大体积混凝土温度裂缝的控制措施

第三节大体积混凝土温度裂缝的控制措施在结构工程的设计与施工中 对于大体积混凝土结构 为防止其产生温度裂缝 除需要在施工前进行认真计算外 还要做到在施工过程中采取有效的技术措施 根据我国的施工经验应着重从控制混凝土温升 延缓混凝土降温速率 减少混凝土收缩 提高混凝土极限拉伸值 改善混凝土约束程度 完善构造设计和加强施工中的温度监测等方面采取技术措施 以上这些措施不是孤立的 而是相互联系 相互制约的 施工中必须结合实际 全面考虑 合理采用 才能收到良好的效果 一 水泥的选用大体积混凝土结构引起裂缝的主要原因是 混凝土的导热性能较差 水泥水化热的大量积聚 使混凝土出现早期温升和后期降温现象 因此 控制水泥水化热引起的温升 即减小降温温差 对降低温度应力 防止产生温度裂缝能起到釜底抽薪的作用 一 水泥品种的选择混凝土温升的热源是水泥水化热 故选用中低热的水泥品种 可减少水化热 使混凝土减少升温 例如 优先选用等级为32 5 42 5的矿渣硅酸盐水泥 因其与同等级的矿渣水泥和普通硅酸盐水泥相比 3d的水化热可减少28 在结构施工过程中 由于结构设计的硬性规定极大地制约了材料的选择 混凝土强度不可能因为考虑到施工工作性能的优劣而有所增减 因此 保证混凝土强度的前提下 如何尽可能地减小水化热这个问题就显得尤其重要 二 外加剂的选用在混凝土中掺入一些适宜的外加料 可以便混凝土获得所需要的特性 尤其在泵送混凝土中更为突出 泵送性能良好的混凝土拌和物应具备三种特性 1 在输送管壁形成水泥浆或水泥砂浆的润滑层 便混凝土拌和物具有在管道中顺利滑动的流动性 2 为了能在各种形状和尺寸的输送管内顺利输送 混凝土拌合物要具备适应输送管形状和尺寸的变化的变形性 3 为在泵送混凝土施工过程中不产生离析而造成堵塞 拌和物应具备压力变化和位置变动的抗分离性 由于影响泵送混凝土性能的因素很多 如砂石的种类 品质和级配 用量 砂率 坍落度 外掺料等 因此 为了满足混凝土具有良好的泵送性 在进行混凝土配合比的设计中 不能用单纯增加单位用水量方法 这样不仅会增加水泥用量 增大混凝土的收缩 而且还会使水化热升高 更容易引起裂缝 工程实践证明 在施工中优化混凝土级配 掺加适宜的外加料 以改善混凝土的特性 是大体积混凝土施工中的一项重要技术措施 混凝土中常用的外加料主要是外掺剂和外掺料 一 掺加外掺剂大体积混凝土中掺加外掺剂主要是木质素磺酸钙 简称木钙 一般用作减水剂 属于阴离子表面活性剂 对水泥颗粒有明显的分散效应 并能使水的表面张力降低而引起加气作用 因此 在混凝土中掺入水泥用量约0 25 的木钙减水剂 不仅能使混凝土的和易性有明显的改善 同时又减少了10 左右的拌和水 节约了10 左右的水泥 从而降低了水化热 从表4 16的例子可看出 混凝土中掺入木钙减水剂后 7d的水化热略有增大 但可减小水泥用量l0 左右 因此水化热还是降低的 并且可以延迟水化热释放的速度 这样不但可以减小温度应力 而且还可以使初凝和终凝的时间相应延缓5 8h 可大大减少大体积混凝土施工过程中出现温度裂缝的可能性 普通硅酸盐水泥配制的砂浆或混凝土在干燥时会产生收缩 砂浆的收缩率为0 1 0 2 混凝土的收缩率为0 04 0 06 而一般混凝土的极限拉伸仅为0 0l 0 02 其结果导致混凝土开裂 从而破坏了结构的整体性 降低了抗渗性能 因此 在混凝土中适当地掺入膨胀剂 AEA 矾土水泥 天然明矾石 硬石膏 UEA 烧结明矾石 天然明矾石 硬石膏等 置换相同质量的水泥 使其吸收部分水后发生化学反应 在混凝土中产生0 2 0 7MPa的膨胀自应力 从而使混凝土处于受压状态 抵消由于干缩而产生的拉应力 避免裂缝的发生和发展 同时大大提高了混凝土的抗渗性能和后期抗压强度 达到混凝土结构本身抗裂防水的目的 在施工中 合理使用补偿收缩混凝土 在结构自防水的同时可以实行无缝设计 无缝施工 对节约成本 缩短工期有一定的现实意义 另一方面 由于膨胀剂AEA UEA在混凝土中形成膨胀物钙矾石时需吸收水 在预拌混凝土中 掺入膨胀剂会增加混凝土坍落度的损失 影响混凝土的泵送施工 因此 在使用时须考虑膨胀剂与泵送剂的双掺 二 掺加外掺料粉煤灰是泵送混凝土的重要组成部分 它能有效地提高混凝土的抗渗性能 显著改善混凝土拌料的工作性能 并具有减水作用 由于粉煤灰的火山灰活性效应及微珠效应 使具有优良性质的粉煤灰 不低于二级 在一定掺入量下 水泥质量的15 20 的强度还会有所增加 包括早期强度 同时 粉煤灰的掺入可以使混凝土密实度增加 收缩变形有所减少 泌水量下降 坍落度损失减小 通过预配试验 可取得降低水灰比 减少水泥浆用量 提高混凝土可泵性等良好的效果 特别是可以明显地延缓水化热峰值的出现 降低温度峰值 并能改善混凝土的后期强度 大体积混凝土掺入粉煤灰分为 等量取代法 和 超量取代法 两种 前者是用等体积的粉煤灰取代水泥的方法 但其早期强度 28d以内 也会随掺入量增加而下降 所以对早期抗裂要求较高的工程 取代量应非常慎重 后者是一部分粉煤灰取代等体积水泥 超量部分粉煤灰则取代等体积砂子 它不仅可获得强度增加效应 而且可以补偿粉煤灰取代水泥所降低的早期强度 从而保持粉煤灰掺入前后的混凝土强度等效 三 骨料的选择大体积混凝土砂石料的重量约占混凝土总重量的85 左右 正确选用砂石料对保证混凝土质量 节约水泥用量 降低水化热数量 降低工程成本是非常重要的 骨料的选用应根据就地取材的原则 首先考虑选用生产成本低 质量优良的天然砂石料 根据国内外对人工砂石料的试验研究和生产实践 证明采用人工骨料也可以做到经济实用 1 粗骨料的选择为了达到预定的要求 同时又要发挥水泥最有效的作用 粗骨料有一个最佳的最大粒径 但对于结构工程的大体积混凝土 粗骨料的规格往往与结构物的配筋间距 模板形状以及混凝土的浇筑工艺等因素有关 结构工程的大体积混凝土 宜优先采用以自然连续级配的粗骨料配制 这种用连续级配粗骨料配制的混凝土 具有较好的和易性 较少的用水量和水泥用量 以及较高的抗压强度 在选择粗骨料粒径时 可根据施工条件 尽量选用粒径较大 级配良好的石子 根据有关试验结果证明 采用5 40mm石子比采用5 25石子 每立方米混凝土可减少水量15kg左右 在相同水灰比的情况下 水泥用量可节约20kg左右 混凝土温升可降低2 2 细骨料的选择大体积混凝土中的细骨料 以采用中 粗砂为宜 细度模数宜在2 6 2 9范围内 根据有关试验资料证明 当采用细度模数为2 79 平均粒径为0 381的中粗砂 比采用细度模数为2 12 平均粒径为0 336的细砂 每立方米混凝土可减少水泥用量28 35kg 减少用水量20 25kg 这样就降低了混凝土的温升和减小了混凝土的收缩 泵送混凝土的输送管道形式较多 既有直管又有锥形管 弯管和软管 当通过锥形管和弯管时 混凝土颗粒间的相对位置就会发生变化 此时如果混凝土中的砂浆量不足 便会产生堵管现象 所以 在级配设计时可适当提高砂率 但若砂率过大 将对混凝土的强度产生不利影响 因此 在满足可泵性的前提下 尽可能降低砂率 3 骨料质量的要求骨料的质量如何 直接关系到混凝土的质量 所以 骨料中不应含有超量的粘土 淤泥 粉屑 有机物及其他有害物质 其含量不能超过规定的数值 混凝土试验表明 骨料中的含泥量是影响混凝土质量的最主要因素 它对混凝土的强度 干缩 徐变 抗渗 抗冻融 抗磨损及和易性等性能都产生不利的影响 尤其会增加混凝土的收缩 引起混凝土的抗拉强度的降低 对混凝土的抗裂更是十分不利 因此 在大体积混凝土施工中 石子的含泥量控制在不大于1 砂的含泥量控制在不大于2 三 外部环境的影响1 加强混凝土浇筑与振捣改进混凝土的搅拌工艺对改善混凝土的配合比 减少水化热 提高极限拉伸有着重要的意义 为了进一步提高混凝土质量 采用二次投料的砂浆裹石或净浆裹石搅拌新工艺 可有效地防止水分向石子与水泥砂浆的界面集中 使硬化后界面过渡层的结构致密 粘结加强 从而使混凝土的强度提高10 左右 也提高了混凝土的抗拉强度和极限拉伸值 当混凝土的强度基本相同时 可减少7 左右的水泥用量 混凝土二次振捣的恰当时间是指混凝土经振捣后还能恢复到塑性状态的时间 一般称为振动界限 在实际工程中应由试验确定 2 控制混凝土浇筑温度混凝土从搅拌机出料后 经过运输 泵送 浇筑 振捣等工序后的温度称为混凝土的浇筑温度 由于浇筑温度过高会引起较大的干缩 因此应适当地限制混凝土的浇筑温度 一般情况下 建议混凝土的最高浇筑温度应控制在40 以下 3 控制混凝土出机温度为了降低大体积混凝土总温升和减小结构的内外温差 控制出机温度是很重要的 在混凝土的原材料中 石子的比热较小 但其在每立方米混凝土中所占的质量较大 水的比热最大 但它在混凝土中占的质量却最小 因此 对混凝土的出机温度影响最大的是石子和水的温度 砂的温度次之 水泥的温度影响最小 针对以上的情况 在施工中 为了降低混凝土的出机温度 应采取有效的方法降低石子的温度 在气温较高时 为了防止太阳的直接照射 可在砂 石子堆场搭设简易遮阳装置 必要时 须向骨料喷射水雾或使用冷水冲洗骨料 4 加强混凝土养护地下室外墙浇筑以后 为了减少升温阶段的内外温差 防止因混凝土表面脱水而产生干缩裂缝 应对混凝土进行适当的潮湿养护 为了使水泥顺利进行水化 提高混凝土的极限拉伸和延缓混凝土的水化热降温速度 防止产生过大的温度应力和温度裂缝 应加强对混凝土进行保湿和保温养护 另外 施工中采取合理的技术措施很重要 例如采用带模养护 推迟拆模时间等方法都对控制裂缝起很大的作用 潮湿养护是在混凝土浇筑后 在其表面不断地补给水分 其方法有淋水 铺设湿砂层 湿麻袋或草袋等 并最好在表面盖一层塑料薄膜 潮湿养护的时间是越长越好 但考虑到工期因素 一般不少于半个月 重要结构不少于1个月 混凝土浇筑后数月内 即使养护完毕 也不宜长期直接暴露在风吹日晒的条件下 对地下室墙体这一类的结构 也可采用自动喷淋管 塑料管带有细孔 进行自动给水养护 用长墙上的水平淋水管长期连续对墙体进行淋水养护 效果是比较好的 如使用养护剂涂层进行养护时 必须注意养护剂的质量及必要的涂层厚度 同时还应提供一定的潮湿养护条件 覆盖一层塑料薄膜 保温养护时 可采用2 3层的草袋或草垫之类的保温材料进行覆盖养护 5 防风和回填外部气候也是影响混凝土裂缝发生和开展的因素之一 其中 风速对混凝土的水分蒸发有直接的影响 不可忽视 地下室外墙混凝土应尽量封闭门窗 减少对流 土是最佳的养护介质 地下室外墙混凝土施工完毕后 在条件允许的情况下应尽快回填 四 改善边界约束和构造设计1 合理设置后浇带后浇带的间距由最大整浇长度的计算确定 一般正常情况下由计算确定 其间距为20 30m 后浇带的构造有平接式 T字式 企口式等三种 如图4 2所示 后浇带的宽度应考虑施工方便 避免应力集中 宽度可取700 1000mm 当地上 地下都为现浇钢筋混凝土结构时 在设计中应标明后浇带的位置 并应贯通地上和地下整个结构 但钢筋不应截断 后浇带的保留时间一般不宜少于40d 在此期间 早期温差及30 以上的收缩已经完成 在填筑混凝土之前 必须将整个混凝土表面的原浆凿清形成毛面 清除垃圾及杂物 并隔夜浇水浸润 填筑的混凝土可采用膨胀混凝土 要求混凝土强度比原结构提高5 l0N mm2 并保持不少于14d的潮湿养护 图4 2后浇带构造 2 设置应力释放带正常情况下后浇带的间距为20 30m 但在许多实际工程中 由于设计 施工条件的制约 后浇带的间距往往超过这个范围 例如 在浇筑地下室外墙时 当地下室外墙很长或是环状全封闭结构时 其水平方向的约束应力相当大 若无处释放 就很容易产生竖向裂缝 因此在这类地下室外墙板上合理布置应力释放带 有目的地给予诱导释放 可以有效地减少或防止竖向裂缝的发生 3 合理构造设汁地下室墙体结构设计时应注意构造配筋的重要性 它对结构抗裂性能的影响很大 但目前国内外对此都不够重视 对连续板不宜采用分离式配筋 应采用上下两层的连续配筋 对转角处的楼板宜配上下两层放射筋 其直径为8 14mm 间距约为200mm 同时应尽可能采用小直径 小间距 在孔洞周围 变截面转角处 由于温度变化和混凝土收缩会产生应力集中而导致裂缝 因此 可在孔洞四周增配斜向钢筋 钢筋网片 在变截面处做局部处理 使截面逐步过渡 同时增配抗裂钢筋 防止裂缝 4 设置滑动层和缓冲层由于边界条件在约束下才会产生温度应力 因此 在与外约束的接触面上设置滑动层可以大大减弱外约束 可在外约束两端各1 4 1 5的范围内设置滑动层 对约束较强的接触面 可在接触面上直接设滑动层 滑动层的做法有铺设一层刷有两道热沥青的油毡 或铺设10 20mm厚的沥青砂 或铺设50mm厚的砂或石屑层 在高 低底板交接处和底板地梁等处 用30 50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料做垂直隔离层 如图4 3所示 以缓冲基础收缩时的侧向压力 图4 3缓冲层示意图聚苯乙烯泡沫塑料 5 合理配筋在构造设计方面进行合理配筋 对混凝土结构的抗裂有很大作用 工程实践证明 当混凝土墙板的厚度为400 600mm时 采取增加配置构造钢筋的方法 可使构造筋起到温度筋的作用 能有效提高混凝土的抗裂性能 配置的构造筋应尽可能采用小直径 小间距 例如配置直径6 14mm 间距控制在100 150mm 按全截面对称配筋比较合理 这样可大大提高抵抗贯穿性开裂的能力 进行全截面配筋 含筋率应控制在0 3 0 5 之间为好 对于大体积混凝土 构造筋对控制贯穿性裂缝作用不太明显 但沿混凝土表面配置钢筋 可提高面层抗表面降温的影响和干缩 在孔洞周围 变断面转角部位 转角处等 由于温度变化和混凝土收缩 会产生应力集中而导致混凝土裂缝 为此 可在孔洞四周增配斜向钢筋 钢筋网片 在变断面处避免断面突变 可作局部处理使断面逐渐过渡 同时增配一定量的抗裂钢筋 达对防止裂缝产生是有很大作用的 五 加强施工监测在大体积混凝土的凝结硬化过程中 随时摸清大体积混凝土不同深度温度场升降的变化规律 及时监测混凝土内部的温度情况 对于有的放矢地采取相应的技术措施 确保混凝土不产生过大的温度应力 具有非常重要的作用 监测混凝土内部的温度 可采用在混凝土内不同部位埋设锡热传感器