大体积混凝土温度裂缝的成因及控制措施

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  摘要:为确保大体积混凝土施工质量,除须满足强度等级、抗渗等级,关键要严格控制混凝土在硬化过程中水化热引起的内外温差,防止因温度应力造成混凝土产生裂缝。本文从水泥水化热、内外约束条件、外界气温变化等方面分析大体积混凝土温度裂缝成因,对大体积混凝土温度裂缝控制的材料措施、设计措施和施工措施进行综合叙述。
  关键词:大体积混凝土;温度裂缝;控制措施;养护;温度检测
  1引言
  随着国民经济和施工技术的迅速发展,现代建筑中涉及到大体积混凝土施工也越来越广,如高层建筑基础,大型设备基础、水利水坝等。所谓大体积混凝土,日本建筑学会标准(JASS5)定义为“结构断面最小厚度在80cm以上,同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土,称为大体积混凝土”,而我国《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009定义大体积混凝土为混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土,或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。
  大体积混凝土主要特点是体积大,水泥水化热释放比较集中,内部温度升高比较快。当大体积混凝土内外温差较大时,会使混凝土产生温度裂缝。众多工程实践证明,大体积混凝土施工难度比较大,混凝土产生温度裂缝的几率较多,稍有差错,轻者会影响建筑物的抗渗性能和外观质量,重者还会严重影响建筑结构的安全,甚至造成坍塌事故,从而造成无法估量的损失。所以如何采取有效的措施减少温度差,防止大体积混凝土的温度裂缝,是一个值得非常关注的问题。本文结合大体积混凝土工程的一些实际经验,来探讨大体积混凝土温度裂缝的成因及控制措施,采取各种措施减少和控制温度裂缝的出现,来保证施工质量。
  2大体积混凝土温度裂缝的成因
  大体积混凝土结构的整体性要求高,施工时一般要求一次性整体浇筑。浇筑后,水泥因水化反应引起水化热,由于混凝土体积大,内部与表面散热速率不一样,聚集在内部的水泥水化热不容易散发,混凝土内部温度将显著升高,而混凝土表面则散热较快,与混凝土内部产生较大的溫度差,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力。同时在浇筑初期混凝土的弹性模量和强度很低,对水化热急剧温升引起的变形约束不大,温度应力比较小。随着混凝土龄期的增长,其弹性模量和强度相应提高,对混凝土降温收缩变形的约束越来越强,即产生很大的温度应力,当混凝土的抗拉强度不能抵抗温度应力时,即产生温度裂缝。实践表明,影响大体积混凝土产生温度裂缝的主要因素有:
  2.1水泥水化热的影响
  水泥在水化反应过程中会产生大量的热量。这是大体积混凝土内部温度升高的主要热量来源。由于大体积混凝土截面厚度大,水化热聚集在结构内部不易散发,所以会引起混凝土结构内部急骤升温。试验研究表明,水泥水化热在1~3d内放出的热量最多,大约占总热量的50%左右;混凝土浇筑3~5d内内部的温度最高。混凝土的导热性能较差,浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很低,对水泥水化热急剧温升引起的变形约束不大,温度应力自然也比较小,不会产生温度裂缝。随着混凝土龄期的增长,其弹性模量和强度相应不断提高,对混凝土降温收缩变形的约束也愈来愈强,即产生很大的温度应力,当混凝土的抗拉强度不足以抵抗此温度应力时,便容易产生温度裂缝,这是大体积混凝土产生裂缝的最主要原因。
  2.2内外约束条件的影响
  大体积混凝土一般与地基整体浇筑在一起,当温度变化时会受到地基的限制,因而产生外部的约束应力。当混凝土早期温度上升时,产生的膨胀变形会受到约束面的约束而产生压应力,而此时混凝土的弹性模量很小,徐变和应力松弛却较大,与基层连接也不太牢固,因而压应力较小,但是当温度下降时,则产生很大的拉应力。若产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度,就会出现垂直裂缝。工程实践证明,当混凝土的内外温差小于25℃时,产生温度裂缝的几率就小得多,由此可见,降低大体积混凝土的内外温差和改善约束条件,是防止大体积混凝土产生裂缝的重要措施。
  2.3外界气温变化的影响
  大体积混凝土结构在施工期间,外界气温的变化对防止大体积混凝土开裂有着重要影响。混凝土浇筑温度与外界气温有着直接关系,浇筑温度又影响着混凝土的内部温度。大体积混凝土结构不易散热,其内部温度有的工程竟高达90℃以上,而且持续时间较长。如外界温度下降,特别是气温骤降,会加大混凝土的温度梯度,温差愈大,温度应力也愈大。此时混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,当这个拉应力超过混凝土的抗拉强度时,大体积混凝土的表面就会出现裂缝。
  3控制大体积混凝土温度裂缝的措施
  大体积混凝土的施工技术要求较高,特别在施工中要防止混凝土因水化热而引起的温度差。在施工时,必须从原材料的选择、设计、施工技术、养护、温度检测等有关环节做好充分的准备工作,才能防止大体积混凝土温度裂缝的产生。
  3.1原材料的选择
  3.1.1优选水泥
  由于温差主要是由水化热产生的,所以为了减小温差就要尽量降低水化热,为了降低水化热,优先采用水化热较低的中热或低热水泥、矿渣水泥、粉煤灰水泥,由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数,要降低水泥的水化热,主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数。试验表明:水泥中铝酸三钙(C3A)和硅酸三钙(C3S)含量高的,水化热较高,所以,为了减少水泥的水化热,必须降低熟料中C3A和C3S的含量。表一列出了普通硅酸盐水泥和矿渣水泥的水化热测试结果,表明矿渣水泥水化放热量较低,这将非常有利于减少大体积混凝土内部温度的上升。另外,在不影响水泥活性的情况下,要尽量使水泥的细度适当减小,因为水泥的细度会影响水化热的放热速率。
  3.1.2优选粗细集料
  保证在满足强度和施工性的前提下,采用尽量低的砂率,使混凝土中有足够的粗骨料。一定的粗骨料含量,可以有效的改善混凝土的抗裂能力;在保证混凝土级配正常的情况下,应尽量增大粗细集料粒径,可减少用水量,相同水灰比的情况下,减少了水泥用量,有利于减少水化热的产生;同时,应严格控制粗细集料的含泥量,如粗细集料的含泥量过高,不仅增加了混凝土收缩,同时又降低了混凝土的抗拉强度,对混凝土的抗裂十分不利。
  3.1.3掺加粉煤灰
  掺加粉煤灰可降低水泥用量,减少大体积混凝土的水化热温升。众所周知,粉煤灰与水泥水化产物发生“二次水化反应”,粉煤灰的火山灰反应较水泥水化迟缓,从而使体系的发热速率降低,使水泥的水化热在一定程度上延缓释放,这对大体积混凝土的温控极为有利。
  3.1.4掺加缓凝型高效减水剂
  缓凝型高效减水剂有效延缓水化热的释放,降低水化热放热峰值,使混凝土水化热释放趋于平缓,避免中心部位混凝土温度急剧上升导致温差增大。缓凝型高效减水剂的掺入,可大大减缓水泥的水化放热速率,有利于混凝土的温控,这对大体积混凝土温度的均匀性是非常有利的。
  3.1.5掺加膨胀剂
  可采用膨胀剂来控制混凝土裂缝的产生。膨胀剂具有膨胀作用,可通过补偿混凝土收缩有效防止混凝土裂缝的产生和扩展,增进混凝土的密实度,提高抗渗性能。
  3.2设计优化措施
  3.2.1精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽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(掺高效减水剂和高效引气剂)高(粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉值的抗裂混凝土。
  3.2.2增配构造筋提高抗裂性能。配筋采用小直径、小间距。
  3.2.3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。
  3.2.4合理设置伸缩缝和沉降缝,以避免结构超长束缚混凝土变形而引起开裂。
  3.3施工技术措施
  3.3.1控制混凝土入模温度。为了降低大体积混凝土的总温升,减少结构的内外温差,控制混凝土的入模温度是非常重要的措施。入模温度的高低,与出机温度密切相关,另外还与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有关。
  3.3.2采用推移式连续浇筑。在混凝土浇筑时采用“分层浇筑、分层振捣、一个斜面、一次到顶”的推移浇筑法。分层浇筑易于混凝土的振捣,且混凝土的暴露面少,有利于降低基础底板混凝土的最高温升,分层厚度宜控制在50cm左右;利用混凝土自然流淌形成的斜面的浇筑方法,能较好的适用泵送工艺,提高泵送效率,简化混凝土的泌水处理,保证上下层混凝土浇注不超过初凝时间。
  3.3.3泌水处理和表面处理。①、在混凝土浇筑过程中须采取有效措施排除表面泌水,提高混凝土质量,减少表面裂缝。②、浇筑混凝土的表面处理也是减少表面裂缝的重要措施。由于泵送混凝土表面的水泥浆较厚,在混凝土浇筑后,先用长刮尺按标高刮平;在初凝前用铁滚筒碾压数遍,并用木楔打磨压实;终凝前再用盘圆磨光机压光一遍,以闭合收缩裂缝,以防止混凝土表面裂缝。
  3.3.4二次振捣提高混凝土的极限拉伸值。大量现场试验证明,对浇筑后的混凝土进行振捣,能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙,提高混凝土与钢筋的握裹力,防止因混凝土沉落而出现的裂缝,减少混凝土内部微裂,增加混凝土的密实性,可使其抗压强度提高,从而提高其抗裂性。
  3.3.5混凝土的养护。养护是大体积混凝土施工中一项十分关键的工作。大体积混凝土浇筑完成后,加强其表面保温、保湿养护,对防止混凝土的内外温差,防止出现表面裂缝有重要的作用。大体积混凝土的养护阶段防止温度裂缝的措施主要有:①浇筑后2h采用塑料膜对表面覆盖,可有效增加混凝土的表面温度,减少温度差;②混凝土浇筑后,应在终凝后两小时开始进行带水养护,养护期14天以上;③冬季施工时,在结构外露的混凝土表面以及模板外側覆盖保温材料,在缓慢的散热过程中,使混凝土获得必要的强度,以控制混凝土的内外温差小于25℃。为盖一层塑料薄膜和一层3cm厚的防水岩棉被对大体积混凝土进行保温养护。
  3.3.6温度检测。要对大体积混凝土进行有效的温度控制,就必须进行科学检测。设置测温点,以便了解内外温差的数据,及时采取相应措施,以保证温度控制的准确性。大体积混凝土测温工作在混凝土浇灌开始进行,7d内每2h测试一次,7d后每4h测试一次,测温天数30d,在浇筑混凝土前预埋温度传感片和测温仪,一般布置上中下三个混凝土内部测温点,从浇筑开始测温,浇筑完后,根据温控指标,及时调整保温、保湿等养护条件。
  大体积混凝土温度检测应注意以下几点:
  ①混凝土的内部温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的温差均应小于20℃。
  ②测温工作24h连续进行,专人负责,认真记录所测数据,并由施工现场人员配合,以保证测温工作顺利进行。
  ③测温工作应连续进行,直至温度变化满足控制要求范围后,方可停止测温。
  ④测温时,若发现混凝土内部最高温度与表面温度之差达到25℃或温度异常,应及时采取措施控制温差。
  4结论
  大体积混凝土施工中的主要问题是水泥的水化热使结构产生温度和收缩变形,由此导致产生有害裂缝,因此大体积混凝土施工中的主要任务是控制混凝土温度裂缝,提高混凝土的抗渗、抗裂、抗侵蚀能力,提高结构的耐久年限。实践证明,在优选混凝土原材料、优化设计、改善施工工艺、加强施工过程控制、做好温度检测工作及加强混凝土养护等方面采取有效的措施,完全可以控制和减少大体积混凝土裂缝的产生,从而保证施工质量。
  
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