水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究

网络教育学院本 科 生 毕 业 论 文（设 计）题 目： 水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究 学习中心：奥鹏远程教育福州学习中心层 次： 专科起点本科 专 业： 水利水电工程 完成日期： 2016 年 3 月 18 日 水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究I内容摘要随着我国经济实力的高速提升，大体积混凝土工程数量日益增多，大型水利工程、核电站、桥梁等均应用到大体积混凝土。然而大体积混凝土易于开裂，导致其性能与未开裂混凝土性能差异很大。混凝土渗透反过来又会促使混凝土裂缝的进一步扩大，从而形成恶性循环，对建筑的长期安全和耐久性造成结构破坏。本文在前人的工作基础上，初步分析了水工大体积混凝土裂缝产生的机理和特征。在前人的研究成果实及本人多年施工经验的基础上提出了有效预防及修复措施。最后，结合具体工程实际情况，深入分析混凝土裂缝产生的机理。依据前文所得出的处理原则，提出了合理的解决措施。关键词：水工；大体积混凝土；混凝土裂缝；防止措施水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究II目 录内容摘要 I引 言 11 水工大体积混凝土的应用 31.1 水工大体积混凝土的应用 31.2 大体积混凝土裂缝的危害 31.3 研究课题的提出 42 水工大体积混凝土裂缝产生原因 52.1 温度裂缝 52.1.1 裂缝产生机理 52.1.2 温度裂缝的特征 52.2 收缩裂缝 62.2.1 裂缝产生机理 62.2.2 收缩裂缝的特征 62.3 混凝土所用材料产生的裂缝 72.3.1 裂缝产生机理 72.2.2 裂缝的特征 83 水工大体积混凝土裂缝防治措施 93.1 温度裂缝防治措施 93.1.1 降低原材料温度 93.1.2 埋设冷却水管 93.1.3 及时与严格地开展保温工作 93.1.4 科学合理地分块分层 103.2 收缩裂缝防治措施 103.2.1 掺加外加剂 103.2.2 加入掺合料 103.3 自身因素产生裂缝的防治措施 103.3.1 集料优选 103.3.2 水泥品种优选及用量控制 11水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究III4 雁溪水利工程水工大体积混凝土应用案例分析 124.1 雁溪水利工程简介 124.2 雁溪水利工程水工大体积混凝土应用情况分析 124.3 雁溪水利工程水工大体积混凝土裂缝控制措施 134.3.1 混凝土生产工艺 134.3.2 浇筑方式 144.3.3 养护 144.3.4 施工中的温度控制措施 155 结论与展望 16参考文献 17水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究1引 言随着经济地迅速发展，基础设施建设中大体积混凝土越来越多，工程实践证明，大体积混凝土施工难度比较大，混凝土产生裂缝的机率较多，稍有差错，将会造成无法估量的损失。为了降低经济损失，我们要减少和控制裂缝地出现。混凝土的裂缝问题是一个普遍存在而又难以解决的工程实际问题。大体积混凝土裂缝更是其中的一个令人棘手的普遍难题。裂缝问题也是大体积混凝土施工中最主要的工程问题，它会影响混凝土结构的安全性抗渗性及美观，影响了大体积混凝土地正常使用。大体积混凝土产生裂缝的主要原因虽已基本清楚，即大体积混凝土硬化期间，由于截面尺寸较大，水泥用量多，水泥在水化反应中释放的大量水化热所产生的较大温度变化和混凝土复杂的膨胀收缩的共同作用，会产生较大的温度应力和收缩应力，致使大体积混凝土产生裂缝。但如何完全控制、解决大体积混凝土裂缝，目前尚未有一个明确结论。二十世纪三十年代开始，国内外学者已重视对大体积混凝土应用研究，随着科技发展，学者们对大体积混凝土结构进行了一系列的试验和理论研究，特别是大体积混凝土受温度作用下受损机理。大体积混凝土裂缝的开裂问题，在国外的工程中也相当普遍。自从 90 年代末期，混凝土耐久性的问题提出后，大体积混凝土裂缝的问题引起了人们的注意，国外学者针对这一问题进行不断的研究和总结，取得了不错的控制效果。日本建筑学会标准（JASS5）规定 1：“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” 。美国混凝土学会规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂” 。我们可以从这些定义中看出，大体积混凝土在现实工程中的应用是无法避免开裂的，所以研究大体积混凝土的重点就是研究大体积混凝土开裂的解决办法。我们从国际坝工委员会 1988 年多大坝工作状态的调查报告可以知道：在世界上已经建成的混凝土大坝绝大多数或多或少存在温度裂缝，在遭受灾难性破坏的 243 座混凝土中，就有 30 座是温度问题引起的 2。本文根据多年的施工实践经验及相关理论并结合实际工程就如何控制、解决水工大体积混凝土裂缝问题，从水工大体积混凝土裂缝的产生原因进行分析，进而对水工大体积混凝土裂缝的处理措施进行探讨，最后结合具体案例，探讨水工大体积混凝土裂缝处理的具体应用。水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究2本文的主要研究内容如下：本文第一部分通过对水工大体积混凝土的应用及裂缝产生的危害提出水工大体积混凝土防裂控制的研究课题。第二部分对大体积混凝土裂缝产生的原因进行分析，通过原因分析以便第三部分裂缝控制提供相应的措施。第三部分就是对大体积混凝土裂缝防治采取相应的控制措施。第四部分采用案例结合的办法，对大体积混凝土裂缝产生的成因和采取的解决措施进行研究，最后进行总结。水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究31 水工大体积混凝土的应用1.1 水工大体积混凝土的应用随着国民经济的快速发展，我国基础设施建设突飞猛进，水工大体积混凝土越来越广泛，比如各种型式的混凝土大坝、港工建筑物等混凝土地板以及很多大型水利工程的基础承台等都是用大体积混凝土浇注而成的。随着我国“西部大开发” 、 “西电东送”战略的实施，西部丰富的水电资源也将得到进一步的开发，而在开发和待开发的水电项目中拦河坝的坝型大多为混凝土，水工大体积混凝土的使用量也将逐渐增加。混凝土作为目前用量最大的一种建筑材料，已经开始广泛应用于工业与民用建筑、水利、农林、交通及海港工程。混凝土的取材也是很方便的，可以是就地取材用搅拌站搅拌，也可以使用附近的商品混凝土。混凝土的运输可以使用搅拌车运送，到了现场浇筑则可以用泵送混凝土。所以使用大体积混凝土结构在原材和运输方面是十分便利的。大体积混凝土的抗压强度很高，基本上可以满足建筑工程的荷载要求，而且可以满足建筑结构的各种形状要求。水工建筑中大体积结构都会使用到混凝土结构，像水利工程要修建的坝、堤、水闸、进水口、渠道等不同类型的水工建筑物，不管是基础、墩、墙身、胸墙等部位都会使用到大体积混凝土结构。而且大体积混凝土结构可以满足这些部位的使用要求，水利水电工程中大体积混凝土的使用是很普遍的。1.2 大体积混凝土裂缝的危害混凝土裂缝是混凝土结构的主要危害之一，也是最容易造成严重后果的危害。由于水工混凝土的特殊性，一般都是在大桥、水利工程、港口等重要的建筑中，一旦发生危险，轻者造成投资几百几千万的工程毁于一旦。重者甚至危害大量的生命安全，造成更大的经济损失。因此，大体积混凝土裂缝不容忽视。常见的水工大体积混凝土裂缝危害主要有以下几种：（1）影响建水利工程建筑物的功能性。筏板结构多为基础，特别是水下基础和底板，如果开裂，将会影响到水利工程建筑物的使用功能；（2）影响水利工程建筑物的刚度。裂缝会使结构的刚度降低，进一步影响水利工程建筑物功能的正常发挥；（3）影响水利工程建筑物的整体性。在一般情况下，一旦水工大体积混凝土建筑出现贯穿裂缝，水工建筑物的整体性便难以保证了。随着时间的推移或者其他因素的影响，一些微观裂缝很可能会发展成为宏观裂缝，后果就不堪设想。水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究4（4）影响混凝土的耐久性。在特殊环境下，如果一些具有侵蚀性的物质进入了混凝土内部，则会导致钢筋腐蚀，并且使混凝土表面受损，影响混凝土的耐久性。1.3 研究课题的提出水工大体积混凝土裂缝的控制是工程界由来已久的技术难题。水工大体积混凝土裂缝主要由干缩、砼自身的重量以及水泥的水化热、温度、地基沉降等等原因造成的。我国水工大体积混凝土建筑几乎无可避免的会产生裂缝，国际发到国家中也有不少的水工建筑物产生裂缝，裂缝的危害是巨大的，轻者影响水工建筑物的美观，重者影响水工建筑的结构安全，对人们的生活生产安全带来巨大的灾难。因此，研究水工大体积混凝土裂缝的相关问题，具有重要的现实意义。水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究52 水工大体积混凝土裂缝产生原因2.1 温度裂缝2.1.1 裂缝产生机理当混凝土结构受热温升时，体积将受热膨胀，反之将收缩，如果结构的混凝土单元体不受任何约束，可以自由伸缩，即在混凝土体内将不产生应力。自由温度变形只有满足如下条件才会出现：当板体不和处于另一力学变形或温度变形的物体相联系，板内各点的温度相同即：当板体的温度场呈均匀变化；当板体的温度场呈线性变化。除上述情况以外，当所研究物体与其他物体发生联系，或温度场按其他规律变化，在这些物体内将产生温度应力，他们不仅与物体的线膨胀系数有关，而且还与组成物体的材料热学性能和物理力学性能如变形模量、泊松比也有关 1。在实际工程中由于混凝土必须浇筑在地基或老混凝土上，它们的初始温度条件不同，而且它们的物理力学性能也有差别。因此混凝土的温度变形在建基面上要受到地基或老混凝土的约束，因此产生温度应力。在混凝土内部，由于先后浇筑的时间不同，水泥用量和散热条件不同等原因，在混凝土内部将出现非线性温度场分布，因此在混凝土内部也会产生温度应力。2.1.2 温度裂缝的特征在混凝土结构浇筑和运行过程中，由于温度不断变化，受外部和自身的约束而引起的应力称为温度应力。在大体积混凝土结构中，温度变化对结构的应力状态具有重要的影响，有时温度应力可能超过其他荷载所引起的应力总和，掌握温度应力变化规律对结构设计非常重要。根据温度应力的形成过程，大休积混凝土的温度应力问题可以简化为以下三个阶段：（1）早期：混凝土浇筑初期温度上升阶段，自浇筑开始至水泥水化热基本结束为止，一般约 30d2。在这个阶段水泥放出大量的水化热同时混凝土的弹性模量迅速增长。若混凝土外表温度较低，则在混凝土初凝后，由于内部混凝土的升温膨胀，就会在大体积混凝土的表面产生裂缝。由于弹性模量的变化，混凝土在这一时期形成残余应力。（2）中期：混凝土硬化后期的降温阶段，自水泥水化热作用基本结束开始至混凝土冷却到最终稳定温度为止，这个阶段，混凝土的弹性模量变化不大，温水工大体积混凝土裂缝成因及防裂措施研究6度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起的，这些应力与早期形成的残余应力相叠加 3。（3）晚期：混凝土完全冷却以后的运行时期。温度应力主要是由于外界气温变化所引起的，这些应力与前两种的应力相叠加。当结构产生变形时，不同的结构之间、结构内部各质点之间都可能产生相互的影响，相互的牵制，这就是“约束” 。由于建筑物有各种结构组合，约束的形式也有很多种，大致可分为两类：“外约束”和“内约束” 。温度应力按其产生的原因可分为外约束应力和自约束应力。2.2 收缩裂缝2.2.1 裂缝产生机理（1）混凝土的沉缩变形：混凝土拌合物是固体颗粒（水泥和集料） 、水和空气交混而成的三相体系。浇灌成型后，绝大部分空气逸出，固体粒子互相接触，形成一种空间结构，结构中充满着水。由于颗粒之间的摩擦力比较小，彼此之间的摩擦力不足以阻止其相互滑移，由于受到重力的影响，彼此相互靠近，并且使空隙不断的减小。随着这种沉降的作用，混凝土的体积势必会逐渐减小，直到缝隙减小到不足以滑动为止。（2）混凝土的干缩变形：体积收缩，混凝土配合比中所含水分，20%参与水泥的水化，其他 80%水分蒸发，引起体积收缩。混凝土硬化以后，仍然含有一定数量可以挥发的水分。如果混凝土是裸露在外面，暴晒在干燥的空气重，混凝土中的水分必将逐渐蒸发而减少。随着水