论文部分内容阅读
【摘 要】 大体积混凝土的开裂问题，是工程建设中带有普遍性的技术难题。本文对裂缝形成的一般原因进行分析，并提出施工过程的质量控制具体措施。
【关键词】 大体积混凝土；裂缝成因；温度收缩；预防措施
【中图分类号】 TU375 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2013）05-067-02
大体积混凝土已经成为大型基础设施及各类建筑工程最重要的结构形式，传统意义上的大体积混凝土，一般理解为尺寸体积大的建筑结构体。如美国混凝土学会给出的大体积混凝土定义是：任何现澆混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度的减少开裂影响的，即称作大体积混凝土。在这里重点提出了混凝土的开裂问题，而开裂问题是工程建设中带有普遍性的技术难题。结构体裂缝一旦产生，尤其是大型基础的贯穿性裂缝出现在重要部位，其危害是严重的。会严重降低结构的耐久性，削弱降低其承载力，同时会危机到建筑物的正常使用。对此，如何采取切实有效的技术措施，防止大体积混凝土的开裂，是一个多年来十分重要的关键性技术问题。
1 大体积混凝土裂缝形成的一般原因
从建筑结构特征分析，裂缝形成的一般原因总的可分为两类：即结构型及材料型裂缝。结构型裂缝是由外部荷载引起的，包括常规结构计算中的主要应力及其它的结构次应力所造成的受力裂缝。其次是材料本身的裂缝，是由非受力变化引起的，主要是由于环境气候的变化即温差应力和混凝土收缩引起的开裂。在此主要探讨材料本身的裂缝。
1.1 温度应力产生的裂缝。现在对温度应力产生的裂缝一般认为是由温差产生的应力造成的。温差可以分为3种情况：首先在混凝土浇筑初期，在水化过程中产生大量的水化热，由于混凝土是热的不良导体，水化热积聚在混凝土内部不易散发出去，尤其是体积较大混凝土内部温度急聚上升，而结构混凝土外部温度为当时的环境温度，这时形成了内外温差，这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力超过混凝土当时的抗压强度时，就会导致混凝土开裂；另外，在混凝土拆模前后，表面温度降速很快，造成了表面温度骤降，也会产生混凝土开裂； 同样当混凝土内部温度达到最高阶段，热量逐渐散发而降至正常环境温度时，其与最高温度的差值即是内部温差；这3种温差都会造成混凝土的开裂。在这3种温差中，最为重要的是由水化热引起的内外温差影响危害程度最严重。
1.2 收缩引起的裂缝。收缩在很多情况下都会发生，而且有很多种类，常见的有干燥收缩，塑性收缩，自身收缩，及碳化收缩等，在此浅要分析干燥收缩和塑性收缩。
1.2.1 干燥收缩。混凝土硬化后，在干燥的环境中，混凝土内部的水分逐渐析出，内部游离水的减少，使孔隙壁减少压力，引起混凝土由外向内的干燥变形开裂。
1.2.2 塑性收缩。水泥遇水后活性增大，拌和物温度较高，或是在水灰比较低的条件下会加快引起开裂。因为此时混凝土的泌水明显减少，表面大量蒸发的水分不可能得到充分满足，而且混凝土还处于塑性状态，略为出现一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不匀的龟裂缝，当裂缝产生以后，混凝土内部的蒸发会加快速度，使裂缝宽深度进一步劣化。
2 预防裂缝的一般措施
从上述浅要分析中知道材料型裂缝主要是由温度及收缩原因引起的，为了有效防止裂缝的产生，采取切实有效的措施降低温差裂缝是极其重要的。
2.1 水泥选择。由于温度是由于水泥在遇水后产生的水化热所致，为了减少温度差尽量降低水化热是关键。降低水化热的核心是采用早期水化热低的水泥。由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数关系，要降低水泥的水化热关键是选择适宜的矿物组成和调整水泥颗粒的细度模数，现在硅酸盐水泥的矿物组成主要是：C3S.C2S.C3A和C4AF，试验表明水泥中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）的含量高水化热也高，所以为了降低水泥的水化热，必须降低熟料中：C3A和C3S的含量。在施工过程中的控制在水泥选用时，一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥。同时在不影响水泥活性的情况下，要尽量选择使用细度适当较小的水泥，因为水泥的细度会直接影响水化热的放热速度，试验资料显示水泥表比面积每增加100cm2/g时，其1d的水化热增加17～21J/g，7d和21d均增加4～12J/g。
2.2 掺加粉煤灰，为了减少水泥用量，主要是降低水化热和施工所需要的和易性，近年来所采取的措施是掺加一定量的粉煤灰代替水泥，以达到综合效益目的。
由于粉煤灰中含有一定的硅.铝氧化合物，其中二氧化硅含量在40～60%，三氧化硅含量在18～35%，这些硅.铝氧化合物可以与水泥的水化产物进行二次反应，是其活性的来源，可以取代部分水泥，从而降低水泥用量，也是在不影响强度前提下降低水化热。同时因粉煤灰的颗粒较细，能够参于二次反应的界面相应增加，在混凝土中分散比较均匀；另外因粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔隙结构，使混凝土中的总孔隙率降低，孔隙结构更加细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加密实，相应收缩率也减少。
需要说明的是，由于粉煤灰的比重比水泥要小，在浇筑振捣过程中比重小的粉煤灰会容易浮在混凝土的表面，造成上层混凝土中总孔隙率的降低，表面容易出现塑性裂缝，因此，粉煤灰的掺量要适宜，必须根据工程结构实际进行试配而确定用量。
2.3 粗细骨料的选择，粗骨料尽量扩大其粒径，因为粗骨料的粒径越大，级配越好则孔隙率越小，总表面积也越小；每立方体用水泥砂浆量和水泥用量就越少，水化热也随即降低，对防止裂缝的产生有利。
细骨料：宜选择级配良好的中砂或中粗砂，最好还是用中粗砂较宜。因为其孔隙率最小，总表面积也小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热也低，裂缝会减少。另外由于要控制砂的含泥量，因含泥量越大则收缩变形量也大，裂缝产生更加严重。因此，对于细骨料的含泥量不要超过2%为宜。 2.4 外加剂选择，混凝土外掺合料可以减少其收缩开裂，其不同外加剂的影响因素是：⑴减水剂对混凝土的影响：减水剂的主要作用是改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时能减少水泥用量，而水灰比的降低和水泥用量的减少，对防止裂缝是极其必须的；⑵缓凝剂对混凝土的影响：缓凝剂的主要作用是延缓混凝土释放水化热峰值的出现时间，由于混凝土的强度会随着龄期的增加而提高，所以，延缓放热峰值出现时混凝土已经有了一定的强度，从而减少裂缝产生的机率；另外改善拌和物的和易性，减少拌和物在入模前的坍落度损失；⑶引气剂对混凝土的影响：引气剂在混凝土的应用对改善混凝土的和易性，可泵性和提高耐久性十分重要。在很大程度上增大混凝土的抗裂性能。需要特别引起关注的是外加剂的掺量不能过多，否则会引起负面影响。还要重视同水泥的相容性问题。在外加剂应用规范GB8076中规定，掺有外加剂的混凝土28d的比不得大于135%，即掺有外加剂的混凝土收缩比基准混凝土的收缩不得大于35%。
3 施工过程的质量控制
3.1 混凝土的拌制控制。無论是集中搅拌商品混凝土，还是现场自行搅拌的混凝土，在混凝土的拌制过程中，必须严格控制原材料的计量，同时必须严格控制混凝土的出机坍落度。要尽量降低混凝土拌合物的出机口温度，拌合物的降温可以采取的措施是：送冷风对拌和材料冷却，还可以采取加冰块方法降温。
3.2 混凝土的浇筑控制，混凝土的浇筑过程控制，浇筑过程中必须分层进行并分层振捣。振捣时间以每个振点振至表面不再向上泛浆为止，此时振动棒慢慢拔出无孔穴；插入振动棒间距要均匀，振动力波及范围以重叠1/2为宜。浇筑完毕后表面必须刮平抹压，以防止表面产生裂缝。要重视上下层混凝土的结合，避免纵向形成施工缝，提高结构整体性和抗剪能力。对浇筑时间进行控制，尽量避免在太阳辐射最高阶段浇筑混凝土，采取早晨及避开中午时间浇筑。还要对拆摸时间严格控制，落实养护条件及方法，必须充分补充水分使结构件充分水化，尤其是立面更是养护的薄弱环节。对于构件的拆摸时间严格按规范规定执行，不允许提前拆除模板。
3.3 做好表面隔热保护。对于体积较大混凝土的温度裂缝，主要是由于内外温差过大而引起。混凝土浇筑后由于内部散热缓慢，会形成内外温差梯度，表面温度低产生收缩受到内部约束产生的拉应力，但是这种拉应力通常比较小，不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。此时如果受到冷空气的浸入，使表面降温速度过快很容易造成裂缝的产生，所以在混凝土拆除模后，特别是在低温季节，拆除模后要立即采取保温措施。目的是防止降温过快而产生收缩裂缝。按照施工及验收规范要求，当环境温度在5d连续为5℃时。在养护期间的混凝土必须进行保温保护。
3.4 混凝土的养护，混凝土在浇筑完成后，应随即对表面覆盖塑料薄膜进行防止水分蒸发的保护，并在8h以内表面洒水保湿养护。这样及时覆盖既隔断了外界高温的浸蚀，又防止水分流失干缩裂缝的产生，促进混凝土可以正常进行水化。建筑房屋工程的养护时间多数在7d左右，而水工结构构筑物的养护时间为28d。
3.5 通水冷却降温，如果是在高温季节浇筑混凝土，则要在初期采取通制冷水来降低混凝土最高温度峰值，需要注意的是通水时间不能过长，因为时间过长会造成降温幅度过大而引起较大温度应力。为了削减内外温差，在夏未秋初进行中期通水冷却，中期通水冷却用自来水方便适宜，达到降温不产生裂缝目的。
综上浅述，大体积混凝土的裂缝是困扰业内专业人士的一个学术难题，也是一个必须认真解决的大问题。通过工程应用的分析总结，大体积混凝土的材料型裂缝主要还是由于温度应力和混凝土收缩引起的，从大量工程应用实践及经验分析，在构造设计上精心考虑，对原材料认真选择，在施工中采取合理的方法及控制措施，同时过程中的监督管理也是一个重要环节，只有层层严格工序管理，才能有效预防裂缝的产生和发展。
参考文献
1 王宗昌.建筑工程施工质量控制与防治对策.北京：中国建筑工业出版社，2010.7
【关键词】 大体积混凝土；裂缝成因；温度收缩；预防措施
【中图分类号】 TU375 【文献标识码】 A 【文章编号】 1727-5123（2013）05-067-02
大体积混凝土已经成为大型基础设施及各类建筑工程最重要的结构形式，传统意义上的大体积混凝土，一般理解为尺寸体积大的建筑结构体。如美国混凝土学会给出的大体积混凝土定义是：任何现澆混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度的减少开裂影响的，即称作大体积混凝土。在这里重点提出了混凝土的开裂问题，而开裂问题是工程建设中带有普遍性的技术难题。结构体裂缝一旦产生，尤其是大型基础的贯穿性裂缝出现在重要部位，其危害是严重的。会严重降低结构的耐久性，削弱降低其承载力，同时会危机到建筑物的正常使用。对此，如何采取切实有效的技术措施，防止大体积混凝土的开裂，是一个多年来十分重要的关键性技术问题。
1 大体积混凝土裂缝形成的一般原因
从建筑结构特征分析，裂缝形成的一般原因总的可分为两类：即结构型及材料型裂缝。结构型裂缝是由外部荷载引起的，包括常规结构计算中的主要应力及其它的结构次应力所造成的受力裂缝。其次是材料本身的裂缝，是由非受力变化引起的，主要是由于环境气候的变化即温差应力和混凝土收缩引起的开裂。在此主要探讨材料本身的裂缝。
1.1 温度应力产生的裂缝。现在对温度应力产生的裂缝一般认为是由温差产生的应力造成的。温差可以分为3种情况：首先在混凝土浇筑初期，在水化过程中产生大量的水化热，由于混凝土是热的不良导体，水化热积聚在混凝土内部不易散发出去，尤其是体积较大混凝土内部温度急聚上升，而结构混凝土外部温度为当时的环境温度，这时形成了内外温差，这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力超过混凝土当时的抗压强度时，就会导致混凝土开裂；另外，在混凝土拆模前后，表面温度降速很快，造成了表面温度骤降，也会产生混凝土开裂； 同样当混凝土内部温度达到最高阶段，热量逐渐散发而降至正常环境温度时，其与最高温度的差值即是内部温差；这3种温差都会造成混凝土的开裂。在这3种温差中，最为重要的是由水化热引起的内外温差影响危害程度最严重。
1.2 收缩引起的裂缝。收缩在很多情况下都会发生，而且有很多种类，常见的有干燥收缩，塑性收缩，自身收缩，及碳化收缩等，在此浅要分析干燥收缩和塑性收缩。
1.2.1 干燥收缩。混凝土硬化后，在干燥的环境中，混凝土内部的水分逐渐析出，内部游离水的减少，使孔隙壁减少压力，引起混凝土由外向内的干燥变形开裂。
1.2.2 塑性收缩。水泥遇水后活性增大，拌和物温度较高，或是在水灰比较低的条件下会加快引起开裂。因为此时混凝土的泌水明显减少，表面大量蒸发的水分不可能得到充分满足，而且混凝土还处于塑性状态，略为出现一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不匀的龟裂缝，当裂缝产生以后，混凝土内部的蒸发会加快速度，使裂缝宽深度进一步劣化。
2 预防裂缝的一般措施
从上述浅要分析中知道材料型裂缝主要是由温度及收缩原因引起的，为了有效防止裂缝的产生，采取切实有效的措施降低温差裂缝是极其重要的。
2.1 水泥选择。由于温度是由于水泥在遇水后产生的水化热所致，为了减少温度差尽量降低水化热是关键。降低水化热的核心是采用早期水化热低的水泥。由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数关系，要降低水泥的水化热关键是选择适宜的矿物组成和调整水泥颗粒的细度模数，现在硅酸盐水泥的矿物组成主要是：C3S.C2S.C3A和C4AF，试验表明水泥中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）的含量高水化热也高，所以为了降低水泥的水化热，必须降低熟料中：C3A和C3S的含量。在施工过程中的控制在水泥选用时，一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥。同时在不影响水泥活性的情况下，要尽量选择使用细度适当较小的水泥，因为水泥的细度会直接影响水化热的放热速度，试验资料显示水泥表比面积每增加100cm2/g时，其1d的水化热增加17～21J/g，7d和21d均增加4～12J/g。
2.2 掺加粉煤灰，为了减少水泥用量，主要是降低水化热和施工所需要的和易性，近年来所采取的措施是掺加一定量的粉煤灰代替水泥，以达到综合效益目的。
由于粉煤灰中含有一定的硅.铝氧化合物，其中二氧化硅含量在40～60%，三氧化硅含量在18～35%，这些硅.铝氧化合物可以与水泥的水化产物进行二次反应，是其活性的来源，可以取代部分水泥，从而降低水泥用量，也是在不影响强度前提下降低水化热。同时因粉煤灰的颗粒较细，能够参于二次反应的界面相应增加，在混凝土中分散比较均匀；另外因粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔隙结构，使混凝土中的总孔隙率降低，孔隙结构更加细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加密实，相应收缩率也减少。
需要说明的是，由于粉煤灰的比重比水泥要小，在浇筑振捣过程中比重小的粉煤灰会容易浮在混凝土的表面，造成上层混凝土中总孔隙率的降低，表面容易出现塑性裂缝，因此，粉煤灰的掺量要适宜，必须根据工程结构实际进行试配而确定用量。
2.3 粗细骨料的选择，粗骨料尽量扩大其粒径，因为粗骨料的粒径越大，级配越好则孔隙率越小，总表面积也越小；每立方体用水泥砂浆量和水泥用量就越少，水化热也随即降低，对防止裂缝的产生有利。
细骨料：宜选择级配良好的中砂或中粗砂，最好还是用中粗砂较宜。因为其孔隙率最小，总表面积也小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热也低，裂缝会减少。另外由于要控制砂的含泥量，因含泥量越大则收缩变形量也大，裂缝产生更加严重。因此，对于细骨料的含泥量不要超过2%为宜。 2.4 外加剂选择，混凝土外掺合料可以减少其收缩开裂，其不同外加剂的影响因素是：⑴减水剂对混凝土的影响：减水剂的主要作用是改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时能减少水泥用量，而水灰比的降低和水泥用量的减少，对防止裂缝是极其必须的；⑵缓凝剂对混凝土的影响：缓凝剂的主要作用是延缓混凝土释放水化热峰值的出现时间，由于混凝土的强度会随着龄期的增加而提高，所以，延缓放热峰值出现时混凝土已经有了一定的强度，从而减少裂缝产生的机率；另外改善拌和物的和易性，减少拌和物在入模前的坍落度损失；⑶引气剂对混凝土的影响：引气剂在混凝土的应用对改善混凝土的和易性，可泵性和提高耐久性十分重要。在很大程度上增大混凝土的抗裂性能。需要特别引起关注的是外加剂的掺量不能过多，否则会引起负面影响。还要重视同水泥的相容性问题。在外加剂应用规范GB8076中规定，掺有外加剂的混凝土28d的比不得大于135%，即掺有外加剂的混凝土收缩比基准混凝土的收缩不得大于35%。
3 施工过程的质量控制
3.1 混凝土的拌制控制。無论是集中搅拌商品混凝土，还是现场自行搅拌的混凝土，在混凝土的拌制过程中，必须严格控制原材料的计量，同时必须严格控制混凝土的出机坍落度。要尽量降低混凝土拌合物的出机口温度，拌合物的降温可以采取的措施是：送冷风对拌和材料冷却，还可以采取加冰块方法降温。
3.2 混凝土的浇筑控制，混凝土的浇筑过程控制，浇筑过程中必须分层进行并分层振捣。振捣时间以每个振点振至表面不再向上泛浆为止，此时振动棒慢慢拔出无孔穴；插入振动棒间距要均匀，振动力波及范围以重叠1/2为宜。浇筑完毕后表面必须刮平抹压，以防止表面产生裂缝。要重视上下层混凝土的结合，避免纵向形成施工缝，提高结构整体性和抗剪能力。对浇筑时间进行控制，尽量避免在太阳辐射最高阶段浇筑混凝土，采取早晨及避开中午时间浇筑。还要对拆摸时间严格控制，落实养护条件及方法，必须充分补充水分使结构件充分水化，尤其是立面更是养护的薄弱环节。对于构件的拆摸时间严格按规范规定执行，不允许提前拆除模板。
3.3 做好表面隔热保护。对于体积较大混凝土的温度裂缝，主要是由于内外温差过大而引起。混凝土浇筑后由于内部散热缓慢，会形成内外温差梯度，表面温度低产生收缩受到内部约束产生的拉应力，但是这种拉应力通常比较小，不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。此时如果受到冷空气的浸入，使表面降温速度过快很容易造成裂缝的产生，所以在混凝土拆除模后，特别是在低温季节，拆除模后要立即采取保温措施。目的是防止降温过快而产生收缩裂缝。按照施工及验收规范要求，当环境温度在5d连续为5℃时。在养护期间的混凝土必须进行保温保护。
3.4 混凝土的养护，混凝土在浇筑完成后，应随即对表面覆盖塑料薄膜进行防止水分蒸发的保护，并在8h以内表面洒水保湿养护。这样及时覆盖既隔断了外界高温的浸蚀，又防止水分流失干缩裂缝的产生，促进混凝土可以正常进行水化。建筑房屋工程的养护时间多数在7d左右，而水工结构构筑物的养护时间为28d。
3.5 通水冷却降温，如果是在高温季节浇筑混凝土，则要在初期采取通制冷水来降低混凝土最高温度峰值，需要注意的是通水时间不能过长，因为时间过长会造成降温幅度过大而引起较大温度应力。为了削减内外温差，在夏未秋初进行中期通水冷却，中期通水冷却用自来水方便适宜，达到降温不产生裂缝目的。
综上浅述，大体积混凝土的裂缝是困扰业内专业人士的一个学术难题，也是一个必须认真解决的大问题。通过工程应用的分析总结，大体积混凝土的材料型裂缝主要还是由于温度应力和混凝土收缩引起的，从大量工程应用实践及经验分析，在构造设计上精心考虑，对原材料认真选择，在施工中采取合理的方法及控制措施，同时过程中的监督管理也是一个重要环节，只有层层严格工序管理，才能有效预防裂缝的产生和发展。
参考文献
1 王宗昌.建筑工程施工质量控制与防治对策.北京：中国建筑工业出版社，2010.7