大体积混凝土施工期间的温度裂缝控制

   大体积混凝土由于体积厚大,混凝土的导热系数较小,水泥水化产生的热量不容易散失,内部的温升会很高,从而产生很大的温度应力,导致出现温度裂缝。通过多年的现场观察和相关资料的积累,本文对混凝土温度裂缝产生的原因、现场混凝土温度的控制和预防裂缝的措施进行了阐述。 
  关键词混凝土;温度应力;裂缝;控制 
  所谓大体积混凝土,一般是指现场浇筑的混凝土其尺寸大到必须采取措施以对付水泥水化产生的热量以及伴随发生的体积变化,尽量减少温度裂缝1。在大体积混凝土中,温度应力及温度控制具有重意义。这主是由于两方面的原因。首先,在施工中混凝土常常出现温度裂缝,影响到结构的整体性和耐久性。其次,在运转过程中,温度变化对结构的应力状态具有不容忽视的影响。我们遇到的主是施工中的温度裂缝,因此本文主针对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做一阐述。 
  1.裂缝产生的原因 
  根据有关资料,由施工因素造成的混凝土早期裂缝占8%左右,因混凝土材料方面的原因造成的裂缝占15%左右,因设计不当造成的裂缝占5%左右。因此,下面主从施工角度讨论产生裂缝的原因2。 
  1.1违章施工、不当施工造成混凝土裂缝 
  夏季施工时由于运输车交通不畅耽搁时间,在泵车出料时混凝土的经时坍落度损失较大,混凝土的和易性和流动性较差,现场工人人为加水,造成混凝土强度的降低,加水部分的混凝土水灰比和强度与原配合比的混凝土不同造成的凝缩裂缝和干缩裂缝。 
  主结构部位模板支撑不利,或拆模过早造成混凝土内部受振,或者混凝土内部在未达到设计强度时超负荷造成裂缝。 施工时预留孔洞、预埋通风采暖水电管道不引起重视,未采取钢筋加强措施,造成裂缝。混凝土养护工作管理不严,造成混凝土早期强度增长时失水,收缩量大,产生裂缝。 种种原因造成混凝土运输车不能及时到达及时供料,现场浇筑停歇时间超过混凝土终凝时间,而又没有按施工缝处理好接头部位等。 
  1.2振捣方式不当引起裂缝 
  不正确的振捣方式会造成混凝土分层离析、表面浮浆而使混凝土面层开裂,或造成混凝土砂浆大量向低处流淌致使混凝土产生不均匀沉降收缩而在结构厚薄交界处出现裂缝。 
  商品混凝土由于采用搅拌车运输、泵送浇筑,混凝土坍落度比较大,凝结时间比较长,一般混凝土初凝时间都在1小时以上甚至更长,即使在炎热的夏天,在掺了高效缓凝减水剂后,浇捣好的混凝土表面被太阳暴晒,水分蒸发很快,形成一层几毫米厚的“被子”,看上去混凝土似乎己凝结,实际上内部还远未达到初凝,甚至还能流动。我们曾多次用贯入阻力仪测定掺了高效缓凝减水剂的混凝土砂浆在太阳直晒之下的凝结时间,结果初凝时间都在12~16小时。这样的混凝土若不进行二次振捣和多次抹面,混凝土表面不可避免会出现裂缝。开始是浅表性的、窄细的,若不及时处理,裂缝就会扩展,由于应力集中,最终的裂缝很可能是贯穿性的。采用二次振捣可以消除因塑性沉降引起的混凝土内分层,阻断因泌水而留下的连贯通道,改善骨料界面结构,高混凝土强度和抗渗能力;采用二次以上抹面,可以有效高因泌水而削弱的混凝土表面强度,消除“被子”现象,使混凝土因水分蒸发而引起的塑性裂缝及时得到愈合。 
  有人怕二次振捣会影响混凝土强度,实际上对初凝前的混凝土进行二次振捣不仅不会降低强度,反而会使强度高。我们曾做过试验,在进行混凝土试块制作的同时,留出一份试样过三小时后再去做试块,试压结果是三小时后做的试块强度反而高。这就说明由于二次振捣消除了混凝土内分层,改善了骨料界面状况,高了强度。 
  1.3养护不当引起混凝土开裂 
  现场养护不当是造成混凝土收缩开裂最主的原因。 
  混凝土浇筑后,若表面不及时覆盖进行潮湿养护,表面水分迅速蒸发,很容易产生收缩裂缝,特别是在气温高、相对湿度低、风速大的情况下,干缩更容易发生。有资料表明,当风速为16m/s时,混凝土中的水分蒸发速度是无风时的四倍。 
  目前,许多施工现场在浇筑混凝土时都不能做到及时覆盖保温养护,一般总等到最后一遍抹光结束后才覆盖,还有很多工地根本就不予覆盖,结果混凝土表面开裂。正确的做法应该是在第一次抹平后就立即用塑料薄膜覆盖,不让水分蒸发,依靠混凝土自身的水分进行保湿养护。需进行第二次抹光时,揭开薄膜,抹完了再及时盖上。 
  掺加粉煤灰时必须有充分的保水养护才能较好地发挥其功能性,而外加剂如微膨胀剂在反应过程中也需大量的结合水,否则影响其补偿收缩、抵抗裂缝的效果,故养护时保湿工作未做好会导致混凝土的抗裂。 
  对于保湿养护的时间,肯定是越长越好。养护14天的混凝土的收缩比只养护3天的收缩降低约2%。因此,国家验收规范规定混凝土浇筑后的保温养护时间不得少于14天,但由于工程工期的制约,绝大多数施工人员做不到,所以混凝土出现干缩裂缝就在所难免了。 
  2.温度应力的分析 
  2.1根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段 
  (1)早期自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约3天。这个阶段的两个特征,一是水泥放出大量的水化热,二是混凝上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。 
  (2)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,在此期间混凝上的弹性模量变化不大。 
  (3)晚期混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。 
  2.2根据温度应力引起的原因可分为两类 
  (1)自生应力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。例如,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,在中间出现压应力。
  (2)约束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。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。 
  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。 
  想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下,需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,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响,具体计算这里就不再细述。 
  3.温度的控制和防止裂缝的措施 
  为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。 
  3.1控制温度的措施如下 
  (1)采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加入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,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度; 
  (6)施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施; 
  3.2改善约束条件的措施是 
  (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,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,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后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。 
  在混凝土的施工中,为了高模板的周转率,往往求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加拉应力,与水化热应力迭加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值时,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖轻型保温材料,如泡沫海绵等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。 
  加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7~15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过1~2kg/cm2。因此,在混凝土中想利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时,对高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝,其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅,但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。 
  为保证混凝土工程质量,防止开裂,高混凝土的耐久性,正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂,笔者在实践中总结出其主作用为 
  (1)混凝土中存在大量毛细孔道,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,使混凝土干缩变形。增大毛细孔径可降低毛细管表面张力,但会使混凝土强度降低。这个表面张力理论早在六十年代就已被国际上所确认。 
  (2)水灰比是影响混凝土收缩的重因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%。 
  (3)水泥用量也是混凝土收缩率的重因素,掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。 
  (4)减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度,减少混凝土泌水,减少沉缩变形。 
  (5)高水泥浆与骨料的粘结力,高的混凝土抗裂性能。 
  (6)混凝土在收缩时受到约束产生拉应力,当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的高的混凝土抗拉强度,大幅高混凝土的抗裂性能。 
  (7)掺加外加剂可使混凝土密实性好,可有效地高混凝土的抗碳化性,减少碳化收缩。 
  (8)掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当,在有效防止水泥迅速水化放热基础上,避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。 
  (9)掺外加剂混凝土和易性好,表面易抹平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩. 
  许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。 
  4.混凝土的早期养护 
  实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重。 
  从温度应力观点出发,保温应达到下述求 
  1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。 
  2)防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。 
  3)防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。 
  混凝土的早期养护,主目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。 
  适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。 
  从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视起来。 
  5.结束语 
  以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨,虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的,具体施工中靠我们多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,混凝土的裂缝是完全可以避免的。 
  参考文献 
  1 美steven H.Kosmatka,Beatrix Kerkhoff,william C.Panarese著.钱学时等译.混凝土设计与控制M.重庆重庆大学出版社,25372-374 
  2 侯雁南.大体积混凝土裂缝控制及处理措施研究D.山东大学,2748