大體混凝土裂縫成因及控制
【關(guān)鍵詞】：混凝土，裂縫，成因，控制
1.混凝土裂縫的基本概念
混凝土是當(dāng)代最重要的建筑材料，具有抗壓強(qiáng)度高與耐久性良好等特性，但它同時(shí)也存在著抗拉強(qiáng)度低，受拉時(shí)變形能力小，容易開裂等特點(diǎn)。大體積混凝土裂縫的起因大致可以作以下分類：1、由外荷載（靜、動荷載）的直接應(yīng)力引起的裂縫；2、由結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫；3、由變形變化引起的裂縫：即主要由溫度、收縮、不均勻沉降或澎脹等變化產(chǎn)生應(yīng)力而引起的裂縫；以下劃分并沒有嚴(yán)格的界限，因?yàn)樵S多工程裂縫的起因往往是綜合性的。重要的是必須區(qū)別和判斷是由于外荷載引起的，還是結(jié)構(gòu)變化引起的。外荷載引起的裂縫寬度雖小，但鋼筋應(yīng)力可能很高。大體積混凝土內(nèi)出現(xiàn)的裂縫，按其深度不同，一般可分為貫穿裂縫、深層裂縫和表面裂縫。貫穿裂縫切斷了結(jié)構(gòu)斷面，可能破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，其危害性是較嚴(yán)重的；深層裂縫部分切斷結(jié)構(gòu)斷面，可能破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，其有一定的危害性；表面裂縫一般危害性小，但處于基礎(chǔ)或老混凝土約束范圍以內(nèi)的表面裂縫，在內(nèi)部混凝土降溫過程中，可能發(fā)展為貫穿裂縫。
2.大體積混凝土裂縫的性質(zhì)與原因分析
大體積混凝土施工所產(chǎn)生的溫度裂縫是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面是結(jié)構(gòu)物的外部約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)間的約束，阻止這種應(yīng)變；一旦溫度應(yīng)力超過混凝土所能承受的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會出現(xiàn)裂縫，這種裂縫一般雖不會影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度（裂縫寬度在規(guī)定范圍內(nèi)），但對混凝土的耐久性有所影響，因此必須對此加強(qiáng)重視和控制�，F(xiàn)將產(chǎn)生裂縫的主因分述如下：
2.1水泥水化熱是大體積混凝土中的主要因素，水泥在水化過程中要發(fā)出一定的能量。而大體積混凝土結(jié)構(gòu)物一般斷面較厚，水泥發(fā)出的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失。通過實(shí)測大體積混凝土在澆筑后3～5天混凝土內(nèi)部溫度較高能達(dá)到70度左右。由于混凝土導(dǎo)熱性能較差，澆筑初期混凝土強(qiáng)度和彈性模量偏差，對水化熱引起的急劇溫升約束力不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也就較小。隨著混凝土齡期的增長，混凝土的彈性模量增高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的久束力也就就愈來愈大，以致產(chǎn)生很大的應(yīng)力。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力時(shí)，開始出現(xiàn)溫度裂縫。
2.2外界氣溫變化的影響，大體積混凝土在施工階段，外界氣溫的變化影響是顯而易見的。外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而如外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，這對大體混凝土的極為不利的�；炷羶�(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱溫降等各種溫度的疊加，而溫度應(yīng)力則是由溫差所引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應(yīng)力就愈大。同時(shí)，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內(nèi)部溫又較高并且有較大的延續(xù)時(shí)間，在這種情況下，研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的過大溫度應(yīng)力，就顯得更為重要。
2.3約束條件與溫度裂縫的關(guān)系，大體積混凝土由于溫度變化產(chǎn)生變形，而這種變形又受到約束，便產(chǎn)生應(yīng)力，這就是溫度變化引起的應(yīng)力狀態(tài)，而當(dāng)應(yīng)力超過某一數(shù)值，便引起裂縫。如在完全約束條件下混凝土結(jié)構(gòu)物的溫度變形，是溫度與溫度膨脹系數(shù)的乘積，當(dāng)其超過混凝土的極限拉伸值時(shí)便會出現(xiàn)裂縫。
2.4混凝土的收縮變形,混凝土中大部分水分要蒸發(fā)的,少部分水分是水泥硬化所必須的。混凝土水化作用時(shí)產(chǎn)生的體積變形稱為自生體積變形。該變形主要取決于膠凝材料的性質(zhì)，對于普通水泥混凝土來說大多數(shù)為收縮變形，少數(shù)為膨脹變形�；炷恋氖湛s機(jī)理比較復(fù)雜，其主因，可能是內(nèi)部空隙水蒸發(fā)變化時(shí)引起的毛細(xì)管引力。收縮在很大程度上是有可逆現(xiàn)象的。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態(tài)，還可以恢復(fù)澎脹并幾乎達(dá)原有的體積。干濕交替將引起混凝土體積交替變化，這對混凝土控制裂縫是很不利的。影響混凝土收縮的因素很多，如水泥品種和混合材、混凝土的配合成分、化學(xué)外加劑及施工工藝等。
3防止裂縫的技術(shù)措施
3.1設(shè)計(jì)措施
3.1.1重視地基的處理，大體積混凝土一般都是厚體實(shí)重的整澆式結(jié)構(gòu),地基對基礎(chǔ)的影響十分明顯。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)防止地基產(chǎn)生不均勻下沉，以及改善對基礎(chǔ)的約束影響。當(dāng)?shù)鼗鶠檐浲翆訒r(shí),為防止地基產(chǎn)生不均勻下沉,通常采用砂墊層或其他加固辦法。砂墊層不僅可以提高地基的承載能力，而且在施工時(shí)還可以設(shè)置盲溝排水，這對減少地下水或地表水的影響都有明顯作用。砂墊層在施工前應(yīng)通過試驗(yàn)，使其做到具有最佳含水量和最大密實(shí)度再進(jìn)行回填。砂墊層還可以減少對混凝土基礎(chǔ)的約束影響，因此在不均勻的軟土地基中，如符合條件時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)的砂墊層加固方案。
3.1.2合理分縫分塊，合理分縫分塊，不僅可以減輕約束作用，縮小約束范圍；同時(shí)也可利用澆筑塊的層面進(jìn)行散熱，降低混凝土內(nèi)部的溫度。合理的分縫分塊，應(yīng)能使結(jié)構(gòu)起到調(diào)節(jié)溫度變化的作用，確�；炷劣凶杂缮炜s的余地，以達(dá)到釋放溫度應(yīng)力的目的，接縫的處理必須滿足防止?jié)B漏水的要求。
3.1.3合理分布鋼筋，鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)是兩者之間的粘結(jié)力。由于鋼的彈性模量約為混凝土彈性模量的7～15倍，所以當(dāng)混凝土內(nèi)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而開始裂縫時(shí)，此時(shí)鋼筋的應(yīng)力很小，想通過利用鋼筋防止混凝土裂縫的出現(xiàn)，就達(dá)不到目的，但合理布置分布鋼筋，可以起到減輕混凝土的收縮程度，限制裂縫的開展。
3.1.4混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號不宜太高，在大體積混凝土的結(jié)構(gòu)物中，力學(xué)強(qiáng)度和安全貯備通常都很高，但過高的強(qiáng)度貯備，會使水泥用量增多，水化熱變大。導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度過高，造成內(nèi)外溫差過大，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)物的開裂。
3.2模板與鋼筋
3.2.1模板，大體積混凝土施工時(shí)，模板承受著混凝土的側(cè)壓力及振搗混凝土的振動力，因此保證模板及其支撐體系的可靠性，防止模板產(chǎn)生過大的變形是完全必要的。近年來由于采用泵送混凝土，澆筑時(shí)間短而且快，加大了對模板的側(cè)壓力，如模板與支撐系統(tǒng)剛度不夠時(shí)，更加大了混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性，因此大體積混凝土的模板要根據(jù)受力情況，對模板、橫楞、立柱、拉桿以及支撐系統(tǒng)的所有構(gòu)件，都要進(jìn)行分析計(jì)算，并取足夠的安全系數(shù)。
3.2.2鋼筋，在混凝土中鋼筋銹蝕膨脹，體積將變大，這也是大體積混凝土裂縫原因之一。
3.3混凝土原材料
3.3.1水泥
水泥的體積安定性問題。如果在水泥已經(jīng)硬化后，產(chǎn)生不均勻的體積變化，會使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生膨脹裂縫，影響工程質(zhì)量，甚至引起嚴(yán)重的事故。所以體積安定性不良的水泥應(yīng)作廢品處理，絕對不能用于大體積混凝土工程中。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，凡出廠水泥必須用沸煮法檢驗(yàn)其安定性。同時(shí)規(guī)定在水泥熟料中，游離氧化鎂含量不得超過5.0%，水泥中三氧化硫含量不超過3.5%，這些指標(biāo)都是為了控制水泥的體積安定性。
3.3.2骨料
3.3.2.1有害雜質(zhì),拌制混凝土的骨料要求清潔而不含雜質(zhì)，以保證混凝土的質(zhì)量。
3.3.2.2骨料品種和粒徑要求,砂子按其平均粒徑和細(xì)度模量分為粗砂、中砂、細(xì)紗和特細(xì)紗。在大體積混凝土中通常使用粗砂，也可以使用中砂。石子按其形狀分為碎石和卵石。當(dāng)配合比相同時(shí)，碎石混凝土強(qiáng)度較高，抗裂性也較好。當(dāng)混凝土的抗壓強(qiáng)度相等坍落度也相等時(shí)，卵石混凝土的水泥用量較少。對于抗裂性有特殊要求的工程，當(dāng)無碎石時(shí)，也可以將卵石人工軋碎。石子按其最大粒徑分為粗、中、細(xì)三類。當(dāng)所用石子的最大粒徑較大時(shí)，混凝土的密實(shí)性較好，并可以節(jié)約水泥；但為了便于搗實(shí)，石子的最大粒徑不得超過結(jié)構(gòu)截面最小尺寸的1/4，也不得大于鋼筋最小徑距地3/4.當(dāng)混凝土用泵輸送時(shí)，石子的最大粒徑還應(yīng)符合要求，以免發(fā)生堵塞。
3.3.2.3含泥量要求,在大體積混凝土工程中，含泥量作為一個(gè)指標(biāo)較為突出。過多的含泥量，不僅增加混凝土的收縮，又降低強(qiáng)度，而且對抗裂性特別有害。故在施工中應(yīng)采取嚴(yán)格措施加以解決。含泥量的標(biāo)準(zhǔn)，砂子不超過3%，石子不超過1%。
3.3.3拌制或養(yǎng)護(hù)混凝土宜采用天然潔凈的水，海水對于預(yù)應(yīng)力混凝土不得使用。
3.3.4大體積混凝土可以拋一定量塊石（設(shè)計(jì)規(guī)定范圍內(nèi)），可以減少混凝土用量，從而降混凝土內(nèi)度水化熱。塊石一般要求其干凈、清潔；其強(qiáng)度不低于澆筑混凝土強(qiáng)度；拋石要有一定距離。
3.4混凝土配合比
混凝土配合比是指混凝土中各種組成材料的數(shù)量比例。設(shè)計(jì)混凝土，就是要根據(jù)原材料的技術(shù)性能和施工條件，按照施工規(guī)范，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)確定出能滿足工程所要求的混凝土配合比,合理設(shè)計(jì)混凝土的配合比，盡量減小混凝土坍落度，在保證質(zhì)量前提下減少水泥用量。
3.4.1水泥品種與用量,大體積混凝土的水泥，應(yīng)選用低熱或中熱水泥，并優(yōu)先使用325或425號礦渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥。在施工條件許可的范圍內(nèi)，應(yīng)盡可能降低用水量。盡可能少用水泥就能減少水泥總的發(fā)熱量，從而可降低混凝提內(nèi)部的最高溫度，這是設(shè)計(jì)大體積混凝土配合比中應(yīng)考慮的首要問題。
3.4.2摻加粉煤灰,以減少水泥用量，粉煤灰摻量一般為水泥用量15%左右，產(chǎn)量過大，影響混凝土的耐久性。
3.4.3石子級配,石子級配的好壞，對節(jié)約水泥和保證混凝土具有良好的和易性有很大關(guān)系。在實(shí)際工程中，如果單一材料滿足不了上述級配要求時(shí)，可以采用不同粒徑進(jìn)行摻配試驗(yàn)，通過多次篩選，最后確定合理的摻配比例。
3.4.4和易性要求，和易性是指混凝土拌合物能保持混凝土成分的均勻，不致發(fā)生離析現(xiàn)象，且易于施工操作的性能。大體積混凝土的特點(diǎn)是量大面廣，要求混凝土連續(xù)作業(yè)，對溫度控制有嚴(yán)格的規(guī)定，為此混凝土多數(shù)采用集中攪拌站供料。由于受運(yùn)輸、澆筑、振動和氣候等條件的影響較大，所以對混凝土的和易性提出了一些新的要求。
3.4.3.1不同停置時(shí)間及氣候條件，對混凝土拌合物內(nèi)水分的損失與坍落度影響不同;
3.4.3.2不同停置時(shí)間及氣候條件，對混凝土拌合物的熱量（或冷量）損失的影響。
3.4.4外加劑的應(yīng)用,在混凝土或砂漿中摻入少量的外加劑，可以改善其性能，節(jié)約水泥用量，降低工程造價(jià)，縮短施工工期，是一種使用方便，效果顯著的新材料。由于外加劑在混凝土中能顯著地改善混凝土的物理、力學(xué)性能，以致在某些工程中已將外加劑作為配制混凝土必不可少的第五種組成材料，甚至有的國家，已經(jīng)把發(fā)展外加劑作為代替發(fā)展水泥新品種的重要手段。為了保證工程質(zhì)量，摻用外加劑時(shí)一般應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：必須事先適配，摻量準(zhǔn)確，攪拌均勻，注意摻加順序。
3.5混凝土澆筑方法：大體積混凝土澆筑方案應(yīng)根據(jù)整體連續(xù)澆筑的要求，要避免混凝土攪拌后很長時(shí)間使用，并結(jié)合結(jié)構(gòu)物的大小、鋼筋疏密、混凝土供應(yīng)條件（垂直與水平運(yùn)輸能力）等具體情況，選擇如下三種方式：全面分層、分段分層、斜面分層。
3.5.1混凝土澆筑時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：
3.5.1.1分層厚度。每層混凝土的厚度應(yīng)不超過振動棒長的1.25倍，在振搗上一層時(shí)，應(yīng)插入下一層混凝土內(nèi)約5cm，以消除兩層之間的接縫；同時(shí)在振搗上層混凝土?xí)r，要在下層混凝土初凝之前進(jìn)行�；炷练謱雍穸瘸鶕�(jù)振動器的棒長和振動力的大小之外，尚需考慮混凝土供應(yīng)量的大小、澆筑速度及配筋情況，在大體積混凝土工程中，一般可定為400-600mm，數(shù)量較少的混凝土工程中可取250-350mm。
3.5.1.2防止混凝土發(fā)生離析�；炷磷愿咛幾杂蓛A落高度超過2m，應(yīng)沿串筒、溜槽、溜管等下落，以保證混凝土不致發(fā)生離析現(xiàn)象。漏斗和串筒的布置應(yīng)根據(jù)澆筑面積、澆筑速度和攤平混凝土堆得能力而定，但其間距不得大于3m，布置方式為交錯(cuò)式或行列式。
3.5.1.3泵送混凝土的振搗方法。由于泵送混凝土的坍落度較在，與上述三種澆筑方式所規(guī)定的坡度不符。因此在實(shí)際施工中，可將原來分層振搗的方式，改為在斜坡的頭、尾部進(jìn)行振搗，使上下兩層有鋼筋網(wǎng)的混凝土得以密實(shí)。另外，在側(cè)模的邊緣，還可輔以竹桿插振，防止這部分混凝土出現(xiàn)漏振現(xiàn)象。
3.5.1.4表面處理,大體積泵送混凝土，表面水泥漿比較厚，在混凝土澆筑后要認(rèn)真處理。一般可在初凝前1-2h，先用長括尺按標(biāo)高刮平；在初凝前再用鐵滾筒碾壓數(shù)遍，并用木蟹打磨壓實(shí)，以閉合收縮裂縫，約12-14h后，才可覆蓋濕草袋等物養(yǎng)護(hù)。
3.5.1.5施工縫處理。在施工縫處繼續(xù)澆筑混凝土?xí)r，其底層混凝土的抗壓強(qiáng)度不應(yīng)小于1.2MPA;在底層混凝土的表面上，應(yīng)清除水泥薄膜和松動石子或軟弱混凝土層，并加以充分濕潤和沖洗干凈（但不得積水）；在澆筑前，施工縫處宜先鋪10-15mm厚與混凝土成分相同的水泥砂漿，并應(yīng)細(xì)致?lián)v實(shí)，使新舊混凝土緊密結(jié)合。
3.6控制大體積混凝土內(nèi)外溫差也是防止大體積混凝土裂縫的一個(gè)重要方面。一般按規(guī)范來說大體積混凝土內(nèi)外溫差超過25度,混凝土就極易產(chǎn)生溫度裂縫。就施工而言,由于受不同環(huán)境、季節(jié)影響混凝土內(nèi)外溫差較難控制，加強(qiáng)混凝土養(yǎng)生，增加混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間能有效的防止混凝土裂縫，而且冬夏季大體積混凝土施工養(yǎng)生尤為關(guān)健。
3.7溫度控制要求
溫度控制是大體積混凝土施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是防止大體積裂縫的核心。
3.7.1編好施工方案，提出切實(shí)可行的具體措施。在制定方案時(shí)，應(yīng)廣泛聽取有經(jīng)驗(yàn)的工人和技術(shù)人員的意見，并排列出保證質(zhì)量的因果分析圖和對策表，使施工方案的有關(guān)措施落到實(shí)處，如發(fā)生問題，也便于糾正。過去在大體積混凝土工程中，一般只強(qiáng)調(diào)溫差方面的要求，即通常所說的“溫差控制”，而很少核算溫度應(yīng)力，或者認(rèn)為溫差與溫差應(yīng)力成比例關(guān)系，因此就不能有效地防止溫度裂縫的發(fā)生。必須指出，只有溫差控制，由于結(jié)構(gòu)所處的具體條件不同（包括結(jié)構(gòu)尺寸、配筋、基礎(chǔ)約束情況等），它們的溫度應(yīng)力是不一樣的。這就充分說明，采取同樣的溫差控制方法，為什么有的工程不裂，有的工程開裂。
3.7.2加強(qiáng)溫度監(jiān)測工作。不僅要在混凝土成形后，對混凝土的內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測；而且應(yīng)在一開始，就對原材料、混凝土的拌合、入模和澆筑溫度進(jìn)行系統(tǒng)測試，才能針對存在問題，及時(shí)進(jìn)行改進(jìn)。對有關(guān)測試人員應(yīng)進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)和崗位責(zé)任制的教育，以及正確填寫測溫記錄等一些不可忽視的基礎(chǔ)問題。
4結(jié)論
就建設(shè)工程而言，大體積混凝土裂縫主要發(fā)生在施工階段，但產(chǎn)生的原因是錯(cuò)綜復(fù)雜的，但總的原因是在混凝土早期降溫過程中，由于內(nèi)外溫速不同而引起的。他包括了外部條件（主要為基礎(chǔ)約束）和內(nèi)部約束條件（混凝土溫度不均勻引起的自身約束）兩方面的原因，所以大體積混凝土形成裂縫的條件，取決于結(jié)構(gòu)物（或澆筑層）在溫度變化的影響下，能否“同步變形”的問題。能否同步變形設(shè)及到以下幾方面的影響：
1、從控制混凝土最高溫升、內(nèi)外溫差的觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)、不同氣候情況，研究各種溫度控制的方法（包括材料預(yù)冷卻、混凝土澆筑后的保法或降溫法，以及養(yǎng)護(hù)拆模等措施）及適用范圍。而在具體施工時(shí)應(yīng)根據(jù)不同齡期和時(shí)間段，通過溫度監(jiān)測手段，調(diào)整混凝土養(yǎng)護(hù)溫度和養(yǎng)護(hù)時(shí)間。這種溫差控制方法有助于使溫度應(yīng)力嚴(yán)格限制在混凝土所允許的受強(qiáng)度范圍之內(nèi)（與混凝土齡期相對應(yīng)）。
2、從改進(jìn)混凝土材性出發(fā)，探索混凝土最佳配合成分和進(jìn)一步改進(jìn)施工工藝。
3、從改善約速條件考慮，對各類結(jié)構(gòu)的地基條件、變形縫和施工縫的設(shè)置以及混凝土標(biāo)號和配筋率等進(jìn)行必要研究和試驗(yàn)，從而采取出相應(yīng)的技術(shù)措施，以允許混凝土在溫度變化影響下，有一個(gè)較大的變動范圍。
綜上所述，大體積混凝土裂縫產(chǎn)生主因是內(nèi)外變形不同步，故在施工中應(yīng)從內(nèi)部和結(jié)構(gòu)物外部兩方面進(jìn)行綜合研究，著力完善和開發(fā)大體積混凝土的施工技術(shù)，盡量采取可靠措施，使混凝土內(nèi)外變形基本同步，只有這樣才能有可能或減少混凝土裂縫機(jī)會。
【參考文獻(xiàn)】：
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