大体积高强混凝土施工论文

关键词:大体积高强混凝土裂缝原因防治措施
进入21世纪以来，建筑施工技术飞速发展，随着工程建设的规模越来越大型化，混凝土体积由几百立方米逐渐增大到几万立方米，建筑施工中时常涉及到大体积混凝土的施工，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。由于现在施工中普遍使用的是商品混凝土和大坍落度混凝土，而此类混凝土的开裂现象一直比较普遍，加之现在所生产的放热速度较过去大为提高的水泥，这使得大体积混凝土的温度裂缝问题更加严重。
大体积混凝土温度裂缝是一个十分复杂的问题，预防和控制其产生是人们一直在致力解决的问题。本文总结分析了国内的研究成果，分析了大体积混凝土裂缝的类型，对大体积混凝土裂缝的成因进行了分析总结。
一、裂缝原因分析
大体积混凝土产生裂缝的原因可分为二类:
(1) 由外荷载引起的裂缝,也即结构性裂缝。
(2) 由变形变化引起的裂缝,包括温度、湿度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝,也即非结构性裂缝。本文主要介绍和讲解非结构性裂缝的形成原因。
1、水泥在水化过程中产生大量的热量
水泥在水化过程中产生大量的热量，每克水泥放出的热量达502.42j/g，因而使混凝土内部的温度升高，它在1～3天内放出的热量是总热量的一半。混凝土内部的最高温度多发生在浇筑后3～5天内，当混凝土内部与表面温差过大时，就会产生温度应力和温度变形，温度应力与温度成正比。而混凝土内部的温度与混凝土及水泥用量有关，即混凝土结构尺寸越大，温度应力也越大，因而引起裂缝的可能性也越大，当这种温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生裂缝。因此，防止混凝土出现裂缝的关键就是控制混凝土内部与表面的温差。
2、内外约束条件的影响
大体积钢筋混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时，受到下部地基的限制，因而产生外部约束力。混凝土在早期温度上升时，混凝土的弹性模量小，徐变和应力松驰度大，因而压应力较小。但当温度下降，产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，混凝土会产生垂直裂缝。混凝土内部由于水泥的水化热而形成中心温度高，热膨胀大，因而在中心产生压应力，在表产生拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度和钢筋的约束作用时，同样会产生裂缝。
3、混凝土的收缩变形
混凝土的收缩变形包括混凝土的塑性变形、体积变形、干燥收缩和混凝土匀质性的影响。混凝土中80%的水分要蒸发，20%的水分是水泥硬化所必需的。随着混凝土的继续干燥而使20%的吸附水溢出，就会出现干燥收缩。而表面比中心干燥得快，因而在表面产生拉应力而出现裂缝。
4、设计不合理引起的裂缝
混凝土设计钢筋含量偏低,间距过大,钢筋不能有效抵消混凝土内部足够的拉应力,从而导致裂缝。在钢筋周围混凝土受到约束不能很自由发生形变。如果钢筋直径偏大,约束很强,钢筋周围混凝土将产生很大的应力。另外,设计混凝土保护层过薄,也易使混凝土表面出现裂缝。大体积混凝土设计成高标号,由于其脆性大为增加,抗拉能力降低,在其它条件相同情况下,对各种因素的敏感程度大为提高。同时混凝土强度高,约束增强,也是造成混凝土表面产生裂缝的重要原因。本工程井壁内层采用内钢筒结构,内钢筒通过锚卡与混凝土连结,使混凝土受到边界约束,在锚卡周围混凝土也受到强的约束,对混凝土自由形变非常不利。
5、选用材料不合理引起的裂缝
水化热主要是水泥中矿物组份在水化过程中所放出的热量。因此,选用合适的水泥对预防混凝土产生裂缝至关重要。选用中、低热水泥或大坝水泥有利于降低水化热,但低热水泥混凝土收缩性较高,且价格高于普通水泥。另外,水泥改标后,其比表面积比改标前大为提高,虽然能增加水泥的抗压强度,但不利于混凝土水化热的散发和延缓放热速度,容易产生应力聚集。骨料的品种、粒径对混凝土收缩也有很大影响。骨料的粒径大,混凝土收缩小,有利于混凝土水化热散发,但不利于混凝土强度的提高,特别是高强度混凝土。
6、施工不合理引起的裂缝
(1) 浇筑混凝土时倒灰不均匀,用振动棒找平时,往往是混凝土中石子一振已下沉,多为砂浆或石子偏少的混凝土往两边跑,造成砂浆积聚,使局部混凝土中相对水泥含量增加,此处容易产生大的温度应力与收缩应力,造成裂缝。
(2) 混凝土振捣时过振,造成粗骨料下沉,细骨料留在上层,强度不均匀。特别是最上一段混凝土,过振造成细骨料集中在上部,极易产生收缩裂缝。
7、外界气温变化的影响
混凝土内部温度是由于水泥水化热的绝对温度、浇筑温度和混凝土的散热温度三者的叠加，其中浇筑温度与外界气温有直接关系。外界气温越高，浇筑温度也越高。当温度下降快，会大大增加外层与内部混凝土的温度梯度，从而产生温差和温度应力，使大体积混凝土出现裂缝。因此控制混凝土表面温度与外界气温温差，也是防止裂缝的重要一环。
二、防治措施
1.设计措施
（1）精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能降低混凝土的单位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉值”的抗裂混凝土。
（2）增配构造筋，提高抗裂性能。应采用小直径、小间距的配筋方式，全截面的配筋率应在0.3～0.5%之间。
（3）避免结构突变产生应力集中。在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
（4）在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限抗拉强度。
（5）在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，在正常施 工条件下，后浇缝间距20～30m，保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。
2.原材料控制措施
（1）尽量选用低热或中热水泥(如矿渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期强度(90 d～180d) 以降低水泥用量，减少水化热(因为每加减10 kg水泥，温度会相应增减1 ℃，水化热与水泥用量成正比) 。在条件许可的情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期（1～5 d）可产生一定的预压应力，而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力，减少混凝土内的拉应力，提高混凝土的抗裂能力。
（2）适当搀加粉煤灰。混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，减少新拌混凝土的泌水等。
（3）选择级配良好的骨料。骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%～83%，因此在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。一般来说，可以选用粒径4 mm～40mm的粗骨料，尽量采用中砂，严格控制砂、石子的含泥量(石子在1 %以内，砂在2 %以内) 。控制水灰比在0.6 以下。还可以在混凝土中掺缓凝剂，减缓浇筑速度，以利于散热。另外还可以考虑在大体积混凝土中掺加坚实无裂缝、冲洗干净、规格为150mm～300mm的大块石。掺加大块石不仅减少了混凝土总用量，降低了水化热，而且石块本身也吸收了热量，使水化热能进一步降低，对控制裂缝有一定好处。
（4）适当选用高效减水剂和引气剂，这对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用。
3.施工方法控制措施
大体积混凝土施工时内部应适当预留一些孔道，在内部通循环冷水或冷气冷却，降温速度不应超过0.5 ℃～1.0 ℃/h。对大型设备基础可采用分块分层浇筑(每层间隔时间5d～7d)，分块厚度为1.0m～1.5m，以利于水化热散发和减少约束作用。当混凝土浇筑在岩石地基或厚大的混凝土垫层上时，在岩石地基或混凝土垫层上铺设防滑隔离层(浇二度沥青胶撒铺5 mm 厚砂子或铺二毡三油) ，底板高低起伏和截面突变处，做成渐变化形式，以消除或减少约束作用。此外，还应加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上。尽量采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。还可根据具体工程特点，采用uea补偿收缩混凝土技术。
4.温度控制措施
混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝是极其敏感的。当混凝土从零应力温度降低到混凝土开裂温度时，混凝土拉应力超过了此时的混凝土极限拉应力。因此，通过应降低混凝土内水化热温度和混凝土初始温度，减少和避免裂缝风险。