的升温。
　　4.2延缓砼的降温速率
　　大体积砼浇筑后，为了减少升温阶段内外温差，防止产生表面裂缝；给予适当的潮温养护条件，防止砼表面脱水产生的干缩裂缝，使水泥顺利进行水化，提高砼的极限拉伸值；以及使砼的水化热降温速率延缓，减少结构计算温差，防止产生的温度应力和产生温度裂缝，对砼进行保湿和保温养护是重要的。
　　4.3减少砼的收缩、提高砼的极限拉伸值
　　砼的收缩值和极限拉伸值，除与上述的水泥质量、骨料品种和级配、水化比、骨料含泥量等有关外，还与施工工艺和施工质量密切相关。
　　4.3.1对浇筑后的砼进行二次振捣，能排除砼上因泌水在粗骨料、水平筋下部生成的水分和空隙，提高砼与钢筋的握裹力，防止因砼沉落而出现的裂缝，减少内部微裂，增加砼密度，使砼的抗压提高10％—20％左右，从而提高抗裂性。
　　4.3.2为了进一步提高砼质量，可采用二次投料的砂浆裹石或净浆裹石搅拌新工艺，这样可有效地防止水分向石子与水泥砂浆界面集中，使硬化后的界面过渡层的结构致密，粘结加强，从而可使砼强度提高l0％左右，也提高了砼的抗拉强度和极限拉伸值。当砼强度基本相同时，可减少7％左右的水泥用量。
　　4.4改善边界约束和构造设计
　　4.4.1设置滑动层：由于边界存在约束才会产生温度应力，如在与外约束的接触面上全部设滑动层，则可大大减弱外约束。墙在外约束的两端和1/4到1/5的范围内设置滑动层，则结构的计算长度可折减约一半。
　　4.4.2避免应力集中：在孔洞周围、变断面转角部位、转角处等由于温度变化和砼收缩，会产生应力集中而导致裂缝。为此，可在此洞四周增配斜向钢筋、钢筋网片；在断面处避免断面突变，可作局部处理使断面逐渐过渡，同时增配抗裂钢筋。
　　4.4.3设置缓冲层：在高、低底板交接处、底板地梁处等，用30—50mm厚采苯泡沫塑料作垂直隔离，以缓冲基础收缩的侧向压力。
　　4.4.4合理的分段施工；当大体积砼结构的尺寸过大，通过计算证明整体一次浇筑产生的温度应力过大，有可能产生温度裂缝时，则可与设计单位研究后设置后浇带。
　　五、加强施工管理
　　5.1提高混凝土施工质量。显然，在一个混凝土浇注块中，强度是不均匀的，裂缝总是从强度最低的薄弱处开始开裂，因此应加强施工管理，提高施工质量。
　　5.2薄层、短间歇、均匀上升。缩短相临浇注层的间隔时间能减小老混凝土对新混凝土的约束作用，减小约束应力。
　　5.3气温是影响混凝土入模温度的重要因素，在气温底的季节浇注混凝土可以大大降低入模温度。因此，尽量利用低温季节浇注体积大、作用关键的构件能较好地达到控制温度裂缝的目的。
　　5.4在砼浇筑完成后，用一层塑料薄膜加两层草袋覆盖。由于薄膜的隔气作用，砼内蒸发的水份足以满足砼养护的需要，达到自养的效果。水化热峰值过后，砼温度开始下降，可逐步撤去草袋和薄膜，洒水养护。两种养护时间总共应不少于14昼夜。
　　裂缝是大体积混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响建筑物的承载能力。因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理，并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，保证建筑物和构件安全、稳定地工作。
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