控制大体积混凝土裂缝的技术措施

刘俊 凯控制 大体积混凝 土裂缝 的技 术措施 3 7 控制大体积混凝土裂缝 的技术措施 刘俊凯 中石油东北炼化工程有限责任公司吉林设计院吉林1 3 2 0 0 2 摘要 介绍大体积混凝土裂缝的概念 公式推导 影响裂缝的各项指标以及施工中的预防措施 总结控 制大体积混凝土裂缝的措施 关键词 大体积混凝土水化热温度应力裂缝 现代 建筑 中时常涉 及到 大体 积混 凝土施 工 如高层楼房 基础 大型 设备 基础 和水利 大 坝等 其主要特点 为体积大 一般实 体最小 尺寸 I m 其表面系数 比较 小 水 泥水 化热 释放 比较集 中 内部温升比较快 混凝土 内外 温差 较大 时 易使 混凝土产生温度裂缝 影 响结构安全和正常使用 所以必须分析其原因 采取措施来保证施工质量 I 大体积混凝土的裂缝 大体积混凝 土 内出现 的裂 缝按 深 度 的不 同 分为贯穿裂缝 深层裂缝及表面裂缝三种 贯穿裂缝是 由混凝 土表 面裂缝发 展为深层裂 缝 最终 形成 贯穿裂 缝 它 切 断 了结构 的断面 可能破坏结构的整体性和稳定性 有较严 重 的危 害性 深层裂缝 部分地切 断结 构 断面 也有 一定 危害性 表面裂缝一般危害性较小 大体积混凝 土在施 工阶段所 产生温度裂缝 的 原因 由于内外温差而产生的 结构的外部 约束和混凝 土各质 点间的约束 阻止混凝 土收缩 变形 混凝土抗压强度较大 但抗拉 强度却很小 所 以温度应力 一旦超过 混凝土能 承受 的抗拉强度 时 即会出现裂缝 这种 裂缝 的宽度在允许 限值 内 一般不会影响结构 的强度 但 却对结 构 的耐 久性有所影响 因此必须予以重视和控制 2 产生裂缝 的原 因 2 1 公式的推导 当基础板相对地基有 一温差 T时 计算 板 内 约束应力 此时只考虑对贯穿裂缝起控制作用的 平均拉力 通过光弹试验证 明主拉应力理论 是可 以应用到 长墙 混凝 土裂 缝 的分析 中 概念 清楚 简单实用 长墙受地基约束计算简图见 图 I HT国 夕 j 夕 v x L I 2 L 2 二 一一一一一一一 一 图 1 长墙受地基约束计算简图 在筏式底板的任意点 X处 截取一段 d 长 的 微体 由于假定均匀受力 微体的高度取全高 H 其厚度为 t 承受 均匀 内力为 N 即 盯 的合力 地基对 板 的剪力 为 Q 的合力 取水 平 投影 暂时忽略地基对板的垂直应力 1 7 列出平衡方程 x 0 N d N N Q 0 Ht r r t d x 0 警 音 0 任意点的位移由约束位移与自由位移合成 t z a Tx 一 E 掌 d x 出 d 2 n d 一 十 刘俊凯 工程师 2 0 0 5年 7月毕业于吉林省建筑工程学 院土木工程专业 一直从 事土建结构设计工作 联系 电话 0 4 3 2 6 3 9 5 8 4 9 1 E ma i l l i u j u n k a i c p e n e t o m 38 CHEMI CAL ENGI NEERI NG DEs I GN 一 一 一 如 一 r 一C E 一警 设 一 p 辔一 o n 此微分方程的通解为 Ac h Bs h c h c h h 3 x s h 以此类推 边界条件定积分常数为 0 0 s h O 0 得 A 0 L O z 0 E警 E 掌 出 血 d x c 号 则 B aT 得位移 的表达式 端部位 移 最大水平 法向应力 剪应力都由位移导出 s h l 3 x 卢 c 一 一 寺 一 卜 毒 根据推导结果绘 出水平 法 向力及剪应力 分布 图 见 图 2 从工程实践方面可知 水平应力 仃 是设 计主 要控制应力 是引起 垂直裂缝 的主要应力 其最 大值在截面的中点 x 0处 此处剪应力 一r 0 即 最大 主席 力 a 一 目目 la a x 盯如 一J z y 图 2 长墙的主要应力图形 0 c h l x 1 1 一 O xm x 一 眈 l 导 二 在该值上乘以应力松弛系数得徐变应力 1一 x E a T 导 JH r 为了较为确 切计 算早期 混凝 土 的温度 应力 考虑弹性模量 的变化及 松 弛系数 随时 间的变化 将温差分为许多 区段 T 各段 内将 E t 及 H t 看作常量 最后叠加得考虑徐变作用的应 力 一般大块或厚板均属二维平面应力 1 x max i 一 1 W子 卜 T iE i f 式中 T 为将从温升的峰值至周围气温总降温差 分解为 n段的第 i 段温差 E i t 为相当于第 i 段 降温时的弹性模量 Hi t 丁 为相 当于第 i 段龄 期 T 经过由 t 至 T i 时问的应力松弛系数 t 为 由 峰值温度降至周 围气温的时间 应用上 述公式 可计算 任 意时 间 的应 力状态 但根据裂缝 出现 的实践经验 浇注后 1 5 3 O天出 现较为不利的应力状态 可按此阶段进行计算 从公式可看 出 温度应力 首先和温差成正 比 升 温为正 应力为负 即引起压应力 降温为负 应力为正 即引起拉 应力 收缩值换算 为当量 温 差 永远为 负值 应力为拉应 力 因此混凝 土结 构的降温与 收缩 同时发 生时 混凝 土结 构将 承受 互相叠加的拉应 力 容易 开裂 所 以夏 季施 工 的 工程比秋冬季施工的更容易开裂 2 2 水泥水化热 刘俊凯控制大体积混凝 土裂缝 的技 术措施 3 9 水泥在水化 过程 中要释放 热量 而大体 积混 凝土结构断 面较 厚 表 面系数相 对较小 所 以水 泥发生的水 化热聚集在结构 内部不易散失 以致 越积越多 使 内外 温差增 大 单位 时间混凝 土释 放的水泥水化热 与混凝 土单 位体积 中水泥用 量和 品种有关 并 随混凝 土 的龄期 而增 长 由于混凝 土结构表 面可 以 自然散热 实 际上 内部 的最高 温 度多发生在浇筑后 的最初 3 5天 2 3外界气温变化 大体积混凝土在施 工阶段 的浇筑 温度随着外 界气温变化 而变化 特别 是气 温骤降 会大 大增 加内外层混凝土温差 这对大体积混凝土是极为 不利的 温度应力是由温差引起变形而产生的 温 差愈大 温度应力也愈大 同时 在高温条件 下 大体积混凝土不易 散热 混凝 土 内部 的最高 温度 一 般可达 6 0 6 5 并且有较长 的延续时 间 因 此 应采取温度控 制措施 防止混凝 土 内外温 差 引起过大的温度应力 2 4混凝 土的收 缩 混凝土中约 2 0 的水分是水泥硬化所必须的 而约 8 0 的水分要蒸发 多余水分的蒸发会引起 混凝土体积的收缩 这是 混凝土体积收缩 的主要 原 因 如果 混凝 土 收缩后 再处 于水 饱 和状 态 还可以恢 复膨胀并 几乎达到原 有的体积 干湿 交 替会引起混凝土体 积的交替变化 这对混凝土是 很不利的 影响混凝 土收缩 的因素主要有水泥 品种 混 凝土配合 比 外加剂 和掺合料 的品种 以及施工工 艺 特别是养护条件 等 2 5 结构长度的影响 由上述公式 可看出 最大应力 不仅与高 长 比 H L 有关 而且 与底板长度 的绝对尺寸有关 长度增加 应力增加 但不是线性关 系 在较短 的范围内 长度对应 力 的影 响较大 超 过一定 长 度后 影 响变微 其后趋 近于常数 无 论长度如 何增加 应力不变 见图 3 图中 1为 C 3 X 1 0 N m m 2为 C l O N m m 3为 C 3 1 0 N m m 4为 C 6 X 1 0 N mm 5为 C i N m m 6 为 C 1 5N ram 该图显示 的是具有不变的 H L 1 1 0 具有各 种不同水平阻力系数 c 由于底板绝对尺寸的变 x 7 一 4 f 一7 f 一 一 j 一 1 一 U 2 0 4 O U U i U U 1 2 0 l 4 0 l U 1 9 0 2 U U 2 U 4 U b U U 长度 m 图 3 温度应力与结构长度关 系 化而有不 同应力的关 系曲线 可以看 出 c 越小 应力增加越缓慢 随着长度 的增加 应 力增长速 度不断下降 3 大体 积混凝土的配制 大体积 混凝 土 所 选 用 的原 材 料 应 注 意 以下 几点 1 粗骨料宜采用连续级 配 细骨料 宜采用 中砂 2 外加剂宜采用缓凝剂 减水剂 掺合料 宜采用粉煤灰 矿渣粉等 3 大体积混凝 土在保证混凝土强度及坍落 度要求 的前 提 下 应 提高 掺合 料及 骨料 的含 量 以降低单方混凝土的水泥用量 4 水泥应尽量选用水 化热低 凝 结时间长 的水泥 优先采用 中热 硅酸盐水 泥 低热矿渣硅 酸盐水泥 大坝水泥 矿 渣硅酸盐水 泥 粉煤灰 硅酸盐水泥 火山灰质硅酸盐水泥等 但是 水化热低 的矿 渣水 泥 的析水 性 比其它 水泥大 在浇筑层表 面有大量水 析 出 这种泌水 现象不仅影响施工速 度 同时影响施工 质量 因 析出的水 聚集在上下两 浇筑层 表面 间 使 混凝土 水灰 比改变 而在掏水 时又带走 了一些砂 浆 形 成一层含水量多的夹层 破 坏混凝土 的粘结力 和 整体性 混凝 土泌水性 的大小与用水 量有关 用 水量多 泌水性大 且 与温度有关 水完全析 出 的时间随温度 的提高而缩短 此外 还与水泥 的 成分和细度有关 所 以 在选 用矿渣 水泥时应尽 量选择泌水性 的品种 并应在混凝 土 中掺人减水 剂 以降低用水 量 在施工 中 应及 时排出析水 或拌制一些 干硬性混凝 土均匀浇筑在 析水处 用 振捣器捣实后 再继续浇筑上一层混凝土 4 大体积混凝土的浇筑 浇筑方案除应满足 每一 处混凝 土在初凝 以前 5 4 3 2 1 O O O 0 0 Ij 逍 C H E MI C AL E N GI N E E R I NG D E S I G N 4 r 设计 2 0 1 1 2 1 3 就被上一层新混凝 土覆盖并捣 实完毕外 还应考 虑结构大小 钢筋 疏密 预埋管道 和地脚螺 栓的 留设 混凝土供应情况 以及水化热等因素 的影响 常采用 的浇筑方法有以下几种 4 1 全面分层 即在第一层 全部浇筑完毕后 再 回头浇筑第 二层 此时应使第一层 混凝土还 未初凝 如此逐 层连续浇筑 直至完 工为止 采 用这种 方案适用 于结构的平 面尺寸一般 不宜太大 施 工时从短边 开始 沿长边推进比较合适 必要时可分成两段 从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑 4 2分段 分层 混凝土浇筑时 先从底 层开始 浇筑 至一定 距离后浇筑第二层 如此依次 浇筑其他 各层 由 于总的层数较多 所 以浇筑 到顶后 第 一层末端 的混凝土还未初凝 又可以从第二段依次分层浇 筑 这种方案适 用于单位时 间内要 求供应 的混凝 土较少 不像第一 种方案那 样集 中 这种方案适 用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程 4 3 斜面分层 要求斜面的坡度不大于 1 3 适用于结构 的长 度大大超过厚度 3倍 的情况 混凝土从浇筑层下端 开始 逐渐上移 5 大体积混凝土养护温度 的控 制 大体积混凝 土的养护不仅 要满足强度增 大的 需要 还应通过温 度控制 防止 因温度变形 引起 混凝土的开裂 温度控制 就是要 控制混凝 土的浇筑温度 和混 凝土内部 的最高温度 在混 凝 土养 护 阶段 的温 度 控 制应 遵 循 以下 几点 1 混凝土的 中心温度 与表面温度之 间 混 凝土表面温度 与室外最 低气温之 间的温 差均应小 于 2 0 当结构 混凝土具 有足够 的抗 裂能力 时 不大于 3 0 C 2 采用通蒸 汽养护法 时 混凝土 的收缩 值 随时间而增长 蒸 汽养护 的收缩值低于 常温养 护 的收缩值 混凝土从 开始凝 结就产 生收缩 初期 收缩变形发展较快 2 4周可分别完成全部收缩 的 2 5 一 5 0 1 2周后增长 缓慢 整个收缩过程 可延续 2年以上 最终收缩值为 2 5 1 0 见 图 4 t j 图 4 蒸 汽养护混凝土的收缩值与时间的关系 3 采用内部降温法来降低混凝土内外温差 内部降温法是在混凝土内部预埋水管 通人冷却 水 降低混凝土 内部最高温 度 冷却 在混凝土 刚 浇筑完时就开始进 行 还有 常见 的投 毛石法 均 可以有效地控制 因混凝 土内外温 差而引起 的混凝 土开裂 4 混 凝 土 拆模 时 混 凝 土 的温 差 不超 过 2 0 q C 其温差应包括表面温度 中心温度和外界气 温之间的温差 5 保温法是在结构物外露 的混凝 土表面以 及模板外侧覆盖如草袋 锯末 湿砂等保温材料 在缓慢的散热过程 中 使混凝土获得必要 的强度 以控制混凝土的内外温差小于 2 0 6 昆 凝土表层布设抗裂 钢筋 网片 防止混 凝土收缩时产生干裂 7 减小地基水平 阻力法 即在基础底板 与 垫层之间设滑 动层 如铺 两层油毡 施沥青涂层 以及用其他当地可用的垫层 6 结语 在大体积混凝 土施 工时