一、裂縫產生的原因
(一)溫度引起的裂縫
大體積砼由溫度引起的裂縫有兩種情況:一是由于砼本身在硬化過程中內外溫差較大引起的,砼結構在硬化過程中水泥放出大量水化熱,大體積砼內部因散熱慢而溫度不斷上升,從而使砼表面和內部產生較大溫差,內部砼膨脹,而外部砼經散熱溫度降低而產生收縮,形成裂縫。這種溫差一般僅在表面處較大,離開表面就很快減弱,因此裂縫只在接近表面的范圍內發生,表面層以下結構仍保持完整。二是由于環境溫度的變化引起的,根據砼熱脹冷縮的性質,在溫度下降后砼必將產生收縮而產生拉應力,當拉應力超過砼本身的抗拉強度設計值時將產生裂縫。
(二)干縮引起的裂縫
砼的干縮裂縫是由于砼中水分蒸發而引起的。當砼在空氣中硬化時,其中的水分會逐漸蒸發,使水泥中的膠凝體逐漸干燥而產生收縮,從而產生干縮裂縫。在砼受到某種約束的情況下,干縮變形會出現較大的拉應力,特別是在初凝階段,由于砼抗拉強度十分低,容易引起砼開裂。
(三)荷載作用引起的裂縫
在荷載作用下,當構件截面產生拉應力時,會引起構件拉伸變形,當拉應力超過砼本身的抗拉強度設計值時將產生裂縫。此類裂縫由于在設計規范里有明確的規定,因此在設計時設計人員都會采取措施進行控制。
二、大體積混凝土裂縫的防控措施
從大體積混凝土裂縫產生的原因可以看到,大體積混凝土的開裂,主要原因是混凝土所承受的拉應力大于混凝土本身的抗拉強度的結果。抗拉強度主要決定于混凝土的強度等級及組成材料,要保證抗拉強度關鍵在于原材料的優選和配合比的優化上。針對以上裂縫形成的原因過程,我們可以從以下幾點進行控制。
(一)水泥品種的選擇
水泥水化產生的水化熱是混凝土升溫的主要熱源。結構工程的大體積混凝土,最好采用礦渣水泥,其早期強度低,由于水化膠凝數量不斷增加,水泥石強度也隨之增加,最后可能超過同強度等級的普通硅酸鹽水泥,充分利用混凝土的后期強度。在設計時砼強度等級不宜過高,在滿足承載力和防水要求的條件下,宜在C25-C35的范圍內選用,如果砼強度等級過高,水泥用量過多,砼硬化過程中水化熱高,收縮大,就容易引起裂縫。水泥宜優先采用水化熱低、水化熱不集中的品種,如礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥或復合水泥。
(二)優化配合比
為了控制升溫,避免溫度裂縫,可以采用兩種措施:一方面在滿足強度和耐久性的前提下,盡量減少水泥用量。另一方面,配合比的設計應以f60或f90作為強度指標,延緩混凝土的熱峰值。
(三)外加劑與礦物摻合料的選擇
1、大體積混凝土中應摻加緩凝型高效減水劑。緩凝劑可以使水泥的水化熱釋放速度減慢,有利于混凝土熱量的散失,使內部溫升降低,避免溫度裂縫產生。
2、在大體積混凝土中摻入礦物摻合料(粉煤灰、礦渣等)不僅可以減少水泥用量,而且還可以延長混凝土的凝結時間,有利于混凝土熱量的消散,同時改善混凝土的和易性和降低水化熱,從而減小混凝土內外溫差引起的拉應力。
(1)增加粉煤灰摻量:在砼中摻加粉煤灰能有效改善砼的黏塑性,并可代替部分水泥,減少砼的用水量和水泥用量,減少水化熱(當摻量為水泥用量的15%時,可降低水化熱約15%),還可減少砼中的孔隙,提高密實度和強度,提高抗裂性。一般情況下,粉煤灰的摻量約為水泥用量的15%-30%。
(2)摻入適量有微膨脹組分的外加劑
在砼中摻入適量的膨脹劑,能有效補償一部分砼的收縮從而控制或避免砼的收縮開裂,目前我國生產的膨脹劑品種很多,如UEA、ZY、SY、CAS、HCAS等。以ZY為例,將6~8%(替換水泥用量)的ZY加入到普通砼中,拌水后生成大量的膨脹性結晶水化物水化硫酸鈣,使砼產生適度膨脹,在鋼筋和鄰位的約束下,改變了砼內部的應力結構,在砼結構中建立0.2~0.7Mpa的預壓應力,這一壓應力可大致抵消砼硬化過程中收縮產生的拉應力,從而避免或大大減輕砼結構的開裂。
(四)控制集料級配和含泥量
大體積混凝土結構工程應優先選用連續級配的粗骨料,在施工條件允許的情況下,盡可能選用粒徑較大、級配良好的石子。這樣可以減少用水量和水泥用量,有效的降低混凝土的溫升。
細集料應采用細度模數為2.6~2.9之間的中、粗砂,過細時用水量和水泥用量增加,過粗時混凝土和易性不好,不利于大體混凝土的施工。
含泥量是影響混凝土質量的最主要因素,含泥量過大直接影響混凝土的強度、干縮、徐變、抗滲性、抗凍融、耐磨損及和易性。尤其會增加混凝土的收縮,降低其抗拉強度。因此,大體積混凝土中的粗集料含泥量不得大于1%,細集料含泥量不得大于2%。
(五)確定混凝土的施工工藝
大體積混凝土的澆筑可以根據結構特點的不同采用不同的澆筑方法,如全斷面分層澆筑、分段分層澆筑、和斜面分層澆筑。預埋冷水管,用循環水降低大體積混凝土的溫度,進行人工導熱,降低溫差。并應及時清除混凝土表面的泌水,在混凝土初凝前進行二次抹壓處理,減少干縮裂縫的出現。
施工時應加強插筋位置的振搗、抹壓、養護。由于鋼筋是熱的良導體,易產生大的溫度梯度,這是裂縫產生的一個主要環節。同時加強初凝前的抹壓,以消除初期裂縫。
(六)混凝土的養護及溫控
采取合理的養護措施是預防大體積砼澆筑后開裂的重要措施。砼澆筑后,應盡快回填土(土是砼最好的養護材料之一),目前這是砼保溫保濕養護的最有效方法,對預防砼裂縫是非常有益的。如采用蓄水法保溫養護,在混凝土施工期間可通入冷卻循環水,以便加快承臺內部熱量的散發。如采用內散外蓄綜合養護措施,可有效降低混凝土的溫升值,且可大大縮短養護周期,對于超厚大體積砼施工尤其適用。
防止大體積混凝土裂縫的主要措施是減小溫度梯度和濕度梯度,充分的養護是保證混凝土不致開裂的必要條件,因此,大體積混凝土每次澆筑完畢后,應設專人負責保溫養護工作及測溫記錄。對混凝土體的里表溫差和降溫速率進行現場檢測,應及時調整保溫和降溫養護措施。使它的里表溫差控制在25℃之內。
(七)提高混凝土極限抗拉強度
從綜合角度考慮,混凝土內部設置必要的溫度配筋,在截面突變等部位設置斜拉構造筋是提高混凝土抗拉強度的有效手段。
在容易開裂的部位配置斜向鋼筋或鋼筋網片,并配置一定數量的抗裂鋼筋,可以顯著提高砼的抗裂性能。在孔洞周邊、斷面轉角處等宜增配斜向鋼筋或鋼筋網片,避免應力集中產生裂縫。
(八)設置后澆帶
施工后澆帶的設置是目前大體積砼設計常用的方法,其主要作用是釋放早期砼硬化過程中的收縮應力,減小砼收縮變形。施工后澆帶寬為0.8~1.0米,間距30米左右,后澆帶宜設在受力較小的部位,一般在跨度的三分之一處,并應避免在大跨度處設置。后澆帶宜在兩個月以后采用強度等級比原設計砼高一級的補償收縮砼進行澆注。澆注時的溫度宜低于主體砼澆筑時的溫度,且宜低于25度。只要條件允許,后澆帶澆注時間應盡量延后,后澆帶砼澆注前應鑿毛并清理干凈,澆注時振搗密實,保濕保溫養護。
(九)降低砼澆注溫度
大體積砼最好選在春秋季施工,以降低澆注溫度,如果在夏季施工最好采取有效措施降低澆注溫度,必要時可采用含有冰塊的水攪拌砼。另外澆筑砼時還可以采用減少裝卸轉運次數、給砼泵搭遮陽棚、在砼泵管上覆蓋濕麻袋等輔助措施來降低砼澆注溫度,最好不要讓砼在太陽下直接爆曬。
三、結束語
總之,大體積混凝土的溫度裂縫通過嚴謹、周密、科學可行的措施是可以避免的。相信大體積混凝土的溫度裂縫也會隨著科學技術的進步、建筑施工水平的不斷提高而變得更加容易解決。