大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)研究

張 濤

(廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州 510000)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是較為普遍的現(xiàn)象?；炷劣捎谄錅囟鹊淖兓a(chǎn)生變形，這種溫度變形受到混凝土內(nèi)部和外部約束的影響，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，尤其是拉應(yīng)力，是大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫的原因。溫度應(yīng)力引起的裂縫具有裂縫寬、上下貫通的特點(diǎn)，對結(jié)構(gòu)的防水性能、承載能力以及工程耐久性等都會產(chǎn)生很大的影響，這也是降低結(jié)構(gòu)的耐久性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要原因［2］。高強(qiáng)度大體積混凝土的裂縫控制一直都是一項(xiàng)國際性的技術(shù)難題。本文將對大體積混凝土溫度裂紋的產(chǎn)生及控制進(jìn)行研究。

1 影響大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的因素

1.1 水泥的水化熱反應(yīng)

水泥的水化反應(yīng)過程中會釋放大量的熱，根據(jù)研究普通硅酸鹽水泥水化的熱量大部分在3d～7 d內(nèi)放出。混凝土是熱的不良導(dǎo)體，結(jié)構(gòu)內(nèi)的熱量不易發(fā)散，熱量在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)積聚，從而引起混凝土內(nèi)部溫度的持續(xù)上升，造成混凝土內(nèi)部和結(jié)構(gòu)表面較大的溫度梯度，外部較冷的混凝土受到內(nèi)部溫度高的混凝土的約束，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，從而在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

1.2 外部環(huán)境條件和混凝土入模溫度

外部環(huán)境是影響控制大體積承臺溫度裂縫的重要因素，大氣環(huán)境的溫度、承臺表面的大氣流動、承臺模板的材質(zhì)等都會影響溫度裂縫的出現(xiàn)。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的施工過程中，外界大氣溫度越高，混凝土的澆筑溫度也就越高，從而導(dǎo)致澆筑后混凝土結(jié)構(gòu)中心的溫度也越高。如果在混凝土澆筑后，外界大氣溫度下降，從而造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外較大的溫差，形成較陡的溫度梯度，在混凝土內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，造成混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。所以，需要通過措施降低大體積內(nèi)部和表面的溫差，以減少溫度裂縫，達(dá)到溫度裂縫控制的目標(biāo)。

1.3 混凝土的收縮與徐變

水泥在水化的過程中，混凝土?xí)a(chǎn)生體積的變化，對于普通水泥混凝土，大多數(shù)屬于收縮變形。混凝土中存在大量的空隙和孔隙，在這些空隙中存在大量的水，水泥水化反應(yīng)只需要少量的水，而空隙中多余的水分被蒸發(fā)則會引起混凝土的體積的收縮。若是混凝土的收縮變形被約束，則會引起混凝土中的應(yīng)力，從而引起混凝土的開裂?；炷恋氖湛s變形的機(jī)理較為復(fù)雜，且在很大的程度上具有可逆性，若混凝土收縮后再次處于水飽和的狀態(tài)，則可以恢復(fù)膨脹并達(dá)到原來的體積。故干濕交替的環(huán)境則會引起混凝土體積的交替變化，對混凝土裂縫的控制很不利。

混凝土在長期持續(xù)應(yīng)力的作用下，在應(yīng)力不變的情況下，混凝土的應(yīng)變會隨時(shí)間而持續(xù)增長的特性稱為徐變?；炷恋男熳兒退沙谝矔炷亮芽p產(chǎn)生影響。

1.4 約束條件

混凝土的變形受到約束，是混凝土內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力及裂縫的原因?；炷两Y(jié)構(gòu)的約束可分為內(nèi)約束和外約束，約束條件的強(qiáng)弱是影響混凝土內(nèi)溫度裂縫的重要因素。大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)約束是混凝土內(nèi)部約束，一般是由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部各個(gè)部分的溫度不同，引起混凝土的變形量不同，由于材料的連續(xù)性引起混凝土產(chǎn)生的相互約束。而外約束一般是外界條件對大體積混凝土結(jié)構(gòu)的約束，如地基對混凝土承臺的約束等。在施工過程中，改善外界條件對大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的外部約束條件是減少大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的有效方法之一。

2 大體積混凝土溫度裂縫的控制

2.1 混凝土配合比及材料選擇

合理的選擇材料，選用大體積混凝土結(jié)構(gòu)配合比使得混凝土具有較大的抗裂能力，是防止溫度裂縫出現(xiàn)的有效措施。

2.1.1 水泥的選擇

水泥的水化熱的多少是影響混凝土溫升的主要因素，在大體積混凝土中宜選用初期水化熱較低的水泥。在保證設(shè)計(jì)條件的情況下應(yīng)盡量減少混凝土中的水泥用量。

2.1.2 粗集料及細(xì)集料

級配好的粗集料的比面積小，空隙小。選用級配好的粗集料的混凝土其抗壓強(qiáng)度高，用水量少，節(jié)約了水泥的用量，降低了混凝土的絕熱溫升。因此大體積混凝土應(yīng)選用最大粒徑的級配較好的粗集料。

混凝土的砂率是細(xì)骨料占骨料總量的百分?jǐn)?shù)。砂率高則混凝土中的粗骨料較少，這對混凝土的抗裂性能是極為不利的。實(shí)驗(yàn)證明，砂率對混凝土拌合物的和易性有很大影響。當(dāng)采用泵送混凝土?xí)r，如果混凝土的坍落度較低、混凝土中細(xì)骨料所占比例較低，則在混凝土澆筑時(shí)容易產(chǎn)生流動性不足，增加堵塞泵送管道的幾率。所以，在保證混凝土泵送的流動性和坍落度的條件下應(yīng)盡可能的降低混凝土的砂率?；炷林械募?xì)骨料應(yīng)優(yōu)先選用中粗砂。低砂率的混凝土材料與高砂率的混凝土材料相比，在混凝土凝結(jié)初期具有更好的防裂性能，故采用較低砂率的混凝土材料可以有效的減少混凝土內(nèi)溫度裂縫的數(shù)量，減小裂縫的寬度。

2.1.3 摻用粉煤灰

混凝土中摻加一定量的粉煤灰，其不僅可以改善混凝土的和易性，還可以改善混凝土的干縮性和脆性，減少混凝土中的水泥的用量。在大體積混凝土中摻加粉煤灰可以有效的降低混凝土的水化熱，且具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益［3］。但其摻量不宜過大，否則會出現(xiàn)混凝土早期強(qiáng)度過低，低溫泌水率過大的問題。

2.1.4 摻用外加劑

泵送混凝土需要混凝土具有較高的坍落度和流動性，而坍落度和流動性較高的混凝土其抗裂性往往較差，故大體積混凝土結(jié)構(gòu)物選用泵送混凝土應(yīng)在滿足最小坍落度要求的條件下盡可能降低水灰比。減水劑在混凝土保持配合比不變的情況下可以大幅度的提高混凝土的坍落度。大體積混凝土常用M型減水劑作為外加劑，其可以在保持混凝土抗壓強(qiáng)度和坍落度不變的情況下，節(jié)約水泥用量，降低水化熱，延長水化熱的釋放速度，對混凝土具有緩凝的作用，降低了大體積混凝土施工過程中出現(xiàn)溫度裂縫的可能性。

在大體積混凝土中摻加膨脹劑，使得混凝土在凝結(jié)時(shí)產(chǎn)生膨脹，由于混凝土的內(nèi)外約束，而在混凝土內(nèi)產(chǎn)生壓應(yīng)力來抵消混凝土干縮和冷縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而在一定程度上防止了混凝土結(jié)構(gòu)的開裂。

2.1.5 優(yōu)化配合比

提高混凝土材料的抗裂性能，減少混凝土的絕熱溫升是大體積混凝土配合比優(yōu)化的目的。對于泵送混凝土，在滿足混凝土設(shè)計(jì)要求和泵送的坍落及流動性的條件下，最大程度的減小混凝土中水泥的用量，降低混凝土的砂率，控制混凝土中的含泥量是減少大體積混凝土結(jié)構(gòu)物溫度裂縫的有效措施。

2.2 大體積混凝土承臺施工過程中的控制

2.2.1 合理選擇施工工藝

大體積混凝土結(jié)構(gòu)物體積過大時(shí)，為了避免熱量積聚在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，降低水化熱，方便振搗混凝土，保證其澆筑質(zhì)量，常采用分層或分段澆筑的方法。

2.2.2 控制混凝土澆筑溫度

混凝土的澆筑溫度越高，混凝土澆筑后內(nèi)部所達(dá)到的最高溫度也越高，則會造成大體積混凝土內(nèi)部和表面的溫差變大，使混凝土的表面開裂。降低混凝土的澆筑溫度是在施工過程中控制混凝土溫度裂縫的有效手段。影響混凝土澆筑溫度的因素有:混凝土的出機(jī)溫度、運(yùn)輸途中混凝土的溫度變化、泵送過程中混凝土的溫度升高等。降低砂石的溫度是降低混凝土出機(jī)溫度的有效方法，夏季施工可對砂石采用覆蓋、避免陽光直射、用冷水沖淋等方式來降低砂石的溫度。必要時(shí)還可用加冰水為拌合水來降低混凝土的出機(jī)溫度。在運(yùn)輸?shù)倪^程中可以采取在運(yùn)輸車的儲藏罐上噴淋冰水，在泵送管道上覆蓋草席淋灑冰水可以有效的降低混凝土在運(yùn)輸過程中的升溫，保證混凝土的澆筑入模溫度。

2.2.3 加強(qiáng)混凝土初期養(yǎng)護(hù)

大體積混凝土由于其本身溫度控制的要求，降低了混凝土中水泥的用量，摻加具有緩凝效果的減水劑等使得大體積混凝土初期強(qiáng)度增長緩慢，其彈性模量的發(fā)展也相應(yīng)的增長緩慢。如果初期養(yǎng)護(hù)措施不到位，則極易出現(xiàn)裂縫。對于大體積混凝土的初期養(yǎng)護(hù)，主要在于保溫和保濕。混凝土內(nèi)外溫差所造成的溫度梯度引起的應(yīng)力是造成混凝土表面裂縫的主要原因之一，故在澆筑混凝土后應(yīng)及時(shí)采取保溫措施以降低結(jié)構(gòu)物內(nèi)外溫差，減少混凝土表面的裂縫?；炷恋氖湛s也是混凝土表面產(chǎn)生細(xì)小裂縫的主要原因，為防止混凝土水分過快的散失產(chǎn)生干縮裂縫，避免混凝土結(jié)構(gòu)外界環(huán)境的干濕交替，應(yīng)在混凝土澆筑后，及時(shí)的采取保濕措施，防止干縮裂縫的出現(xiàn)。

2.3 大體積混凝土承臺溫度監(jiān)控

利用管冷降低混凝土內(nèi)部的溫度是目前大體積混凝土現(xiàn)場溫度控制的主要措施。其主要通過循環(huán)管道內(nèi)的低溫水進(jìn)行熱交換，來降低水化熱引起的溫度上升。在管冷的使用中，應(yīng)采用較大的流量，使得冷卻水在管內(nèi)產(chǎn)生紊流，如果管內(nèi)流量較小，冷卻水在管內(nèi)發(fā)生的是層流，則會降低冷卻的效果。冷卻水的溫度越低，與周圍混凝土的溫差越大，則其冷卻效果越好。但當(dāng)冷卻水與混凝土的溫差過大，則會在水管周圍的混凝土中產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，故冷卻水與混凝土的溫度差不應(yīng)過大，通常將冷卻水與混凝土的溫差控制在25℃以內(nèi)。同時(shí)，應(yīng)安排專人對承臺混凝土的內(nèi)外溫度進(jìn)行監(jiān)控，以便及時(shí)的調(diào)整溫控措施，控制混凝土的降溫速率不宜過快。

3 結(jié)語

1)對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在混凝土澆筑的過程中，水泥的水化反應(yīng)造成混凝土內(nèi)部熱量的積聚，混凝土由于其溫度的變化而產(chǎn)生變形，這種溫度變形受到混凝土內(nèi)部和外部約束的影響，產(chǎn)生了較大的應(yīng)力，尤其是拉應(yīng)力，是大體積承臺的溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因。溫度裂縫對大體積混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性產(chǎn)生了不利的影響，對大體積混凝土的裂縫控制的研究是有必要的。

2)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理較為復(fù)雜，水泥水化的放熱速率、外部環(huán)境和約束情況，混凝土的澆筑溫度，混凝土的收縮和徐變的性能等都是影響大體積混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布情況和溫度裂縫產(chǎn)生的因素。

3)合理的選擇混凝土的原材料，合理的設(shè)計(jì)混凝土的配合比，降低混凝土中的水泥用量，增強(qiáng)混凝土的抗裂性能，可以有效的避免大體積結(jié)構(gòu)物溫度裂縫的出現(xiàn)。

4)選擇合理的分層和分塊澆筑方式，控制混凝土的澆筑溫度，加強(qiáng)混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)，可以有效的減少大體積結(jié)構(gòu)物溫度裂縫的產(chǎn)生。

5)管冷降低混凝土內(nèi)部的溫度是目前大體積混凝土現(xiàn)場溫度控制的主要措施。加強(qiáng)對大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的監(jiān)控，及時(shí)的調(diào)整溫控措施，可以有效的減少溫度裂縫的出現(xiàn)。

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