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大体积混凝土由于水泥凝结硬化过程中释放出大量的水化热,形成较大的内外温差,当温差较大超过25℃时,混凝土内部的温度应力有可能超过混凝土的极限抗拉强度从而产生温度裂缝,同时混凝土降温阶段如果降温过快,由于厚板收缩,又受到强大的摩阻力,可能导致收缩贯穿裂缝。此外,混凝土本身的收缩也可能造成裂缝的产生。因此大体积混凝土存在的主要问题是裂缝的控制。
一、大体积混凝土的配合比设计
1.水泥的选用:应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥,优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。
2.粗细骨料:粗骨料宜采用连续级配,细骨料宜采用中砂。大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下,应提高掺合料及骨料的含量,以降低单方混凝土的水泥用量。
3.减水剂:为满足和易性和减缓水泥早期水化热发热量的要求,宜在混凝土中掺入适量的缓凝型减水剂。除加入减水剂外,有些混凝土还要根据需要加入其他外加剂,如引气剂、膨胀剂、泵送剂等。
4.除以上3点外,还要适当降低原材料的温度。
二、大体积混凝土裂缝的主要类型
1、干缩裂缝
混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。是混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果:混凝土受外部条件的影响,表面水分损失过快,变形较大,内部湿度变化较小变形较小,较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束,产生较大拉应力而产生裂缝。
2、塑性收缩裂缝
塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现,裂缝多呈中间宽、两端细,且长短不一,互不连贯状态。常发生在混凝土板或比表面积较大的墙面上,较短的裂缝一般长20～30cm,较长的裂缝可达2～3m,宽1～5mm.从外观分为无规则网络状和稍有规则的斜纹状或反映出混凝土布筋情况和混凝土构件截面变化等规则的形状,深度一般3～10cm,通常延伸不到混凝土板的边缘。
3、沉陷裂缝
沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软,或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致。或者因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致混凝土出现沉陷裂缝。特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。
4、温度裂缝
温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇注后,在硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热。由于混凝土的体积较大,大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发,导致内部温度急剧上升。而混凝土表面散热较快,这样就形成内外的较大温差。较大的温差造成混凝土内部与外部热胀冷缩的程度不同,使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时,混凝土表面就会产生裂缝,这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。
三、裂缝的防治措施
1、设计措施
1)精心设计混凝土配合比混凝土配合比设计时,在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能的降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。
2)增配构造筋提高抗裂性能,配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3～0.5%之间。
3)避免结构突变产生应力集中,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
4)在易裂的边缘部位设置暗梁,提高该部位的配筋率,提高混凝土的极限拉伸。
5)在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征,合理设置后浇缝,在正常施工条件下,后浇缝间距20～30m,保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件,也可临时根据具体情况作设计变更。
2、 施工措施
1)严格控制混凝土原材料的的质量和技术标准,选用低水化热水泥,粗细骨料的含泥量应尽量减少(1～1.5%以下)……
在选择大体积混凝土用水泥时,在条件许可的情况下,应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期(1～5d)可产生一定的预压应力,而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力,减少混凝土内的拉应力,提高混凝土的抗裂能力。为此,水泥熟料中的碱含量应低且适宜,熟料中MgO含量在3.0%～5.0%,石膏与C3A的比值尽量大些,C3A、C3S和C2S含量应分别控制在5.0%以内、50.0%左右和20.0%左右,这种熟料比例的水泥具有长期稳定的微膨胀抗裂性能。
骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%～83%,因此,在选择骨料时,应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。
砂除满足骨料规范要求外,应适当放宽石粉或细粉含量,这样不仅有利于提高混凝土的工作性,而且可提高混凝土的密实性、耐久性和抗裂性。有研究表明,砂子中石粉比例一般在15%～18%之间为宜。
粉煤灰只要细度与水泥颗粒相当,烧失量小,含硫量和含碱量低,需水量比小,均可掺用在混凝土中使用。混凝土中掺用粉煤灰后,可提高混凝土的抗渗性、耐久性,减少收缩,降低胶凝材料体系的水化热,提高混凝土的抗拉强度,抑制碱骨料反应,减少新拌混凝土的泌水等。这些诸多好处均将有利于提高混凝土的抗裂性能。
高效减水剂和引气剂复合使用对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量,改善新拌混凝土的工作度,提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用,也是混凝土向高性能化发展的不可或缺的重要组分。
2)细致分析混凝土集料的配比,控制混凝土的水灰比,减少混凝土的坍落度,合理掺加塑化剂和减少剂。
3)采用综合措施,控制混凝土初始温度混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝是极其敏感的。当混凝土从零应力温度T2降低到混凝土开裂的温度Tt时,t时刻的混凝土拉应力σt超过了t时刻的混凝土极限拉应力σtu.因此,通过降低混凝土内的水化热温度(主要通过掺用高效减水剂减少用水,减少胶凝材料,多掺粉煤灰和矿物掺和料)和混凝土初始温度(通过骨料水冷和风冷降温、加冰和加冷却水拌和、各生产环节加强保温以免冷量损失等措施,降低混凝土初始温度),减少和避免裂缝风险。
4)根据工程特点,可以利用混凝土后期强度,这样可以减少用水量,减少水化热和收缩。
5)加强混凝土的浇灌振捣,提高密实度。
6)混凝土尽可能晚拆模,拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上,混凝土的现场试块强度不低于C5. 7)采用两次振捣技术,改善混凝土强度,提高抗裂性。
8)根据具体工程特点,采用UEA补偿收缩混凝土技术。
9)对于高强混凝土,应尽量使用中热微膨胀水泥,掺超细矿粉和膨胀剂,使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰,掺量15%～50%.
通过采取合理研配混凝土配合比、斜面分层一次浇筑施工方法、浇筑混凝土后的收头处理措施、混凝土表面贮水蓄热保温保湿养护等措施以及测温控制,施工实践表明:选择大体积混凝土表面贮水热保温保湿养护方式、同时采用综合的施工技术措施,非常成功。
一、大体积混凝土的配合比设计
1.水泥的选用:应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥,优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。
2.粗细骨料:粗骨料宜采用连续级配,细骨料宜采用中砂。大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下,应提高掺合料及骨料的含量,以降低单方混凝土的水泥用量。
3.减水剂:为满足和易性和减缓水泥早期水化热发热量的要求,宜在混凝土中掺入适量的缓凝型减水剂。除加入减水剂外,有些混凝土还要根据需要加入其他外加剂,如引气剂、膨胀剂、泵送剂等。
4.除以上3点外,还要适当降低原材料的温度。
二、大体积混凝土裂缝的主要类型
1、干缩裂缝
混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。是混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果:混凝土受外部条件的影响,表面水分损失过快,变形较大,内部湿度变化较小变形较小,较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束,产生较大拉应力而产生裂缝。
2、塑性收缩裂缝
塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现,裂缝多呈中间宽、两端细,且长短不一,互不连贯状态。常发生在混凝土板或比表面积较大的墙面上,较短的裂缝一般长20～30cm,较长的裂缝可达2～3m,宽1～5mm.从外观分为无规则网络状和稍有规则的斜纹状或反映出混凝土布筋情况和混凝土构件截面变化等规则的形状,深度一般3～10cm,通常延伸不到混凝土板的边缘。
3、沉陷裂缝
沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软,或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致。或者因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致混凝土出现沉陷裂缝。特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。
4、温度裂缝
温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇注后,在硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热。由于混凝土的体积较大,大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发,导致内部温度急剧上升。而混凝土表面散热较快,这样就形成内外的较大温差。较大的温差造成混凝土内部与外部热胀冷缩的程度不同,使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时,混凝土表面就会产生裂缝,这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。
三、裂缝的防治措施
1、设计措施
1)精心设计混凝土配合比混凝土配合比设计时,在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能的降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。
2)增配构造筋提高抗裂性能,配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3～0.5%之间。
3)避免结构突变产生应力集中,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
4)在易裂的边缘部位设置暗梁,提高该部位的配筋率,提高混凝土的极限拉伸。
5)在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征,合理设置后浇缝,在正常施工条件下,后浇缝间距20～30m,保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件,也可临时根据具体情况作设计变更。
2、 施工措施
1)严格控制混凝土原材料的的质量和技术标准,选用低水化热水泥,粗细骨料的含泥量应尽量减少(1～1.5%以下)……
在选择大体积混凝土用水泥时,在条件许可的情况下,应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期(1～5d)可产生一定的预压应力,而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力,减少混凝土内的拉应力,提高混凝土的抗裂能力。为此,水泥熟料中的碱含量应低且适宜,熟料中MgO含量在3.0%～5.0%,石膏与C3A的比值尽量大些,C3A、C3S和C2S含量应分别控制在5.0%以内、50.0%左右和20.0%左右,这种熟料比例的水泥具有长期稳定的微膨胀抗裂性能。
骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%～83%,因此,在选择骨料时,应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。
砂除满足骨料规范要求外,应适当放宽石粉或细粉含量,这样不仅有利于提高混凝土的工作性,而且可提高混凝土的密实性、耐久性和抗裂性。有研究表明,砂子中石粉比例一般在15%～18%之间为宜。
粉煤灰只要细度与水泥颗粒相当,烧失量小,含硫量和含碱量低,需水量比小,均可掺用在混凝土中使用。混凝土中掺用粉煤灰后,可提高混凝土的抗渗性、耐久性,减少收缩,降低胶凝材料体系的水化热,提高混凝土的抗拉强度,抑制碱骨料反应,减少新拌混凝土的泌水等。这些诸多好处均将有利于提高混凝土的抗裂性能。
高效减水剂和引气剂复合使用对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量,改善新拌混凝土的工作度,提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用,也是混凝土向高性能化发展的不可或缺的重要组分。
2)细致分析混凝土集料的配比,控制混凝土的水灰比,减少混凝土的坍落度,合理掺加塑化剂和减少剂。
3)采用综合措施,控制混凝土初始温度混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝是极其敏感的。当混凝土从零应力温度T2降低到混凝土开裂的温度Tt时,t时刻的混凝土拉应力σt超过了t时刻的混凝土极限拉应力σtu.因此,通过降低混凝土内的水化热温度(主要通过掺用高效减水剂减少用水,减少胶凝材料,多掺粉煤灰和矿物掺和料)和混凝土初始温度(通过骨料水冷和风冷降温、加冰和加冷却水拌和、各生产环节加强保温以免冷量损失等措施,降低混凝土初始温度),减少和避免裂缝风险。
4)根据工程特点,可以利用混凝土后期强度,这样可以减少用水量,减少水化热和收缩。
5)加强混凝土的浇灌振捣,提高密实度。
6)混凝土尽可能晚拆模,拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上,混凝土的现场试块强度不低于C5. 7)采用两次振捣技术,改善混凝土强度,提高抗裂性。
8)根据具体工程特点,采用UEA补偿收缩混凝土技术。
9)对于高强混凝土,应尽量使用中热微膨胀水泥,掺超细矿粉和膨胀剂,使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰,掺量15%～50%.
通过采取合理研配混凝土配合比、斜面分层一次浇筑施工方法、浇筑混凝土后的收头处理措施、混凝土表面贮水蓄热保温保湿养护等措施以及测温控制,施工实践表明:选择大体积混凝土表面贮水热保温保湿养护方式、同时采用综合的施工技术措施,非常成功。