大体积混凝土裂缝产生原因及防裂措施综述 2.docx

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大体积混凝土裂缝产生原因及防裂措施综述2

高等教育自学考试

毕业论文

论文题目：

浅谈大体积混凝土裂缝

产生原因及防裂措施

专业：

建筑工程

年级：

08建筑

（2）班

姓名：

王澎湃

指导教师：

吴浙文

答辩时间：

2012年5月26日

摘要

本文分析了大体积混凝土产生裂缝的原因；概括介绍了防止裂缝发生的措施，可在工程实践中参考应用。

近年来，随着国民经济和建筑技术的发展，建筑规模不断扩大，大型现代化技术设施或构筑物不断增多，而混凝土结构以其材料廉价物美、施工方便、承载力大、可装饰强的特点，日益受到人们的欢迎，于是大体积混凝土逐渐成为构成大型设施或构筑物主体的重要组成部分。

所谓大体积混凝土，一般理解为尺寸较大的混凝土，美国混凝土学会给出了大体积混凝土的定义：

任何现浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度的减少开裂影响的，即称为大体积混凝土。

这就提出了大体积混凝土开裂的问题，开裂问题是在工程建设中带有一定普遍性的技术问题，裂缝一旦形成，特别是基础贯穿裂缝出现在重要的结构部位，危害极大，它会降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，同时会可能危害到建筑物的安全使用。

所以如何采取有效措施防止大体积混凝土的开裂，是一个值得关注的问题。

关键字：

大体积混凝土裂缝温度水化热降温管水泥

Abstract

Thispaperanalyzesthereasonsforthemassconcretecracks;overviewofmeasurestopreventcracksoccur,refertotheapplicationinengineeringpractice.Inrecentyears,withthedevelopmentofnationaleconomyandbuildingtechnology,buildingscaleexpanding,growingnumberoflargemoderntechnicalfacilitiesorstructures,concretestructurewithitscheappoorqualityofmaterial,convenientconstruction,largecarryingcapacitycanbedecorativefeatures,thegrowingwelcomedbythepeople,sothemassconcreteisbecominganimportantparttoconstitutethemajorfacilitiesorstructuressubject.So-calledmassconcrete,thegeneralunderstandingforthelargersizeoftheconcrete,AmericanConcreteInstitutehasgiventhedefinitionofalargevolumeofconcrete:

anyin-situconcrete,itssizeisreachedtosolvetheheatofhydrationandtheconsequentvolumedeformation,withthegreatestlimitstoreducecrackingimpact,knownasmassconcrete.Thisraisestheproblemofmassconcretecracking,thecrackingproblemiswithacertainuniversalityofthetechnicalproblemsinengineeringconstruction,cracks,onceformed,inparticularthebaserunsthroughthecrackstoappearinimportantpartsofthestructure,andgreatharm,itwillreducethethedurabilityofthestructure,weakeningthebearingcapacityofthecomponent,atthesametimelikelytoendangerthesafeuseofthebuilding.Howtotakeeffectivemeasurestopreventthecrackingofmassconcrete,isamatterofconcern

Keywords:

heatofhydrationofthecracksinmassconcretetemperaturecoolingtubeofcement

目录

1、大体积混凝土裂缝形成的原因……………………………………………………………4

1．1结构型裂缝…………………………………………………………………………………4

1．2材料型裂缝…………………………………………………………………………………5

2、防止裂缝的措施……………………………………………………………………………7

2．1设计措施……………………………………………………………………………………7

2．2原材料的选择………………………………………………………………………………8

2．3加入外加剂…………………………………………………………………………………9

2．4采用合理的施工方法………………………………………………………………………10

2．5浇筑时温度控制……………………………………………………………………………11

2．6混凝土汽化热的计算………………………………………………………………………12

2．7大体积混凝土温差监测……………………………………………………………………14

2．8合理布置冷却管…………………………………………………………………………15

2．9做好表面隔热保护………………………………………………………………………16

2．10养护………………………………………………………………………………………17

2．11通水冷却…………………………………………………………………………………17

3、小结…………………………………………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………………………………18

致谢……………………………………………………………………………………………19

1、大体积混凝土裂缝形成的原因

裂缝产生的原因可分为两类：

一是结构型裂缝，是由外荷载引起的，包括常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝。

二是材料型裂缝，是由非受力变形变化引起的，主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。

其中具体原因如下。

1.1结构型裂缝

（1）结构受荷

在施工中和使用中由于结构受荷都可能出现裂缝。

例如早期受震、构件堆放、运输、吊装时的垫块或吊点位置不当、施工超载、张拉应力值过大等均可能产生裂缝。

而最常见的是钢筋混凝土梁、板等受弯构件，在使用荷载作用下往往出现不同程度的裂缝。

普通钢筋混凝土构件在承受了30-40%的设计荷载，就可能出现裂缝，肉眼一般不能察觉，而构件的极限破坏荷载往往都在设计荷载的1.5倍以上。

所以在一般情况下钢筋混凝土构件是允许带裂缝工作的（这类裂缝也称为无害裂缝）。

在钢筋混凝土设计规范中，分别不同情况规定裂缝的最大宽度为0.2-0.3mm，对那些宽度超过规范规定的裂缝，以及不允许开裂的构件上出现裂缝则是有害的，需加以认真分析，慎重处理。

（2）沉陷裂缝

结构下面的地基软硬不匀，或局部存在松软土，未经夯实和必要的加固处理，砼浇筑后，地基局部产生不均匀沉降而产生裂缝。

结构各部荷载悬殊，未作必要的加强处理，砼浇筑后因地基受力不匀，产生不均匀下沉，造成结构应力集中，而导致裂缝。

模板刚度不足，模板支撑不牢，支撑间距过大或支撑在松软土上，以及过早拆模，也常导致不均匀沉降裂缝出现。

1．2材料型裂缝

1．2．1温度应力引起裂缝（温度裂缝）

目前温度裂缝产生主要原因是由温差造成的。

温差可分为以下三种：

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；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；主要有表面温度裂缝和深进的和贯穿的温度裂缝

（1）表面温度裂缝，多由于温差较大引起的，大体积砼浇筑后，特别是砼基础，在硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，使砼表面和内部温度较大，当温度产生非均匀的降温差时，将导致砼表面急剧的温度变化而产生很大的拉应力，而砼早期抗拉强度低，因而出现裂缝。

（2）深进的和贯穿的温度裂缝多由于结构降温差较大,受到外界的约束而引起的，当大体积砼基础，墙体浇筑在坚硬地基或厚大的老砼垫层上时，没有采取隔离层等放松约束的措施，如果砼浇筑时温度很高，加上水泥水化热的温升很大，使砼的温度很高，当砼降温收缩，全部或部分的受到地基、砼垫层或其它外部结构的约束，将会在砼内部出现很大的拉应力，产生降温收缩裂缝，这类裂缝较深，有时是贯穿性的，将破坏结构的整体性，基础工程长期不回填，受风吹日晒或寒潮袭击作用，因温度变形受到约束，降温时也常出现这类裂缝

1.2．2冻胀裂缝

冬期施工砼结构、构件未保温、砼早期遭受冻结，将表面砼冻胀，解冻后，钢筋部位变形仍不能恢复，而出现裂缝，剥落。

1．2．3收缩引起裂缝

混凝土收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量，混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土的收缩就越大。

混凝土的收缩引起收缩裂缝有很多种，包括干燥收缩、塑性收缩、自身收缩、碳化收缩等等。

（1）干燥收缩裂缝

混凝土硬化后，在干燥的环境下，混凝土内部的水分不断向外散失，引起混凝土由外向内的干缩变形裂缝。

（2）塑性收缩裂缝

在水泥活性大、混凝土温度较高，或在水灰比较低的条件下会加剧引起开裂。

因为这时混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不均匀的裂缝，出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加大，于是裂缝进一步扩展。

（3）自身收缩裂缝

混凝土的逐渐散热和硬化过程引起的收缩，会产生很大的收缩应力，如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝。

自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起。

但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，混凝土体的相对湿度降低，体积减小。

水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响正相反，即当混凝土的水灰比降低时干燥收缩减小，而自身收缩增大。

如当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则接近各占一半。

而且自身收缩中发生于混凝土拌合后的初龄期，因为在这以后，由于体内的自干燥作用，相对湿度降低，水化就基本上终止了。

换句话说，在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分已经产生，甚至已经完成，而不像干燥收缩，除了未覆盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后，因此只要覆盖了表面，就认为混凝土不发生干缩

（4）碳化收缩裂缝

砼水泥砂浆中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳相互作用生成碳酸钙，引起表面体积收缩，受到结构内部未碳化砼的约束，导致表面发生龟裂，在空气中相对湿度较小的干燥环境中最为显著，有时在密闭不通风的地方，使用火炉加热，保温产生大量二氧化碳，使砼表面加快碳化，造成裂缝。

（5）凝缩裂缝

砼表面过度的抹平压光，使水泥和粗骨料过多地浮到表面，形成含水量很大的砂浆层，它比下层砼有较大的干缩性能，水分蒸发后，产生凝缩而出现裂缝，有时在砼表面撒干水泥压光也会产生这种裂缝。

2、防止大体积混凝土裂缝的措施

由以上分析，材料型裂缝主要是由温差和收缩引起，所以为了防止裂缝的产生，就要最大限度的降低温差和减小混凝土的收缩，具体措施如下.

2．1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，应尽可能地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、低热和高极拉值的抗裂混凝土。

（2）增配构造筋提高抗裂性能。

配筋应采用小直径、小间距。

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，提高混凝土的极限拉伸。

（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，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

2．2原材料的选择

2．2．1水泥

由于温差主要是由水化热产生的，所以为了减小温差就要尽量降低水化热，为了降低水化热，要尽量采取早期水化热低的水泥，由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数，要降低水泥的水化热，主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数，硅酸盐水泥的矿物组成主要有：

C3S、C2S、C3A和C4AF，试验表明：

水泥中铝酸三钙（C3A）和硅酸三钙（C3S）含量高的，水化热较高，所以，为了减少水泥的水化热，必须降低熟料中C3A和 C3S的含量。

在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。

另外，在不影响水泥活性的情况下，要尽量使水泥的细度适当减小，因为水泥的细度会影响水化热的放热速率，试验表明比表面积每增加100cm2/g，1d的水化热增加17J/g～21 J/g，7d和20d均增加4 J/g～12 J/g。

2．2．2掺加粉煤灰

为了减少水泥用量，降低水化热并提高和易性，我们可以把部分水泥用粉煤灰代替，掺入粉煤灰主要有以下作用：

①由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，其中二氧化硅含量40%～60%，三氧化二铝含量17%～35%，这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应，是其活性的来源，可以取代部分水泥，从而减少水泥用量，降低混凝土的热胀；②由于粉煤灰颗粒较细，能够参加二次反应的界面相应增加，在混凝土中分散更加均匀；③同时，粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构，使混凝土中总的孔隙率降低，孔结构进一步的细化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相应收缩值也减少。

值得一提的是：

由于粉煤灰的比重较水泥小，混凝土振捣时比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面，使上部混凝土中的掺合料较多，强度较低，表面容易产生塑性收缩裂缝。

因此，粉煤灰的掺量不宜过多，在工程中我们应根据具体情况确定粉煤灰的掺量。

2．2．3骨料

（1）粗骨料

尽量扩大粗骨料的粒径，因为粗骨料粒径越大，级配越好，孔隙率越小，总表面积越小，每立方米的用水泥砂浆量和水泥用量就越小，水化热就随之降低，对防止裂缝的产生有利。

（2）细骨料

宜采用级配良好的中砂和中粗砂，最好用中粗砂，因为其孔隙率小，总表面积小，这样混凝土的用水量和水泥用量就可以减少，水化热就低，裂缝就减少，另一方面，要控制砂子的含泥量，含泥量越大，收缩变形就越大，裂缝就越严重，因此细骨料尽量用干净的中粗沙。

2．3加入外加剂

加入外加剂后能减小混凝土收缩开裂的机会，外加剂对混凝土收缩开裂性能有以下影响：

（1）减水剂对混凝土开裂的影响

减水剂的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土强度或在保持混凝土一定强度时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的。

（2）缓凝剂对混凝土开裂的影响

缓凝剂的作用一是延缓混凝土放热峰值出现的时间，由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小裂缝出现的机率，二是改善和易性，减少运输过程中的塌落度损失。

（3）引气剂对混凝土开裂的影响

引气剂在混凝土的应用对改善混凝土的和易性、可泵性、提高混凝土耐久性能十分有利。

在一定程度上增大混凝土的抗裂性能。

在这里值得注意的是：

外加剂不能掺量过大，否则会产生负面影响，在GB8076～1977中规定，掺有外加剂的混凝土，28d的收缩比不得大于135%，即掺有外加剂的混凝土收缩比基准混凝土的收缩不得大于35%。

2．4采用合理的施工方法

2．4．1混凝土的拌制

（1）在混凝土拌制过程中，现场搅拌计量要准确，要严格控制原材料计量准确，重量允许误差水泥外掺合料±2%，粗骨料±3%，水、外加剂溶液±2%，同时严格控制混凝土出机塌落度，搅拌时间不少于1.5-2.0min。

（2）要尽量降低混凝土拌合物出机口温度，现场采用相应遮挡，防止材料在日光下曝晒，以降低原材料温度。

冬季、高温季节施工材料要有降温或保温措施。

拌合物可采取以下两种降温措施：

一是送冷风对拌和物进行冷却，二是加冰拌合，一般使新拌混凝土的温度控制在6℃左右。

2．4．2混凝土浇注、拆模

（1）混凝土浇注过程质量控制

浇注过程中要进行振捣方可密实，振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜，间距要均匀，以振捣力波及范围重叠二分之一为宜，浇注完毕后，表面要压实、抹平，以防止表面裂缝。

另外，浇注混凝土要求分层浇注，分层流水振捣，同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。

避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。

（2）浇注时间控制

尽量避开在太阳辐射较高的时间浇注，若由于工程需要在夏季施工，则尽量避开正午高温时段，浇注尽量安排在夜间进行。

（3）混凝土拆模时间控制

混凝土在实际温度养护的条件下，强度达到设计强度的75%以上，混凝土中心与表面最低温度控制在25℃以内，预计拆模后混凝土表面温降不超过9℃以上允许拆模。

2．5浇筑温度控制

　　浇筑温度是指砼出罐后，经运输、振捣后的温度。

《混凝土结构工程施工及验收规范》GB50204—92对浇筑温度作了规定：

“不宜超过28℃”。

此规定没有考虑到全国地方差异，例如上海、南京、武汉等我国南方地区高温季节施工大体积砼，若不采取特殊措施是很难达到这一要求的，若采取措施就得花较大的费用。

那么浇筑温度超过28℃是否一定开裂呢？

江苏常州某些工程浇筑温度达到35℃，由于保温降温措施得力，也没有出现温差裂缝。

南京。

上海、武汉等地的某些大体积砼工程浇筑温度超过28℃，个别工程达到41℃，也没有出现危害结构安全和影响使用功能问题。

因此，在《混凝土结构工程施工质量验收规范》GB50204—2002中，对于浇筑温度无不宜超过28℃的限制。

　　控制浇筑温度是有好处的，要降低浇筑温度必须从降低砼出机温度入手，其目的是降低大体积砼的总温升值和减小结构的内外温差。

降低砼出机温度最有效的方法是降低石子的温度，由于夏季气温较高，为防止太阳的直接照射，可要求商品砼供应商在砂、石堆场搭设简易遮阳装置，必要时向骨料喷射水雾或使用前作淋水冲洗。

在控制砼的浇筑温度方面，通过计算砼的工程量，做到合理安排施工流程及机械配置，调整浇筑时间为以夜间浇筑为主，少在白天进行，以免因暴晒而影响质量。

降温速率问题大体积砼的温度变化曲线一般如图所示。

先是一个升温过程，升到最高点后就慢慢降温，升温的速度要比降温的大。

2．6混凝土汽化热的计算

大体积混凝土浇筑后，为了减少升温阶段内外温差，防止产生表面裂缝，在混凝土初凝后及时浇水养护，并在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜，外面再覆盖两层麻袋，并保持混凝土表面湿润，并在混凝土中埋设降温水管，从混凝土初凝后开始通水，以降低混凝土水化热。

同时结构侧模板推迟拆模时间，并保持湿润。

（1）混凝土水化热绝对温升值计算：

Ｔmax＝ｍｃＱ／Ｃρ

式中Ｔmax——混凝土最大水化热绝对温升值，即最终温升值℃，；

ｍｃ——每立方米混凝土水泥用量，根据商品混凝土厂家提供级配取320kg；

Ｑ——每千克水泥水化热，取375kJ/kg（42.5水泥28d水化热）；

Ｃ——混凝土的比热，取0.97kJ/kg·K；

ρ－混凝土的质量密度，取2400kg/m3。

Ｔmax＝320×375/0.97×2400＝51.5℃

则混凝土中心最高温度为入模温度＋Ｔmax＝71.5℃

各龄期混凝土内部的中心温度计算：

当ｔ＝3dＴ（3）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.74＝58.1℃

当ｔ＝6dＴ（6）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.73＝57.6℃

当ｔ＝9dＴ（9）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.72＝57.1℃

当ｔ＝12dＴ（12）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.65＝53.5℃

当ｔ＝15dＴ（15）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.55＝48.3℃

当ｔ＝18dＴ（18）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.46＝43.7℃

当ｔ＝21dＴ（21）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.37＝39.1℃

当ｔ＝24dＴ（24）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.30＝35.5℃

当ｔ＝27dＴ（27）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.25＝32.8℃

当ｔ＝30dＴ（30）＝Ｔ０+Ｔ（ｔ）ζ＝20＋51.5×0.24＝32.4℃

中心点各龄期水化热升降温度计算曲线（见图）

图1中心点各龄期水化热升降温度计算曲线

（2）混凝土表层温度计算：

混凝土表面模板的传热系数计算：

β＝1/[δi/λi+1/βq]式中

β——混凝土表面模板的传热系数，W/m·K；

δi——保温材料厚度；（取0.02m）

λi——保温材料导热系数；（取0.23W/m·K）

βq——空气层的传热系数，取23W/m·K。

β＝7.67W/m·K

混凝土虚厚度计算：

hˊ=k·λ/β式中

hˊ——混凝土虚厚度，m；

k——折减系数，取2/3；

λ——混凝土导热系数，取2.33W/m·k。

hˊ＝0.2m

混凝土计算厚度：

H＝h＋2hˊ

式中H——混凝土计算厚度，m；

h——混凝土实际厚度，取4.2m。

H＝4.6m

混凝土表层温度计算：

T2（t）=Tq+4hˊ（H-hˊ）[t1（t）-Tq]/H2

式中T2（t）——混凝土表层温度，℃；

Tq——施工期间大气平均温度，取15℃；

hˊ——混凝土虚厚度，m；

H——混凝土计算厚度，m；

t1（t）——混凝土中心温度，取71.5℃。

T2（t）＝24.4℃

由以上计算可知混凝土中心温度与混凝土表层温度温差达到47.1℃，远远大于25℃。

为了保证混凝土内外温差小于25℃，在大体积混凝土内设置DN48水管，管径41mm。

水流速度取0.7m/s，水管总长55ｍ（按第一次浇捣混凝土时用量计算），则1h内通