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大体积混凝土温度裂缝控制
发布者:管理员   |   发布时间:2021-05-26   |   所属分类:行业知识   |   阅读次数:384

大体积混凝土温度裂缝控制

    根据材料试验和工程实践证明,现有大体积结构出现的裂缝,绝大多数是由温度裂缝原因而产生的。温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。混凝土的温差可分为以下3种。

    ①混凝土浇注初期,产生大量的水化热,由于混凝土是热的不良导体,水化热积聚在混凝土内部不易散发,常使混凝土内部温度上升,而混凝土表面温度为室外环境温度,这就形成了内外温差,这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力当超过混凝土抗压强度时,就会导致混凝土裂缝。

    ②在拆模前后,表面温度降低很快,造成了温度陡降,也会导致裂缝的产生。

    ③当混凝土内部达到最高温度后,热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度,它们与最高温度的差值就是内部温差。

    以上这3种温差都会使大体积混凝土产生温度裂缝。在这3种温差中,较为主要是由水化热引起的内外温差。

    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温度计算外,还要做到在施工过程中采取一系列有效的技术措施。根据我国的大体积混凝土施工经验,应着重从控制混凝土温升、延缓混凝土降温速率、减少混凝土收缩变形、提高混凝土极限抗拉应力值、改善混凝土约束条件、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。以上各项技术措施并不是孤立的,而是相互联系、相互制约的,设计和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。

1.水泥品种选择和用量控制

    大体积混凝土结构引起裂缝的原因很多,但其主要原因是:混凝土导热性能较差,水泥水化热的大量积聚,使混凝土出现早强温升和后期降温现象。因此,控制水泥水化热引起的温升,即减少混凝土内外温差,对降低温度应力、防止产生温度裂缝将起到釜底抽薪的作用。

    (1)选用中热或低热的水泥品种 混凝土升温的热源主要是水泥在水化反应中产生的水化热,因此选用中热或低热水泥品种,是控制混凝土温升的最根本方法。如强度等级为42.5MPa的矿渣硅酸盐水泥,其3d的水化热为188kJ/kg;而强度等级为42.5MPa的普通硅酸盐水泥,其3d的水化热却高达250kJ/kg;强度等级为42.5MPa的火山灰质硅酸盐水泥,其3d内的水化热仅为同强度等级普通硅酸盐水泥的67%。根据对某大型基础对比试验表明:选用强度等级为42.5MPa的硅酸盐水泥,比选用强度等级为42.5MPa的矿渣硅酸盐水泥,3d内水化热平均升温高5~8℃。

    目前,在大体积混凝土中所用的水泥品种有:普通硅酸盐水泥(须掺加适量的粉煤灰)、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、低热粉煤灰硅酸盐水泥、低热微膨胀水泥等。

    (2)选用适宜的水泥用量 作为整体式结构,由于大体积混凝土所需要的强度是不高的,所以对水泥的强度要求并不高。在配制大体积混凝土中,通常会遇到用高强度水泥配制低强度等级混凝土的问题,这就往往需要在施工现场采取掺加适量活性矿物拍合料或严格控制水泥用量的措施。一般情况下,大体积混凝土的单位水泥用量在内部应取其最小用量,日本规定为140kg/m³左右,我国试验结果表明不超过150kg/m³,这样有利于降低水化热;在外部的混凝土应取较高用量,但也不宜超过300kg/m3,这样对降低大体积混凝土内外部由于水化热引起的温度应力,以及保证大体积混凝土的使用强度和耐久性是有利的。

    (3)选用适宜的水泥细度 水泥的细度虽然对水泥水化热量多少影响不大,但却能显著影响水泥水化放热的速率。据有关试验表明,比表面积每增加100cm2/g,1d的水化热增加17~21J/g,7d和28d增加4~12J/g。但也不能片面地放宽水泥的粉磨细度,否则强度下降过多,反而不得不提高单位体积混凝土中的水泥用量,以导致水泥的水化放热速率虽然较小,但混凝土的放热量反而增加。因此,低热水泥的细度,一般与普通水泥相差不大,只有在确实需要时,水泥的细度才能进行适当调整。

    (4)充分利用混凝土的后期强度 根据大量的试验资料表明,每立方米混凝土中的水泥用量,每增减10kg其水化热将使混凝土的温度相应升降1℃。因此,为了控制混凝土温升,降低温度应力,避免温度裂缝,一方面在满足混凝土强度和耐久性的前提下,尽量减少水泥的用量,对于普通混凝土控制在每立方米混凝土水泥用量不超过400kg;另一方面可根据结构实际承受荷载的情况,对结构的强度和刚度进行复核,并取得设计单位、监理单位和质量检查部门的认可后,采用f45、f60或f30替代f28作为混凝土的设计强度,这样可使每立方米混凝土的水泥用量减少40~70kg,混凝土水化热温升也相应降低4~7℃。

2.混凝土挂加适量的外加料

    由于影响大体积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、址落度、外掺料等。因此,为了满足混凝土具有良好的性能,防止混凝土出现温度裂缝,在进行混凝土配合比设计中,不能用单纯增加水泥浆的方法,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,掺加适量的外加料,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加剂和外掺料。

    (1)掺加外加剂 国内外常用的大体积混凝土外加剂,主要有引气减水剂和缓凝剂。

    ①引气减水剂。在大体积混凝土中,掺加一定量的引气减水剂,在保持混凝土强度不变时,不仅可降低水泥用量的10%~15%,而且还可引入3%~6%的空气,从而改善混凝土拌合物的和易性,提高混凝土的抗冻性和抗渗性。

    ②缓凝剂。在大体积混凝土施工时,掺入适量的缓凝剂,可以防止施工裂缝的生成,并能延长振捣和散发热量的时间。在大体积混凝土中,由于结构的尺寸较大,其内部的水化放热不易消散,很容易造成较大的内外温差,当温度应力达到一定数值时,会引起混凝土的开裂。掺入适量的缓凝剂后,可使水泥水化放热速率减慢,有利于热量的消散,使混凝土内部的温升降低,这对避免产生温度裂缝是有利的。

    (2)捻加外捻料 大体积混凝土工程施工经验表明,在大体积混凝土中拍加适量的活性混合材料,既可以降低水泥用量,又可以降低大体积混凝土的水化热温升。在实际大体积混凝土工程中常用的活性混合材料有粉煤灰、火山灰等。用于大体积混凝土的粉煤灰质量要求,应当符合国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596-2017)中的规定;用于大体积混凝土的火山灰质混合材料质量要求,应当符合国家标准《用于水泥中的火山灰质混合材料》(GB/T2847-2005)中的规定。

3.混凝土所用集料的选择

    集料是混凝土的骨架,集料的质量如何,直接关系到混凝土的质量。所以,集料的质量技术要求,应符合国家标准的有关规定。混凝土试验表明,集料中的含泥量多少是影响混凝土质量的最主要因素。若集料中含泥量过大,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,引起混凝土抗拉强度的降低,对混凝土的抗裂性更是十分不利。

    在大体积混凝土施工中,对粗、细集料的质量要求,一定要符合现行国家标准《建设用卵石、碎石》(GB/T14685-2011)和《建设用砂》(GB/T14684-2011)中的规定,特别是对其含泥量、黏土含量要严格控制。

4.控制混凝土出机和浇筑温度

    为了降低大体积混凝土的总温升,减小结构物的内外温差,控制混凝土的出机温度与浇筑温度同样非常重要。

    (1)控制混凝土的出机温度 在混凝土原材料中,砂石的比热容比较小,但占混凝土总质量的85%左右;水的比热容较大,但它占混凝土总质量的6%左右。因此,对混凝土出机温度影响最大的是石子的温度,砂的温度次之,水泥的温度影响最小。

    为了降低混凝土的出机温度,其最有效的办法就是降低砂、石的温度。降低砂、石温度的方法很多,如在气温较高时,为防止太阳的直接照射,可在砂、石堆料场搭设简易的遮阳装置,砂、石温度可降低3~5℃;如大型水电工程葛洲坝工程,在拌和前用冷水冲洗粗集料,在储料仓中通冷风预冷,再加上冰屑拌和,使混凝土的出机温度达到7℃的要求。

    (2)控制混凝土浇筑温度 混凝土从搅拌机出料后,经搅拌车或其他工具运输、卸料、浇筑、平仓、振捣等工序后的混凝土温度称为混凝土浇筑温度。在有条件的情况下,混凝土的浇筑温度越低,对于降低混凝土内外温差越有利。

    关于混凝土浇筑温度控制,各国都有明确的规定。如美国在ACI施工手册中规定不超过32℃;日本土木学会施工规程中规定不得超过30℃;日本建筑学会钢筋混凝土施工规程中规定不得超过35℃;我国有些规范中提出不得超过25℃,否则必须采取特殊技术措施。

5.延缓混凝土的降温速率

    根据工程实践经验,大体积混凝土中产生的裂缝,绝大多数为表面裂缝。而这些表面裂缝的大多数,又是在经受寒潮冲击或越冬时经受长时间的剧烈降温后产生的。所以,在施工时若能减少混凝土的暴露面和暴露时间,就可以使这些混凝土面减小遭遇寒潮冲击,并在越冬时避免直接接触寒冷空气,从而减小产生裂缝的可能性。

    大体积混凝土浇筑后,注意加强表面的保湿、保温养护,对防止混凝土产生裂缝具有重大作用。混凝土表面保湿、保温养护的目的有3个:①减小混凝土结构的内外温差,防止混凝土出现表面裂缝;②防止混凝土发生骤然受冷,避免产生贯穿裂缝;③延缓混凝土的冷却速度,以减小新老混凝土的上下层约束。

    总之,在混凝土浇筑之后,以适当的材料加以覆盖,采取保湿和保温措施,不仅可以减少升温阶段的内外温差,防止产生表面裂缝,而且可以使水泥顺利水化,提高混凝土的极限拉伸值,防止产生过大的温度应力和温度裂缝。

6.提高混凝土的极限拉伸值

    混凝土的收缩数值和极限拉伸值,除与水泥用量、集料品种和级配、水灰比、集料含泥量等因素有关外,还与施工工艺和施工质量密切相关。因此,通过改善混凝土的配合比和施工工艺,可以在一定程度上减少混凝土的收缩和提高混凝土的极限拉伸数值Ep,这对防止产生温度裂缝也可起到一定的作用。

    大量施工现场试验证明,对浇筑后未初凝的混凝土进行二次振捣,能排除混凝土因泌水在粗集料、水平钢筋下部生成的水分和空隙,提高混凝土与钢筋之间的握裹力,防止因混凝土沉落而出现的裂缝,减小混凝土内部微裂,增加混凝土的密实度,使混凝土的抗压强度提高10%~20%,从而可提高混凝土的抗裂性。

7.改善边界约束和构造设计

    防止大体积混凝土产生温度裂缝,除了可以采取以上施工技术措施外,在改善边界约束和构造设计方面也可采取一些技术措施。如合理分段浇筑、设置滑动层、避免应力集中、设置缓冲层、合理配筋、设应力缓和沟等。

8.加强施工过程中监测工作

    在大体积混凝土的凝结硬化过程中,及时摸清大体积混凝土不同深度温度场升降的变化规律,随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,避免温度裂缝的发生,具有非常重要的作用。

    目前在工程上所用的混凝土测定记录仪,不仅可显示读数,而且还自动记录各测点的温度,能及时绘制出混凝土内部温度变化曲线,随时可对照理论计算值,可有的放矢地采取相应的技术措施。这样在施工过程中,可以做到对大体积混凝土内部的温度变化进行跟踪监测,实现信息化施工,确保施工质量。

9. 掺加适量聚丙烯纤维材料

    在混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维,由于其在混凝土内部构成一种均匀的乱向支撑体系,从而产生一种有效的二级加强效果,它的乱向分布形式削弱了混凝土的塑性收缩,收缩的能量被分散到无数的纤维丝上,从而有效地增强了混凝土的韧性,减少混凝土初凝时收缩引起的裂纹和裂缝。

10.加强混凝土保温养护措施

    为避免大体积混凝土出现温差裂缝,必须采取保温养护措施,以减小内外温差。特别重要的一环是缓慢进行降温,充分发挥混凝土的徐变特性,为混凝土创造完全应力松弛的条件,同时使混凝土保持良好的潮湿状态,这对增加早期强度和减少收缩是十分有利的。

    经工程实践证明,对不同部位的混凝土采用不同的保温养护方法,是避免出现温差裂缝的重要措施。如某工程对闸底板采取塑料薄膜十土工织物+草帘覆盖的保温措施,混凝土凝固后,用35℃左右温水湿润养护,可以完全避免大体积混凝土温差裂缝。




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