大体积混凝土施工技术研究--优秀毕业论文.pdf

国内图书分类号 国际图书分类号 t u 7 4 4 硕士学位论文 大体积混凝土施工技术研究 硕士研究生 张鹏 导师姓名 祝墓杰 申请学位级别 工程硕士 学科 专业 建筑皇土本工程 所在单位 土木工程学院 答辩日期 2 q q 生鱼且 学位授予单位 青岛理王太堂 c i a s s i f i e di n d e t u 7 4 4 u d c 帅f i i i i i f y 18 0 2 9 5 6 d i s s e r t a l i o nf 6 rt h em a s l e rd e g r e ei ne n q i n e e r i n q vvv r e s e a r c ho fc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ef o rm a s s c a n d i d a t e s u p e r s o r 门o l 0 n c r e t e z h a n g p e n g z h u y i n g j i e a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l 哆 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n u n i v e r s i 够 c i v i le n g i n e e r i n g j u n e 2 0 1 0 q i n g d a ot e c h n 0 1 0 9 i c a lu n i v e r s i t y l llllllj lllllljl l 11 硕士学位论文 大体积混凝土施工技术研究 指导教师签字 趔 答辩委员会成员签字 舅畦 主 醚t t 多 了丽一 墨么 齑圭乏 青岛理工大学工程硕士学位论文 目录 摘要 i a b s t r a c t i 第1 章绪论 1 1 1 建筑工程大体积混凝土及其特点 1 1 2 大体积混凝土的国内外研究现状 2 1 3 本文的主要研究工作 3 第2 章大体积混凝土裂缝种类及成因分析 5 2 1 裂缝的种类 5 2 1 1 微观裂缝与宏观裂缝 5 2 1 2 温度裂缝 6 2 2 裂缝产生的原因分析 7 2 2 1 混凝土本身具有性质的影响 7 2 2 2 结构设计方面的因素 1 4 2 2 3 施工方面的因素 1 4 2 2 4 环境气候的因素 15 第3 章裂缝控制理论及措施 1 7 3 1 结构设计方面措施 1 7 3 1 1 设置分布钢筋的影响 1 7 3 1 2 抗 与 放 相结合的设计原则 1 8 3 1 3 地基处理 1 9 3 2 混凝土材料方面的选择 19 3 2 1 水泥和水的选择 19 3 2 2 骨料的选择 2 1 3 2 3 矿物掺和料的选择 2 2 3 2 4 外加剂的选择 2 3 3 2 5 配合比的选择 2 5 3 3 大体积混凝土的温度及温度应力计算 2 5 3 3 1 大体积混凝土的温度计算 2 5 3 3 2 大体积混凝土的温度应力计算 2 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 3 4 施工技术措施 3 2 3 5 跟踪测试信息化施工 3 4 3 5 1 大体积混凝土的温度监控 3 5 3 5 2 大体积混凝土的应变一应力监控 3 5 3 6 减小环境气候的影响 3 6 第4 章大体积混凝土施工方案和施工措施 3 7 4 1 大体积混凝土的设计构造要求 3 7 4 2 混凝土配合比及其材料 3 8 4 3 大体积混凝土的浇筑与养护 3 9 4 4 大体积混凝土 后浇带 的设计与施工 4 1 4 5 大体积混凝土的冬期施工 4 2 第5 章工程实例 4 5 5 1 设计 施工方案及技术措施 4 5 5 2 温度监测 4 7 5 3 温度测试结果分析 4 8 第6 章结论与建议 5 4 6 1 结论 5 4 6 2 建议 5 5 参考文献 5 7 在学发表论文 6 0 致谢 6 1 h 青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 随着大体积混凝土结构在现代工程建设项目中越来越广泛的应用 对大体积混凝 土的研究就显得尤为重要 大体积混凝土中由于温度效应引起裂缝并造成危害的现象 广泛存在 而建筑物的破坏和渗漏又往往始于混凝土的有害裂缝 所以在大体积混凝 土施工的过程中控制有害裂缝就成了重中之重 研究控制裂缝的方法和理论就成了保 证建筑物经久耐用的关键所在 首先综合分析了大体积混凝土裂缝的种类及产生原因 然后再从设计及施工角度 展示了裂缝的产生机理及对应的防治措施 重点研究温度裂缝产生的原因及其控制方 法 再根据具体情况把这些措施灵活应用于具体大体积的基础工程施工 在施工中对 材料选择 配合比 外加剂 施工布置 浇筑工艺 养护等几个环节采取了严格的控 制措施 并同时对基础典型位置的内外温度差进行了监测 监测结果表明基础混凝土 的内外温差均在合理范围之内 从而避免了裂缝的产生 同时也说明本次工程中所采 取的温控措施的合理性和有效性 根据大量的研究工作可得出以下结论 大体积混凝土的裂缝主要是温度裂缝 其 形式表现为表面裂缝和收缩裂缝 而施工工艺又是造成大体积混凝土裂缝的主要原 因 因此就必须重视防裂对施工工艺的要求 在工程中 考虑外界影响的计算结果提 供的温度控制依据 并根据此选择符合要求的材料 采取合理的配比设计 温度应力 较大部位的构造钢筋的设置 经济有效的保温养护方法 并有着及时的温度监测措施 并根据监测结果及时调整施工工艺及养护方法 这些都对有害裂缝的控制起到了很好 的效果 随着我国现代化建设不断向前推进 大体积混凝土结构将越来越多的应用于大型 工程建设 所进行的研究工作及根据研究工作提出的建议可以为今后大体积混凝土结 构的设计 施工提供参考 关键词 大体积混凝土 裂缝 温度应力 水化热 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s tr a c t w1 t ht h em a s sc o n c r e t es t m c t u r e sw e r ew i d e l yu s e dmm o d e m c o n s t n j c t i o np r 硝e c t s t h er e s e a r c ho fm a s sc o n c r e t ei sb e c o m ep a r t i c u l a r l y i m p o r t a n t m a s sc o n c r e t ec r a c k sd u et ot e m p e r a t u r ee f f e c ta n dt h e p h e n o m e n o nw i d e s p r e a d d a m a g ea n dl e a k a g eo fm eb u i l d i n go r e nb e g i n s w i t ht h eh a r m 如lc r a c k si nc o n c r e t e t h e r e f o r e t h ec o n 仃0 1o fh a r m 向lc r a c k s b e c a m eat o pp r i o r i t yi nt 1 1 ep r o c e s so fm a s sc o n c r e t ec o n s t r u c t i o n t h e r e s e a r c ho ft h em e t h o d sa n dt h e o r e t i c a l st h a tc a nc o n t r o lc r a c k sb e c 锄et h e k e yt oe n s u r ed u r a b l eb u i l d i n g s a tf i r s t t h ep 印e rs y n t h e t i c a l l ya n a l y z e st h e 咖e sa n dc a u s e so ft h em a s s c o n c r e t ec r a c k s a n dt h e ns h o w st h er e a s o no fc r a c ka n dt 1 1 e c o r r e s p o n d i n g p r e v e n t i v em e a s u r e s 仔o mt h es i d eo ft h ed e s i g na n dc o n s t m c t i o n f o c u s i n go n t h ec a u s e so ft e m p e r a t u r ec r a c l sa n di t sc o n t i o l m e t h o d s a c c o r d i n g t o c i r c u m s t a n c e s t h e s em e a s u r e sa r e印p l i e di nc o n s t m c t i o no fm es p e c i f i c m a s s i v ec o n c r e t ef o u n d a t i o n s t r i c tc o n t r o lm e a s u r e sa r et a k e nd u r i n gt h e c o n s t m c t i o ni 1 1t h ec h o i c eo fm a t e r i a l s m i x a d d i t i v e s c o ns t m c t i o n l a y o u t p o u r i n gt e c h n o l o g y c o n s e r v a t i o n a n do t h e r 1 i m s a t t h es 锄e t i m e t e m p e r a t u r ed i f f i e r e n c eb e t w e e nt h ei n t e m a la n de x t e m a lo ft h ef o u n d a t i o ni n t h et y p i c a ll o c a t i o n sa r em o n i t o r e d t h em o n i t o r i n gr e s u l t ss h o wt h a t 吐1 e t e m p e r a t i l r ed i f f e r e n c e sa r ea l lr e a s o n a b l e c r a c k s a r ea v o i d e d i na d d i t i o n c o n t r o lm e a s u r e so ft e m p e r a t l l r ec r a c k sa u r er e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ei 1 1t h i s p r o j e c t a c c o r d i n gt on u m e r o u ss t u d i e s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb em a d e m a s sc o n c r e t ec r a c ba r em a i n l yc a u s e db yt e m p e r a t u r e i tp e r f o h n e di nt h e f l o n t lo fs u r f a c ec r a c k sa n ds h r i l l l a g ec r a c k s a n dt h ec o n s t m c t i o np r o c e s si s t h em a i nc a u s eo ft h em a s s i v ec o n c r e t t h e r e f o r e w em u s ta t t a c hi m p o r t a n c et o r e q u i r e m e n t s t h a t p r e v e n t i n g c r a c k so ft h ec o n s t r u c t i o n p r o c e s s 1 1 1 t h i s p r o je c t t h e c o u mr e s u l t s c o n s i d e r i n g t h ee x t e m a le f f e c t s p r o v i d et h e 青岛理工大学工程硕士学位论文 t e m p e r a t u r ec o m r o lb a s i s a n ds e l e c tt h er e q u i r e m e n t sm a t e r i a l si na c c o r d a n c e w i 1 t h i s t a k e r e a s o n a b l em i xd e s i g n s e ts t r u c t u r a ls t e e li n l a r g ep a r t t e m p e r a t u r es e s s u s et h ec o s t e f f e c t i v em e t h o do fh e a tc o n s e r v a t i o n a n d h a sat e m p e r a t u r em o n i t o r i n gm e a s u r e si nat i m e l ym a r m e ra n di na c c o r d a n c e w i t h m o n i t o r i n gr e s u l t s t i m e l ya 由u s t t h ec o n s t 九j c t i o nt e c h n o l o g ya n d c o n s e r v a t i o nm e t h o d s m e s ep l a yav e 巧g o o de f i f e c to nt 1 1 ec o n t l o lo f h a z 砌o u sc r a c k s a sc h i n a sm o d e m i z a t i o nd r i v ef i o 刑a 1 d m a s sc o n c r e t es t m c t u r ew i l lb e m o r ea n dm o r eu s e di nm a s sc o n c r e t ep r q e c t s t h er e s e a r c hw o r ka n dt h e r e c o m m e n d a t i o n su n d e rt h es t u d yw i l lp r o v i d er e f e r e n c e sf o rt h ef u t u r ed e s i g n a n dc o n s 缸u c t i o no ft h en l a s sc o n c r e t e k e y w o r d s m a s sc o n c r e t e c r a c k t e m p e r a t u r es t r e s s h y d r a t i o nh e a t i i 青岛理工大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 在现代工程建设中大体积混凝土有了广泛的应用 如用大体积混凝土浇注的 各种混凝土港工建筑物 大坝 高层建筑的地下室底板以及很多的基础平台 因 大体积混凝土体积大 水化热也大 水化热与环境的交换路径长 造成结构内部 产生了极不均匀的温度分布 严重时可引起混凝土开裂 因此研究大体积混凝土 结构的温度问题就显得具有重要的工程意义 1 1 建筑工程大体积混凝土及其特点 对于大体积混凝土的文字定义 目前尚无统一概念 美国混凝土学会 a c i 曾 规定 任何就地浇筑的大体积混凝土 其尺寸之大 必须要求采取措施解决水化 热及随之引起的体积变形问题 以最大的限度减少开裂 日本建筑学会标准 j a s s 5 规定 结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上 水化热引起混凝土内的最高温度 与外界温度之差预计超过2 5 的混凝土为大体积混凝土 北京第六建筑工程公司 认为 凡结构断面最小尺寸在7 5 c m 以上 双面散热在1 0 0 c m 以上 水化熟引起 的高温与外界气温之差预计超过2 5 的混凝土 均可称为大体积混凝土 另外 英国b s 8 8 2 德国规范d i n l 0 4 5 我国行业标准y b j 2 2 4 9 1 中对大体积 混凝土结构设计与施工 均作出了较为明确的规定 从个中表述中看 大体积混 凝土是只是一个相对概念 大体积混凝土的特点除体积较大外 更主要是由于混 凝土中的水化热不易散发 在外界环境或混凝土内力的约束下 极易产生温度收 缩裂缝 大体积混凝土具有以下特性 1 因为混凝土是脆性材料 抗拉强度约为抗压强度的十分之一 拉伸变形很 小 短期极限拉伸应变只有 0 6 1 o 1 0 4 2 结构断面尺寸较大 浇筑混凝土后 产生大量水化热 内部温度急剧上升 在一定约束条件下会产生较大的拉应力 3 通常处于暴露环境 环境温度的变化引起大体积混凝土结构中较大的拉应 力 4 通常不配钢筋或钢筋数量很少 主要依靠混凝土本身来承受拉应力 考虑到上述特点 大体积混凝土结构设计中通常要求不出现拉应力或只出现 青岛理工大学工程硕士学位论文 很小的拉应力 对于自重等外荷载 要做到这点一般不困难 而在施工期间大体 积混凝土结构中往往会由于温度变化而产生很大的拉应力或因施工阶段的变化而 导致应力的急剧变化 要将这些应力限制在允许范围内是很不容易的 因此大体 积混凝土中易出现温度裂缝 因此 精心的设计 施工 分析温度应力 采取各种温度控制措施 防止裂 缝的开展在大体积混凝土工程中是重要的课题之一 1 2 大体积混凝土的国内外研究现状 大体积混凝土的使用开始于混凝土水坝的建造 在1 9 0 0 年前 由于建造的混 凝土水坝体积较小 混凝土强度低 水化热低 放热时间长 因此混凝土的温度 应力很小 后来随着坝体增大 虽然水泥放热较小 但内部蓄热量大 温度应力 增大 坝体裂缝的控制显然成了大问题 到了1 9 3 0 年 工程师认识到水泥的水化 热引起的温度应力是裂缝开展的主要原因 从此开始了对大体积混凝土的全面研 究 并提出了各种控制措施 2 1 1 采用低水化热水泥 最初美国人在1 9 3 2 1 9 3 5 年建造m o r r i s 坝时 首次研制了低水化热水泥 即 限制水泥中c 3 a c 3 s 的含量 以便降低水泥的水化热 后因此种水泥的强度增长 速度太慢 又逐渐使用c 3 s 含量较高的中热水泥 后来又加入火山灰 粉煤灰 蛋白石粉 浮石粉等 并逐渐将目标集中在粉煤灰和矿渣上并为其制定了相应的 标准 随后开发了效果更好的低水化热膨胀水泥 2 降低水泥用量 美国在1 9 3 0 年之前建大坝水泥用量较多 最低为2 2 5 k g m 3 虽强度符合要 求 但总出现裂缝 后来降低水泥用量 使总胶凝材料的用量为1 6 0 埏 m 3 左右 含 掺和料 后来又采用在混凝土中埋入大粒径石头的措施来降低水泥用量和吸收混 凝土中的热量 3 开发新的混凝土施工工艺 已经开发和采用的方法有 合理进行分缝分块 混凝土通仓纵缝浇筑法 使 用强力振捣设备 用聚合物浸渍混凝土等 4 降低混凝土的浇筑温度 通过低温走廊预冷混凝土降低混凝土浇筑温度 用掺冰的水拌和混凝土等 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 5 降低混凝土浇筑块的温度 最常用的方法为在混凝土中预埋冷却水管 用循环冷却水带走水化反映热 降低大体积混凝土中的温度 6 混凝土外保温控制大体积混凝土内外温差 实践证明这是一种简便有效经济的措施 尤其适用于普通民用建筑物的基础 筏板 设备的基础等 7 对大体积混凝土的力学性能 热力学性能等进行研究 评定 早在二十世纪5 0 年代 工业建筑温度伸缩缝问题 在建筑领域里是属于一 个具有规范性的问题 l o 但是在工程实践中不时地出现反常现象 有些工程长度超 出规范许多却不开裂 而有些工程很短却严重开裂 这就引起相关人员的关注 开始了对温度应力 温度控制 裂缝控制的研究 在工程上 国内对大体积混凝土一般采用经验公式计算其中心最高温度乙 表面温度 以及施工温度应力仃 但由于计算中未考虑温度的连续性及外部气候的变化影响 对温降修正系数 也采用经验值 反映的温度变化规律就不准确 不能准确地反映混凝土的应力场 因此很难依据这些经验公式计算出的结果应用到实际工程中 目前 许多学者综 合多学科的基本理论 将计算机技术应用于计算 考虑各种因素的影响 求解温 度应力场 文献 1 2 系统地总结了近期大体积混凝土温度与裂缝控制研究结果 其中 文献 1 侧重阐明各种工业结构的裂缝控制方法 相应地提出了在工程中己成功地 实施的防止裂缝的控制方法 而文献 3 从理论上介绍了温度场和温度应力场的计 算方法 并已在水工结构分析中得到了广泛应用 与此同时 混凝土温度场及应 力场的仿真计算也受到工程界的重视 如文献 4 5 等 1 3 本文的主要研究工作 本文在广泛查阅国内外相关文献的基础上 对大体积混凝土的温度裂缝及其 控制技术进行了分析与探讨 总结了大体积混凝土温度裂缝产生的原因及其控制 方法 并将这些方法应用于工程实践 取得了良好的效果 主要进行了如下研究 工作 青岛理工大学工程硕士学位论文 l 研究裂缝的成因及控制裂缝的常用方法 2 研究影响大体积混凝土裂缝的主因温度应力及确定温度应力的计算方法 结合具体工程 研究说明大体积混凝土的施工采取的各项措施 以尽量避 害裂缝的出现 对如何防止大体积混凝土开裂提出了一些建议 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章大体积混凝土裂缝种类及成因分析 建筑物的渗漏和破坏往往始于裂缝 裂缝的出现就可以看做是危险的征兆 多年来 通过大量试验研究 己经证实在未受荷的钢筋混凝土结构中存有肉眼看 不见的微观裂缝 因此可以说 混凝土出现裂缝是绝对的 没有裂缝是相对的 所谓的 裂缝控制 就是通过适当的技术措施控制建筑物不产生有害裂缝 达到 抗裂防渗的目的 2 1 裂缝的种类 2 1 1 微观裂缝与宏观裂缝 研究已证实 在尚未受荷的钢筋混凝土结构中存在着肉眼看不见的微观裂缝 一般认为 混凝土的微裂缝主要有以下三种 o 1 粘着裂缝 是指集料水泥石的粘接面上的裂缝 2 水泥石裂缝 是指水泥浆中的裂缝 出现在集料与集料之间 3 集料裂缝 是指集料本身的裂缝 混凝土的微裂缝主要是指前两者 微裂缝的存在 对混凝土的基本性质 比 如弹塑性 各种强度刚度 变形 泊松比 化学反应等产生重要影响 加荷试验 显示 当荷载在3 0 极限强度以下时 微裂缝几乎不变 加载到3 0 7 0 微裂缝 开始扩展并增加 到7 0 9 0 荷载时 微裂缝显著地扩展并迅速增多 且微裂缝 之间相互串连 直至完全破坏 微裂缝分布不规则又非贯穿 因此混凝土可以承受一定拉力 但在某些薄弱 环节 微裂缝在拉力作用下很容易扩展并串连全截面 从而较早的发生断裂 另 一方面 混凝土材料抗拉强度的离散程度远较抗压强度大 实际工程中的结构裂 缝 多数是因为抗拉强度不足造成的 1 l 13 1 从构造理论上解释裂缝的成因 混凝土水化和硬化的同时 集料 水泥石产 生不均匀的体积变形 水泥石收缩较大 集料收缩小 其中就产生了相互约束应 力 应力较大就会出现微裂缝 一般工业与民用建筑中 宽度小于0 0 5 m m 的裂缝对使用功能不影响 因此可 以假定裂缝小于o 0 5 m m 的结构为无裂缝结构 大于或等于o 0 5 m m 的裂缝即为宏 青岛理工大学工程硕士学位论文 观裂缝 裂缝控制的目的也就是将混凝土控制在无大于o 0 5 m m 裂缝的状态 2 1 2 温度裂缝 混凝土随着温度的变化而发生膨胀 收缩 从而引起的裂缝称为温度裂缝 大体积混凝土内一般出现的裂缝按深度分 有表面裂缝 深层裂缝 贯穿裂 缝三种 表面裂缝虽然不属于结构性裂缝 但在混凝土收缩时 由于表面裂缝处 断面削弱且易产生应力集中 能促使裂缝进一步开展 深层裂缝部分切断了结构 断面 也有一定危害性 贯穿裂缝将结构断面切断 可能破坏结构整体性 耐久 性和防水性 影响正常使用 危害严重 一般来说初始裂缝 不影响结构物的承载能力 而仅对耐久性和防水性产生 影响 对此类裂缝 为防止钢筋锈蚀 混凝土碳化 防水防渗等 应采取封闭或 补强处理 对于有防水要求的结构来说 混凝土的裂缝主要影响其防水性 一般 当裂缝宽度在o 1 m m 0 2 m m 时 虽早期有轻微渗水 但过一段时间 裂缝可以自 愈 但是当裂缝宽度超过o 2 m m o 3 m m 时 则渗水的量按裂缝宽度三次方的比例 增加 所以在地下工程等有防水要求的位置施工中 应尽量避免超过o 3 m m 的贯 穿裂缝 由于大体积混凝土水化热产生的温度应力引起的裂缝主要有以下四种 1 4 1 8 1 混凝土浇筑初期升温阶段 水泥水化产生大量水化热 混凝土表面散热迅 速 而内部较慢 内外的温差产生内约束 结果就是内部产生压应力 面层为拉 应力 当此拉应力超过混凝土的抗拉强度时 就是产生裂缝 2 混凝土硬化后期降温阶段 此阶段与上述阶段相反 是外约束 从而使内 部混凝土中形成较大的拉应力而导致开裂 3 升温阶段中 此时混凝土没硬化产生强度 故地基 基础周边条件对其不 形成约束应力 当是降温阶段 混凝土己有强度并且与边界条件形成一体 混凝 土冷缩产生拉应力时而开裂 4 混凝土的干缩受到边界的约束产生拉应力而导致开裂 后三种裂缝严重时会形成贯通裂缝 破坏结构整体性 耐久性 防水性 影 响正常使用 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 2 裂缝产生的原因分析 经查相关资料 因设计不当造成的裂缝占5 左右 因材料方面的原因造成的 的裂缝占1 5 左右 由施工因素造成的混凝土裂缝占8 0 左右 下面就设计 材 料 施工 使用环境等因素讨论产生裂缝的原因 2 2 1 混凝土本身具有性质的影响 2 2 1 1 混凝土的体积稳定性 混凝土的体积稳定性是指混凝土在抵抗物理作用和化学作用下产生的变形的 能力 当体积稳定性不好时 混凝土容易开裂 抗渗性等物理 化学性能降低 耐久性能下降 混凝土的体积变化可以分为三个阶段 1 硬化前 混凝土在硬化前就发生了早期收缩 主要是由于水分蒸发产生的干燥收缩 高水灰比混凝土泌水与骨料沉降导致的沉降收缩 由于表面泌水造成的塑性收缩 以及由于水泥自身水化而产生的收缩 2 硬化中的 在硬化过程中产生的三种收缩 干燥收缩 水化收缩 自收缩 3 硬化后 混凝土硬化后 因碳化 干湿变化以及温度变化会产生各种体积变化 如高 湿环境下的膨胀和干燥条件下的收缩 碳化的收缩 这也说明混凝土硬化后体积 变化受诸多因素的影响 2 2 1 2 混凝土的收缩 混凝土所固有的一种重要性质就是收缩 无负荷状态下 因收缩而导致开裂 收缩变形主要表现为 自收缩 干燥收缩 塑性收缩 温度收缩 化学减缩 碳 化收缩 沉降收缩等 l 干燥收缩 混凝土在未饱和空气中散失水分造成的体积收缩变形为干燥收缩 主要是由 水泥石的干燥收缩造成 水分蒸发引起 混凝土的水分蒸发由外向内 由表及里 逐渐发展 过程非常缓慢 产生干燥 收缩裂缝多数是在一个月以后 有时甚至 一年半载后 干缩的裂缝一般产生在表层很浅的部位 裂缝宽度通常在 7 青岛理工大学工程硕士学位论文 o 0 5 m m o 2 m m 之间 呈龟裂状的纵横交错纹 没有规律性 此裂纹会加快混凝土 碳化 导致钢筋锈蚀 影响混凝土的抗渗性和耐久性 而对大体积混凝土而言 表面裂缝的发展会影响结构耐久性和承载力 1 9 2 2 1 影响混凝土干缩的因素主要有 水泥品种 水泥用量 用水量 骨料品种 外加剂 掺和料 混凝土的施工 养 护等 1 用水量的影响 干燥收缩与混凝土施工时的用水量有关 水泥自身的水化用水仅占水泥用量 的2 5 左右 而使混凝土有适当的和易性所需的水占水泥总量的4 0 左右 在浇 筑完成后 一部分水沿模板渗出 一部分从混凝土表面蒸发掉 还有一部分存于 混凝土内部 而在养护过程中 水泥石强度的增长与水分的失去同时发生 较大 孔隙中的自由水失去后会留下孔洞会使混凝土抗渗能力降低 较小的毛细管中的 水失去时引起混凝土收缩 2 水泥品种及用量的影响 水泥的干缩率比较 矿渣硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥 中低水化热水泥 粉煤 灰水泥 水泥用量多 用水量大 干缩也大 3 骨料的影响 低收缩性骨料一般有石英 石灰岩 花岗岩及玄武岩 另骨料粒径大时收缩 小 含水量增加时收缩也增加 砂也为这种倾向 砂率大会使混凝土干缩增大 骨料品种对混凝土的收缩影响见表2 1 表2 1 骨料品种对混凝土的收缩影响 骨料密度 1 0 3 k g m 3 吸水率 一年收缩率 1 0 4 砂岩2 7 55 01 1 6 板岩 2 7 5 1 35 8 花岗岩 2 6 7 0 84 7 石灰岩 2 7 40 24 1 石英岩 2 6 6o 33 2 4 外加剂 掺和料的影响 引气剂的掺加会增加干缩 减水剂和缓凝剂可以减小混凝土的水灰比 但对 混凝土的干缩影响较小 有时减水剂甚至有增大混凝土干缩的趋势 使用时要注 青岛理工大学工程硕士学位论文 意 比表面积小的优质粉煤灰需水量少 取代了部分水泥 能降低混凝土的干缩 值 5 施工和养护的影响 水灰比过大 养护期不同 模板 垫层过于干燥 吸水量过大都会影响干缩 2 自收缩 胶凝材料在稳定的温度下体积收缩而质量并不发生改变的现象即为自收缩 自收缩是导致早期开裂的一个重要原因 自收缩是水泥石在与外界无水分交换的 条件下出现的 此点不同于混凝土的干缩 1 自收缩现象产生的原因 在水泥水化过程中 水化反应产物的绝对体积v h 小于消耗水的体积v 和水化 水泥的体积v 之和 即v h v v c v 这种现象首先是由l e c h a t e l i e r 发现的 也被称为l e c h a t e l i e r 减缩 记作 v 当硬化水泥石不能再与外界水源接触时 l e c h a t e l i e r 减缩就造成原来水饱和的孔洞中形成气孔 水化反应继续进行 气孔 所占的空间会越来越大 其平衡压也越来越低 此时即为 白干燥 现象 微孔 的状态对自干燥的影响很大 硬化水泥石中主要是两种类型的孔 凝胶孔和毛细 孔 凝胶孔是水化作用的产物 毛细孔是新拌水泥浆体间的空间残余 毛细孔不 能提供给化学反应之用 当毛细孔中没有足够的自由水水化反应将停止 自干燥 现象也停止 计算结果表明 当毛细管内的相对湿度从1 0 0 降低到8 0 时 毛细 管压将从o m p a 增大到3 0 m p a 这个压力条件下必然导致水泥石的收缩 2 影响自收缩的因素 水灰比 水泥类型和矿物掺和料的种类与掺量等都是影响自收缩的因素 1 水灰比 实验结果表明 水灰比降低 自收缩值明显增加 2 水泥类型 高铝水泥和早期水泥的早期自收缩值比较大 中热水泥和贝利特水泥的自收 缩值比较小 矿渣水泥在水化一段时间之后的自收缩值比较大 3 水泥矿物组分 c 3 a 和c 4 a f 的百分含量和水化程度对自收缩值大小影响比较大 c 3 s 和c 2 s 的百分含量影响较小 4 矿物掺和料 9 青岛理工大学工程硕士学位论文 添加料为磨细的粒化高炉矿渣时 自收缩值随掺量的增加而增加 掺加部分 为经过处理的憎水粉末如憎水石英粉时 可以明显地降低自收缩值 5 高效减水剂 相同水灰比条件下掺加高效减水剂对自收缩值影响很小 6 水泥细度的影响 当水泥细度增加时 早期自收缩值明显增加 3 塑性收缩 塑性收缩是新拌混凝土失水引起的收缩 新拌混凝土表面脱水 这时产生毛 细管负压力 随负压力逐渐增大 产生收缩力 使浆体收缩 当收缩力大于基体 的抗拉强度时 就会产生开裂 试验数据表明 混凝土早期塑性收缩最大速率发 生在浇筑后1 4 小时内 收缩大多发生在混凝土拌和后约3 1 2 小时 终凝前比较明 显 塑性收缩在道路 地坪 楼板等大面积混凝土工程比较多见 大小约为水泥 绝对体积的1 以夏季施工最为普遍 影响因素除了环境温度 相对湿度等外部 因素外 还有水灰比 细掺料 浆骨比 混凝土的温度和凝结时间等内部因素 减小塑性收缩的措施有 1 严格控制水灰比 2 控制施工振捣的质量 保证混凝土的密实 3 控制凝固时间 不易过快 变截面结构 大体积结构宜分层浇筑 4 施工的下料下料速度不宜太快 5 施工中特别是夏季高温天气的施工中 要注意降温 保湿 6 施工中尽量避免遭遇大风袭击造成的不利影响 7 掺加减水剂和适量的粉煤灰 减少沉缩量 改善和易性 8 在混凝土浇筑1 2 小时后 对混凝土进行二次振捣 表面拍打振实 9 尽量控制施工条件 避免混凝土搅拌时间过长而未使用 混凝土浇注早期 凝胶体粒子间主要是物理性接触 抗塑性变形能力较大 2 3 所以加强早期养护 不使混凝上表面干燥 一般能促使混凝土不会开裂 4 化学减缩 即为水化收缩 是无水熟料的水化反应 所有的胶凝材料水化以后都有这种 减缩作用 具体来说 是由于水化反应物与生成物的平均密度不同所引起 此外 掺合物的活性对水化反应的影响也比较大 2 4 1 l o 青岛理工大学工程硕士学位论文 5 温度收缩 混凝土随温度下降而发生的收缩称为温度收缩 简称冷缩 对于大体积混凝 土 裂缝的产生主要是由于温度变化引起的 2 5 1 因此尽量减少温度收缩变形对大 体积混凝土而言具有极其重要的价值 6 碳化收缩 空气中c 0 2 的含量大约为0 0 3 在相对湿度合适的条件下 c 0 2 能和混凝土 表面的水泥水化物很快地发生反应 生成c a c 0 3 等和游离水 该反应过程称为碳 化 碳化作用产生的游离水蒸发时产生毛细管张力 从而引起浆体收缩 称为碳 化收缩 碳化收缩不可逆 首先是c o h 2 c 0 2 c a c 0 3 斗h 2 0 而其它水化物必须在一定浓度的c a o h 2 溶液中才能稳定地存在 c a o h 2 碳化使水泥浆体中的碱度下降 导致了其它水化 物也可发生碳化反应 而伴随水分的损失 也能导致体积收缩 2 6 3 0 1 混凝土密实度较大时 碳化反应仅限于表面层 很难向内部进行 表面层的 干燥速率也是最大的 碳化收缩受到内部混凝土的约束会引起严重的开裂 碳化 反应在相对湿度为5 0 左右时最大 过高的湿度 1 0 0 使混凝土孔隙中充满了水 二氧化碳不易与水泥石中的钙离子反应 故碳化收缩较小 相反 湿度过低时 如 2 5 孔隙中没有足够的水使c 0 2 形成碳酸 碳化作用也不易进行 混凝土碳化 合适的相对湿度是4 5 7 5 3 l 实际工程中单纯的碳化不常有 一般是干燥后再 碳化的收缩最大 应当尽量避免 7 沉降收缩 在混凝土浇筑后1 3 小时 尚处于塑性阶段的混凝土 水分大量蒸发沿钢筋 的位置发生的激烈收缩和不均匀沉缩 此时产生的裂缝即为沉缩裂缝 8 混凝土实际收缩情况 混凝土的实际收缩受多种因素的影响 在混凝土水化硬化过程中 各种收缩 交结在一起 综合各种裂缝的特性可以认为 对于大体积混凝土 早期收缩主要 是冷缩 长期收缩主要是干燥收缩 其它收缩所占比例相对较小 9 外加剂对混凝土收缩的影响 混凝土外加剂的优点在工程中显而易见 比如适当的添加外加剂可以节省水 泥 提高施工速度和施工质量 改善工艺和劳动条件 改善混凝土的性能 1 0 泵送混凝土特性对混凝土收缩的影响 青岛理工大学工程硕士学位论文 泵送混凝土具有大流动性 高强的特点 配制高强度混凝土的水泥一般采用 标号大于等于p c 4 2 5 的硅酸盐水泥 普通硅酸盐水泥或特种水泥 调粒水泥 球 状水泥 由于水泥标号高 用量大 水化热也大 就形成了较大的温差和温度应 力 3 2 因此 在施工中应考虑选择合理的外加剂 减水剂 在保证合理的施工工作 开展的情况下 减小砂率 减少用水量 2 2 1 3 混凝土的徐变 徐变是混凝土在某一不变荷载的长期作用下 即应力维持不变时 其应变随时 间而增长的现象 徐变变形比瞬时弹性变形大1 3 倍 在大体积混凝土结构中 徐变能降低混凝土的温度应力 减少收缩裂缝 徐 变能削减结构应力集中区和因基础不均匀沉降引起局部应力的应力峰值 因此可 以设法提高混凝土的徐变来减缓结构裂缝 徐变也有不利的一面 它会使结构的 长期变形不断加大 会引起预应力结构中预应力的损失等 因此应综合考虑徐变 的影响 2 2 1 4 骨料与水泥石的界面 混凝土中水泥石与骨料接触的是混凝土结构中最薄弱的环节 在荷载的作用 下 因弹性模量的差别 骨料和水泥石变形不一致 界面形成应力集中区 最易 发生裂缝并为裂缝开展区 界面区也是混凝土中最容易受侵蚀的部位 界面区最 易使混凝土强度和性能下降 界面区是薄弱结构的主要原因是 3 3 3 4 1 水膜作用 在水泥水化作用中 骨料的表面形成了富含大尺寸c a 0 h 2 等 晶体的水膜 2 颗粒堆积作用 在水泥石结构中 水泥浆体本体的初始结构近似于等径球 形颗粒的堆积 其规则紧密堆积的空隙率为2 5 9 5 而骨料与水泥颗粒之间的结 构近似于球形颗粒在无限大平面上堆积 空隙率为4 7 6 4 此孔隙率比水泥浆体 的堆积率高 3 单侧致密作用 随着水泥水化程度的增加 固相体积比水化反应前增加1 1 3 倍 水化致密对水泥浆体本体空隙率的减少作用与对界面空隙的减少作用是不一 样的 水化反应中 水泥浆体本体空隙迅速减少 而骨料周围空隙仅受水泥浆单 侧作用 空隙减少速度慢 1 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 2 2 1 5 混凝土所用材料的影响 1 水泥和水 大体积混凝土开裂的主要原因是收缩变形引发的约束拉应力超过了混凝土的 抗拉强度所致 同的水泥种类 拌合水灰比所拌混凝土的收缩值不同 日本水泥协会收缩专门委员会的研究报告表明 水泥种类对干缩影响从大到 小的顺序为 高炉水泥 硅石水泥 火山灰水泥 普通硅酸盐水泥 早强硅酸盐水泥 粉煤灰水泥 中热硅酸盐水泥 拌制混凝土的水泥采用不当时 混凝土很容易开裂 还应特别关注水泥的细度原因引起的开裂 细度越细 混凝土越容易开裂 这是 由于 1 当水泥细度大时 水化反应快 产生较大的水的消耗 易引起混凝土的白 干燥收缩 并且放热时间集中加快 温度应力作用下易开裂 2 水泥细度细 则混凝土内部的毛细管细化 毛细管失水将产生较大张力 塑性收缩较大 3 较细的水泥颗粒充分水化 将产生出较多易于干燥收缩的凝胶和其它水化 产物 另外就是水灰比的影响 其实就是水的性质和用量问题 用水量多 混凝土 收缩大 强度降低 如水灰比为o 6 混凝土收缩值比水灰比为0 4 的混凝土增加约 4 0 另外混凝土中水的蒸发使混凝土出现干缩现象 2 砂 石骨料 骨料含泥量越高 混凝土越易开裂 骨料的泥份妨碍了骨料与水泥浆之间的 咬合粘结 弱化了界面结构 即降低了混凝土的强度 不同的细骨料对于混凝土干缩的影响是不同的 实验得出细骨料对混凝土收 缩的影响从大到小排列的顺序是 河砂 陆砂 海砂 山砂 粗骨料对混凝土干缩的 影响从大到小排列的顺序是 山碎石 河砾石 石灰石碎石 3 外加剂 外加剂种类很多 试验表明有化学外加剂掺加的混凝土干缩值较大 使用外 加剂 混凝土的初期干缩值较大 到1 9 周后基本稳定 使用促凝性a e 减水剂混 凝土的干缩值比不掺者高约4 0 3 5 3 6 1 对膨胀剂的掺加更应注意 膨胀混凝土在 早期养护不好时更容易发生裂缝 膨胀剂要吸水 另外 膨胀剂不能防止混凝土表 青岛理工大学工程硕士学位论文 层的微裂纹 这就是在部分膨胀剂施工的工程中未养护到位而出现裂纹的原因 2 2 2 结构设计方面的因素 从设计方面讲 对于荷载作用引发的裂缝 可以通过计算来进行控制 而变 形作用引起的裂缝 通常采用构造设计控制 结构计算前 先对受力体系进行假定 假定的结果与实际肯定有一定不同之 处 假定因素外的内力往往引起了结构裂纹 再有就是结构在变形变化时 会受到一定的约束作用 约束主要表现为结构 间的 外约束 和结构内的 内约束 外约束分为自由体 全约束和弹性约束 自由体无约束变形 不产生约束应力 变形时应力为零 全约束即结构的变形全 部受到其它结构的约束 受到应力时变形为零 弹性约束为介于上述二者之间 结构的变形受部分约束 产生部分变形 变形结构和约束结构皆为弹性体 二者 之间即既有变形 又有应力 此为常遇到的一种约束状态 内约束是混凝土内部温度和湿度分布不均匀 引起各质点相互变形的约束 大体积混凝土由于温度变化 混凝土收缩变形 变形受约束产生应力 在全约束条件下 混凝土结构的变形 应是温差 包括混凝土的收缩值换算为 相当于引起同样温度变形所需要的温差值 即 收缩当量温差 和膨胀剂在棍凝 土中产生的限制膨胀率换算为相当于引起同样温度变形所需要的负温差值 即 膨 胀当量温差 1 和混凝土线膨胀系数的乘积 即 s 丁 口 2 1 式中s 一混凝土温度收缩时的相对变形 丁一混凝土的温差 口一混凝土的线膨胀系数 当收缩变形 超过混凝土的极限拉伸值乞时 结构便出现裂缝 全约束仅是 假想状态 在结构中不可能出现 混凝土还有徐变变形 因此温差在2 5 甚至3 0 情况下 混凝土亦可能不开裂 无约束混凝土就不会产生拉应力 所以说 改 善约束对于防止混凝士开裂有很重要的意义 3 7 1 2 2 3 施工方面的因素 在施工过程中 违章施工 施工不当 浇筑时工人违规加水 模板支撑不利 1 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 拆模过早 混凝土浇注完毕后的违规加载 混凝土运送的经时太长 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 施工缝处未采取特殊 的施工措施 施工顺序不当等都是造成施工期间混凝土出现裂缝的原因 振捣方式不当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 成混凝土不均匀沉降收缩而在结构厚薄交界处出现裂缝 特别是在夏季时 混凝 土表面水分蒸发快 凝结速度也比混凝土内部快 表面看上去凝结时 内部还远 未达到初凝 这样的混凝土若不进行二次振捣和多次抹面 混凝土表面很快就会 出现裂缝 3 8 1 可能会从浅表性的 窄细的 扩展为贯穿性的 采用二次振捣的施 工方法可以消除因塑性沉降引起的内分层 阻断泌水产生的连贯通道 改善骨料 内结构 提高混凝土抗渗抗裂能力 采用二次抹面 提高混凝土表面强度 消除 表面的假凝现象 在实际工程中有一种认识是二次振捣会影响混凝土强度 而实 际上对初凝前的混凝土进行二次振捣不仅不会降低强度 反而会使强度提高 一 个小实验是做混凝土试块时 留一份混凝土试样 三小时后