大体积混凝土裂缝控制探讨

1、.大体积混凝土裂缝控制探讨一、工程概述何山路规划为苏州市直达太湖的城市主干路，远期对接玉屏路连接太湖大道南线。本标段何山路西延工程为东西走向，标段起点顺接2标明挖隧道，位于龙池东路和白马涧河塘之间NK2+207（SK2+213）处，采用双向六车道规模向西延伸，至龙池西路，预留远期主线六车道断头，设支线匝道转向北接龙池西路至马涧路。苏州高新区何山路西延工程三标段为明挖暗埋隧道，主线隧道长970m，起止里程为NK2+207/SK2+213K3+180。两条匝道隧道长720m，其中A匝道长360m，起止里程为AK0+000AK0+360，B匝道长360m，起止里程为BK0+015BK0+375。隧道

2、断面为双向六车道，整体式路线采用一箱两孔形式，分离式路线采用一箱一孔形式。C40防水混凝土抗渗等级P8，砼结构保护层厚度迎土侧为50mm，背土侧为40mm。结构混凝土为大体积混凝土，设计要求混凝工内部预埋管道，宜进行水冷散热。但招标未考虑内部预埋散热管道，实际施工未落实该降温措施。结构施工拆模后，结构侧墙出现接近竖向裂缝，间距2-3米不等，有渗漏水现象。本文结合项目实际情况对大体积混凝土施工中的裂缝控制进行总结探讨。2、 大体积混凝土裂缝形成机理现役混凝土结构基本上都是处于带裂工作的状态，区别在于有些结构的裂缝宽度较小，无碍于结构的安全使用，按照有关规范的规定，其存在是能够被接受的；而有些裂缝

3、的宽度则超出了规范的要求，并会在各种荷载或外界理化因素的作用下，导致硅结构深度碳化、保护层脱落、受力筋锈蚀等后果，进而使得硅结构刚度与强度降低甚至丧失，耐久性变差，情况恶劣时可能有发生结构崩塌的危险，此类裂缝危害极大，必须严加控制。大体积混凝土自浇筑开始，就会受到外界环境和其本身各种因素的作用，使混凝土中任一点的位移和变形会产生不断的变化，从而形成了应力。一般情况下，当应力超过了混凝土此时的极限强度，或其应力变形超过了混凝土的极限变形值，由混凝土构成的结构物就要产生裂缝。裂缝发展到严重程度，结构因失去承载能力而破坏。而这种破坏力综合起来可分为以下几种：（1）温度应力。包括混凝土本身水化热产生的

4、和环境温度变化产生的。（2）干缩应力。由于混凝土的水分扩散系数极小，结构水分散失多发生在混凝土表层很浅的部位，而且拉应力也产生在这个部位。（3）外荷载应力。包括自重、水压、泥沙压力、地震力、设备重量及其他设计考虑的活荷载等。（4）基础变形和模板走样产生的应力。大体积混凝土的开裂主要是由于水化热使混凝土温度升高，其温度扩散缓慢，从而产生较大温差而引起开裂。 温度应力引起的原因：（1）自生应力。没有任何边界上完全约束或静止的结构，如果内部温度是非线形分布的，由于结构本身互相约束而会出现温度应力。大体积混凝土，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。

5、（2）约束应力。结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。而这两种温度应力往往和混凝土的干缩引起的应力共同作用。大体积混凝土中水泥水化热在13天的时候最多，水泥在水化反应过程中产生大量的水化热，这成为大体积混凝土内部温升的主要热量来源。由于大体积混凝土截面尺寸大及混凝土导热性能较差，水化热集聚在混凝土结构内部难以散失，所以会引起混凝土结构内部温度急骤攀升。一般来说，水泥的水化过程从水化速率的角度来讲，可以分为三个阶段：第一阶段可以称为弹性阶段，在初始时刻，水泥颗粒和水接触并反应，放热率很快，但是由于石膏的存在，在水泥粒子的表面会形成一层钝化模，使放热率降低，第二阶段可以称为

6、塑性临界阶段，这一阶段水泥水化热释放率最快，水泥颗粒也随之增长很快，第三阶段可以称为塑性阶段，水泥的水化产物在水泥粒子的表面堆积的厚度逐渐增厚，水泥的水化放热率逐渐降低，这个时候的反应由扩散控制。上面的一部分关于放热的，在水化的初期，水泥粒子之间为彼此分离的，水泥处于塑性状态，不存在强度，在水泥粒子不断水化增长的过程中，水泥粒子之间的接触面积逐渐增大，这一微观现象的宏观表现即为水泥强度的增长。粒子之间的接触面积越大，水泥的抗压强度，弹性模量也增大。温度应力的形成过程又有可分为三个时期： 初期：自浇筑混凝土开始至水泥释放热基本结束。这个阶段具有两个特征：a.水泥放出大量的水化热；b.混凝土弹性模

7、量的急剧变化，这一时期在混凝土内部形成残余应力。中期：自水泥释放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期残余的应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。末期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起的，这些应力与前两种残余应力相叠加。混凝土由于外界气温以及混凝土内部水化热量造成内外温度的不同，容易在混凝土浇筑完毕之后产生收缩裂缝。混凝土收缩裂缝主要包括三个方面：混凝土的沉缩变形、混凝土的干缩变形以及水泥的合缩。1.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

8、系。浇灌成型后，绝大部分空气逸出，固体粒子互相接触，形成一个孔隙中充满着水的空间构架。由于粒子之间仅有微弱的摩擦力，不足以阻止相互的滑移，它们将继续凭借其重力沉降，彼此互相靠近，并使空隙减小。与此同时，混凝土与外界接触的表面(包括浇灌层的顶面和模板漏缝)上毛细管抽吸作用也促进了空隙水的排出。随着这种受制沉降的进行，混凝土的体积必将逐渐减缩，直至水泥水化形成的结构联系足以阻止粒子不再继续滑动为止。混凝土的这种起因于固体沉降、空隙减小的体积减缩可以称为沉缩。从理论上说，混凝土的沉缩就是增实作用的延续，对混凝土各种性能会有积极影响。然而，实际上发生的不均匀沉缩却会导致产生一些不规则的混凝土塑性收缩裂

9、缝。这种裂缝通常是互相平行的，间距一般为0.21.0m，并且有一定的深度，它不仅可以发生在大体积混凝土中，而且可以发生在平面尺寸较大、厚度较薄的结构构件中。2.干缩变形混凝土硬化以后，仍然含有相当数量的可以蒸发的水。如果暴露在干燥空气之中(相对湿度低于95%)，这些水必将逐渐蒸发离去。与此同时，混凝土的外包体积将有相应的减缩。这种体积变化称为混凝土的干缩。水总是从表面蒸发离去的。在干燥空气中，混凝土表层的孔隙水很快离去，然而外界的空气扩散进入表层内，取代已经离去的水原先所占据的空间。此后一方面下一层混凝土的孔隙水蒸发，使已经进入混凝土体内的空气的湿度提高，另一方面湿空气又凭借扩一散作用与外界的

10、干燥空气进行交换，使湿度降低，从而使孔隙水得以继续蒸发。这种干燥过程一直进行到混凝土内部最深处的蒸汽压与外界空气的蒸汽压持平为止。3.水泥合缩水泥化合物与水化合时，只有一部分水进入反应产物的结构，而另外还需要一部分水用以填补反应物结构中的空格而被耗费掉。因此，反应产物的分子体积总是较反应物的分子体积和所消耗的水的体积的总和要小。这种起因于化学结合的体积减缩可以称为合缩。根据水泥的品种不同，其合缩的数量也存在较大差异，对于合缩强烈的水泥，施工时对混凝土的保湿养护应当及早开始进行，否则将会导致混凝土表面层产生裂缝。3、 裂缝成因分析及分类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

11、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，其危害性是较严重的；而深层裂缝部分地切断了结构断面，也有一定危害性；表面裂缝一般危害性较小。但出现裂缝并不是绝对地影响结构安全，它都有一个最大允许值。处于室内正常环境的一般构件最大裂缝宽度0.3mm；处于露天或室内高湿度环境的构件最大裂缝宽度0.2mm。对于地下或半地下结构，混凝土的裂缝主要影响其防水性能。一般当裂缝宽度在0.10.2mm时，虽然早期有轻微渗水，但经过一段时间后，裂缝可以自愈。如超过0.20.3mm，则渗漏水量将随着裂缝宽度的增加而迅速加大，将大大影响结构的使

12、用。大体积混凝土产生裂缝的原因很多，包括混凝土自身的因素、环境的因素、人为的因素等。混凝土自身的因素包括水泥水化放热后混凝土降温过程中产生的温度裂缝、水泥浆硬化时体积收缩所产生的硬化收缩、混凝土干燥时产生的干缩等；环境的因素包括外界的约束、外界温度升降使混凝土膨胀或收缩；人为的因素包括设计的不合理、混凝土配合比不当、材料质量不合格、施工质量差等。在这些因素中，比较普遍且影响较大的有：混凝土因水泥水化放热而升温降温、混凝土收缩、外界约束的存在、混凝土配合比的选择等。大体积混凝土体积庞大，在水泥水化的过程中容易产生大量的水化热，从而不可避免的造成混凝土裂缝。大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝，一

13、方面是混凝土内部因素：由于内外温差而产生的；另一方面是混凝土的外部因素：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，但受拉力却很小，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。下面具体列举一些常见裂缝成因：（1）大体积混凝土水化时产生的大量水化热得不到散发，导致混凝土内外温差较大使混凝土的形变超过极限而引起的裂缝。 （2）混凝土在硬化的过程中由于干缩引起的体积变形受到约束时产生的裂缝，这种裂缝的宽度有时会很大，甚至会贯穿整个构件。 （3）在大厚度的构件中，由于混凝土

14、的塑性塌落受到模板或顶部钢筋的抑制，在浇捣后数小时会发生这种由于混凝土塑性塌落引起的裂缝。 （4）当有约束时，混凝土热胀冷缩所产生的体积胀缩因为受到约束力的限制，在内部产生了温度应力，由于混凝土抗拉强度较低，容易被温度引起的拉应力拉裂从而产生温度裂缝。 （5）混凝土加水拌和后，水泥中的碱与活性骨料中的活性氧化硅起反应，析出的胶状碱硅胶从周围介质中吸水膨胀，体积增大到三倍从而使混凝土胀裂产生裂缝。 （6）在炎热或大风天气，混凝土表面水分蒸发过快以及混凝土水化热高等，在混凝土浇筑后数小时仍处于塑性状态时易产生塑性收缩裂缝。 （7）构件承受荷载所产生的裂缝：如、构件在均布荷载或集中荷载作用下产生内力

15、弯矩，出现垂直于构件纵轴的裂缝；构件在较大剪力作用下，产生斜裂缝，并向上、下延伸。 （8）当结构的基础出现不均匀沉降时，结构构件受到强迫变形，而使结构构件开裂，随着不均匀沉陷的进一步发展，裂缝会进一步扩大。 四、大体积混凝土裂缝的预防措施通过对大体积混凝土的深入研究和工程实践经验的反馈，控制大体积混凝土开裂应从两方面入手。一方面，提高混凝土的抗拉强度，使其足够大，大到各种因素引起的开裂应力小于它。另一方面，控制各种温度应力，使其尽可能小，使之小于混凝土的抗拉强度。而混凝土温度应力取决于其浇筑温度、水泥水化热和混凝土表面温度。即通过优化配合比、选择水泥品种、改善混凝土养护条件等亦可达到控制大体积

16、混凝土裂缝的目的。因此，防止大体积混凝土出现裂缝应从以下几个方面加以有效控制。（一）减小混凝土内外温差1.降低水化热温升（1）选用低标号低水化热水泥。实测值与中低热水泥水化热标准值对比表（2）适当降低水泥用量。经验认为，每1M3混凝土水泥用量减少10KG，混凝土温升值就会降低10。降低水泥用量可以作为控制温度应力的另一主要手段，且越是厚大体积混凝土其效果越明显。2.降低混凝土入模温度。研究表明，混凝土的浇筑温度越高，水泥的水化反应速度越快。一般认为，混凝土浇筑温度每升高10则混凝土内部温度的峰值将提高35，大体积混凝土的浇筑温度最好控制在25以下。搅拌后混凝土热量与搅拌前原材料所含热量是相等的

17、，要想控制混凝土的出机温度就要从控制原材料的温度入手。因为砂石料降温较困难，因此主要是采取措施降低水温和水泥温度。在夏季施工时，加强组织协调，缩短混凝土从出机到入模的时间。将泵送管路用湿麻袋覆盖，防止日晒升温。还可在混凝土罐车的转筒上浇水降温。3.加强保温，控制混凝土内外温差。根据以往施工经验，混凝土中心温度和表面温度之差控制在2030以内，一般可以防止有害裂缝的产生。为了防止大体积混凝土表面温度下降速率太快，条件允许时应该尽量延长拆模时间。拆模以后也要尽快覆盖保温层，防止风吹。正常施工时的保温，混凝土表面铺设一层塑料薄膜，然后是两层麻袋，为了防止雨冷击，麻袋外再设一层薄膜。冬季施工时采用蓄热

18、法保温养护，混凝土顶面铺双层塑料薄膜，内夹三层草帘；侧模采用保温模板，即模板外侧挂三层草帘，外罩篷布或加塑编织布。模板拆除以后，混凝土侧表面围保温被。（二）减小约束应力的措施1.结构段，减小结构长度对约束应力的影响。为了减少出现有害裂缝的机会，施工中建议设计结构段长为15M以内，规范要求为515M。经验得出结论，结构段长在15M以内时出现裂缝的可能性大大减少。2.设置施工缝 。（1）水平施工缝的设置。在底板上连续浇筑墙体时，其上水平缝严格按规范设置。该措施可以避免大断面约束小断面情况的出现。（2）竖向施工缝的设置。施工中采用设置闭合块的方法，进行分块浇筑，共设置4个闭合块，减小了一次浇筑的长度

19、，一方面降低了约束应力，另一方面将水化热从时间和空间上均分散开来，增加了散热面积，降低了温升。3.凝土浇筑间歇期。混凝土的弹性约束应力是在降温过程中由其自身收缩产生的。降温速度越快，约束应力越大，施工中通过测温和采取保温措施调整降温速率，注意防止寒潮侵袭，充分利用混凝土徐变特性产生的松弛效应，避免裂缝的产生。（三）减小环境气候的影响为了降低入模温度，通常不要选择在夏季高温时浇筑混凝土，可在夜间作业；为了减小混凝土内外温差和防冻，也不宜在冬季低温时浇筑混凝土。在混凝土浇筑前要充分了解天气情况，对于浇筑时气候对混凝土可能产生的影响要有一定预见性并能做好充分的准备。在浇筑混凝土以前，对基础、预埋铁件

20、及与新混凝土接触的冷壁（老混凝土、预制混凝土模板等），应用蒸汽清除所有的冰、雪、霜冻，并使其表面温度上升。如果基础及冷壁的内部温度较低，还需要提前进行预热。如果不进行预热，浇筑混凝土以后，接触面附近的新混凝土温度将很快降至零度以下。预热所需温度、深度和持续时间，由温度计算决定。计算原则应使接触面附近的新混凝土在达到临界强度之前不冻结。一般来说，应使基础深度100mm内温度在5以上。（四）加强对大体积混凝土的保温和养护混凝土在浇筑的初期，强度低、抵抗变形能力小，如果遇到不利的外界条件，其表面容易发生有害的冷缩和干缩裂缝。保温的目的是减小混凝土表面与内部温差及表面混凝土温度梯度，防止表面裂缝的发生

21、。无论在常温还是在负温下施工，混凝士表面都需覆盖保温层。常温保温层，可以对混凝土表面因受大气温度化或雨水袭击的温度影响起到缓冲作用；负温保温层则根据工程项目地点、气温以及控制混凝土内外温差等条件进行设计。但负温保温层必须设置不透风材料覆盖层，否则效果不够理想。保温层兼有保湿的作用，如果用湿砂层，湿锯末层或积水保湿效果尤为突出，保湿可以提高混凝土的表面抗裂能力。       五、项目实例苏州高新区何山路西延工程三标段为明挖暗埋隧道，基坑开挖深度2-17米，隧道断面为双向六车道，整体式路线采用一箱两孔形式，分离式路线采用一箱一孔

22、形式。C40防水混凝土抗渗等级P8，砼结构保护层厚度迎土侧为50mm，背土侧为40mm。结构混凝土为大体积混凝土，设计要求混凝工内部预埋管道，宜进行水冷散热。但招标未考虑内部预埋散热管道，实际施工未落实该降温措施。结构施工拆模后，结构侧墙出现接近竖向裂缝，间距2-3米不等，有渗漏水现象。经建设、设计、监理、施工组织专家召开专题会议，分析原因：1、结构施工高峰期正处夏季高温时期；2、大方量混凝土供应不及时，塌落度控制不稳定；3、混凝土振捣局部不到位，表面局部气泡明显；4、养护时间不足；5、底板与侧墙顶板间歇时间过长；6、节段长度过大；经专家讨论，建议以下优化措施：1、对混凝土配合比（C40P8）进行优化：水泥用量合理，无需优化；用水量170Kg/m3偏大，建议优化到165 Kg/m3；