大体积混凝土裂缝成因及其施工措施.docx

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大体积混凝土裂缝成因及其施工措施

大体积混凝土裂缝成因及其施工措施

大体积商品混凝土的浇筑一直以来是个困扰工程人员的问题，本文析了夏季容易产生商品混凝土裂缝的原因，并提出了夏季高温条件下工程施工时如何预防商品混凝土裂缝产生的措施。

1　前言

夏季全国普遍高温，南方地区气温尤其高。

以长沙为例，该地区位于北纬28度，夏季处于副热带高气压控制区域，燥热少风，7月最热，平均气温29.4℃，长沙平均每年有29.9天的最高气温超过35℃的酷热天气，历史上绝对最高温曾在8月初出现，达43℃。

由于商品混凝土水化过程中的化学反应产生大量的热量，商品混凝土在浇筑后的温度都会升高。

而商品混凝土浇筑的理想温度在10℃～15℃，因此夏季南方地区的大体积商品混凝土施工中要防止商品混凝土构件裂缝的形成，需采取相应的措施。

2　大体积商品混凝土

大体积商品混凝土是一个相对的概念。

美国商品混凝土协会（ACI）这样定义：

任何就地浇筑的大体积商品混凝土，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地减少开裂。

日本建筑学会这样定义：

结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起的商品混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的商品混凝土，称之为大体积商品混凝土。

我国学界的定义也不尽相同。

有的规定建筑物的基础最小边尺寸在1～3m范围内就是大体积商品混凝土。

也有的规定商品混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因为水化热引起商品混凝土内外温差过大而导致裂隙的商品混凝土称为大体积商品混凝土。

本人认为，不能简单规定商品混凝土的某个尺寸或某个内外温差，而应根据实际浇筑时候的外界情况而需采取温控措施最小体积的商品混凝土称为大体积商品混凝土。

2．1大体积商品混凝土裂隙成因

在大体积商品混凝土中，温升是由水化热引起的。

商品混凝土内部温度升高并且膨胀，而商品混凝土表面处于冷却和收缩状态，如果内外形成温差过大，则在商品混凝土表面产生拉应力引起开裂。

裂缝的宽度和深度取决于热的商品混凝土内部和冷的商品混凝土外表面之间的温度差大小。

大体积商品混凝土很难完全防止裂缝，但如果重视温控设计并注意改善影响的各种因素，最大限度地减少裂缝及避免严重裂缝是可以做到的。

对于重要部位超过温控标准可能发生裂缝的情况，最好进行裂缝的稳定分析，提出临界缝长及临界温度应力，采取重点防护措施，避免产生大缝（超过临界缝长）及严重缝，做到防患于未然。

2．2大体积商品混凝土温控途径

为防止出现开裂，建设工程中的桥梁工程、大坝工程或其他无筋商品混凝土（抗压强度相对较低）的构件要考虑温度控制。

其内部温度不能比当地环境年平均温度高出11℃～4℃（ACI308）。

可通过以下途径控制商品混凝土的内部温度升高：

①低水泥用量——120～270kg／m3；

②大粒径集料——75～150mm：

③高的粗集料用量——可占总集料量的80％；

④低热水泥；

⑤掺加火山灰掺合料——其水化热约为水泥水化热的25％～50％；

⑥冷却商品混凝土组分使商品混凝土的初始温度降至10℃左右；

⑦用预埋的冷却水管给商品混凝土降温；

⑧用散热迅速的钢模浇注；

⑨水养护；

⑩每层浇注厚度不大于1.5m。

高水泥用量的（300～600kg／m3）大体积钢筋商品混凝土结构构件不能用上面提及的浇注工艺和控制措施去控制裂缝。

对这类商品混凝土（常用于板式基础和发电厂厂房），比较适用的技术有：

①对整个商品混凝土构件进行连续浇注：

②避免来自相邻商品混凝土构件的外部束缚，③防止商品混凝土内外产生过高的温差以控制内部的热应力梯度。

后者是通过绝热，如用帐蓬遮盖、被覆棉被和在聚乙烯膜上铺砂使商品混凝土保温来实现的。

研究结果和经验表明如果商品混凝土内外温差最大不超过20℃可防止商品混凝土表面开裂（FitzGibbon1977、Fintel和Ghosh1978），相应的内部裂缝也减少。

如果温差降至20℃或更低，且商品混凝土会缓慢冷却至环境温度，将不会产生表面裂缝，但是只有在商品混凝土构件不受连续配筋限制时，才不会产生裂缝，受约束的商品混凝土在冷却后会由于收缩而趋向开裂，而不受约束的商品混凝土若采取合适的程序而且温差得到监测和控制，将不会开裂。

如果担心商品混凝土构件的温差过高时，则该构件就应视为大体积商品混凝土，而且应采取充分的防范措施。

商品混凝土与周围环境进行热交换的速度很慢是由于商品混凝土的导热系数小。

商品混凝土热散发的速度与其最小尺寸的平方成反比。

例如厚度为0.15m的墙体，如从墙体两侧冷却，散发所放出热量的95％约需1.5h，而厚度为1.5m的墙体散发同样的热量则需整整一周（ACI207）。

可用价廉的热电偶来监测商品混凝土的温度。

3　炎热天气下大体积商品混凝土的施工措施

工地的天气条件——炎热或寒冷、大风或静风、干燥或潮湿，可能明显不同于原规定、设计、选择商品混凝土拌合物时假定的最佳条件，也可能不同于试件养护和测试时的实验室条件。

炎热天气会对商品混凝土产生不利影响，主要体现在高温下水分损失速度和水泥水化反应速度加快。

夏季长沙地区对商品混凝土有害的炎热天气条件包括：

①环境温度高；

②商品混凝土拌合温度高；

③相对湿度低，蒸发速度快：

④太阳高度角大，太阳辐射强。

炎热天气对新拌商品混凝土可能会引起如下的不利影响：

①增加水分需求量；

②加快坍落度损失以致在工地需额外加入水分：

③加快凝结导致浇注和修整困难；

④塑性开裂的趋势增加；

⑤早期养护的要求提高；

⑥难于控制引气；

⑦使商品混凝土内外温度升高以致引起商品混凝土后期强度的降低；

⑧产生热裂缝的概率增大。

在炎热天气下，如果不采取人工降温，通常很难满足新拌商品混凝土所需最适宜温度的10℃～15℃，但夏季长沙日最低气温都在20℃以上；许多规范只规定商品混凝土在浇注时的温度不得超过29℃～32℃，但夏季长沙白天温度可以达到38℃以上。

因此，应该采取必要的施工措施来防治裂缝的发生和发展。

3．1预防措施

商品混凝土浇注的温度在25℃～35℃之间时，应提前采取一些措施来改善高温对商品混凝土产生的不利影响，临时采取的措施很少能充分实施。

如果在工地没有可以参考的数据，那么应该根据试拌时的温度和典型商品混凝土截面尺寸来确定最高温度的限制，而不是引用某些权威机构规定的最佳温度。

尽可能在一定的时间间隔内进行大量的试验测定拌合物的性能，建立不同温度条件下商品混凝土性能与时间关系曲线，以此确定出不同商品混凝土温度时卸载混凝上所允许的最长时间。

要得到商品混凝土所需的强度和耐久性，确定什么时候采取预防措施比控制最高温度更为重要，对于广大多数工程，由于环境和商品混凝土的各种要求太复杂以致不能只简单的限制商品混凝土浇注时的最高温度。

例如，在一个工地控制温度可以容易做到而在另一个工地温控措施又很难做到。

大气状况（包括温度、相对湿度和风速），以及工地条件不同，采取的预防措施也不一样。

例如，在有遮挡太阳辐射的顶棚和挡风外墙时，施工就可以使用高温商品混凝土，但同一天在受阳光直射和风吹的地方浇注商品混凝土就会存在困难。

采取哪种预防措施和什么时候采取预防措施取决于：

结构类型、材料性能、浇注和修整工人在处理现场天气状况时的经验。

下面的预防措施将会减少或避免在炎热天气成型商品混凝土时可能遇到的一些问题：

①采用已在炎热天气时有良好记录的材料和配合比；

②冷却商品混凝土或冷却一种或多种商品混凝土的组分；

③采用适宜的商品混凝土稠度，使其便于，快速浇注和捣实；

④尽可能减少运输、浇注和修整的时间；

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⑤合理的浇注日程，例如晚上或在合适的天气下浇注；

⑥在浇注和修整中考虑采用避免水分损失的方法，如遮阳、挡风、喷雾、淋水；

⑦抹平后采用维持水分的临时养护膜；

⑧施工前根据实际的天气情况确定工程宜采用的预防措施。

3．2商品混凝土组成材料的冷却措施

通常降低商品混凝土温度的方法是在拌合前降低商品混凝土组成材料的温度，如冷却一种或多种组分。

在炎热天气下，应尽量降低集料与拌合水的温度，因为与其他材料相比，这些材料在拌合后对商品混凝土温度影响比较大。

商品混凝土拌合物中每种材料对新拌商品混凝土温度的贡献与每种材料的温度、比热和每种材料的质量有关。

我们可以根据公式[1]大致推断出新拌商品混凝土温度：

T={0.22[TaMa+TcMc）+TwMw+TwaMwa}/{0.22（Ma+Mc）+Mw+Mwa}　[1]

式中，T——新拌商品混凝土温度，℃；

Ta，Tc，Tw，Twa——集料、水泥、拌合水和集料中自由水的温度，℃

Ma，Mc，Mw，Mwa——集料、水泥、拌合水、集料中自由水的质量，Kg。

在商品混凝土所用材料中，水最易冷却。

即使水的用量比其他材料少，但冷水也会适当降低商品混凝土的温度。

我们要尽可能使用较冷的水源，这些水源不要直接暴露在太阳光下，储水池和运输水的管道应该埋藏、隔热、遮阳或漆成白色，使水尽可能保持较低的温度。

水可以用制冷、液氮或冰进行冷却，通常拌合水温度降低2.0℃～2.2℃可以使商品混凝土温度降低0.5℃。

但是，拌合水在整个拌合物中所占的比例很小，所以若单独冷却水，商品混凝土温度降低的幅度一般不超过4.5℃。

如果搅拌结束时冰能完全融化，则碎冰也可作为拌合水来使用。

碎冰在保存时要防止结块。

当碎冰作为拌合水使用时冰的熔解热的影响很大，则有新拌商品混凝土温度的计算公式：

T={0.22（TaMa+TcMc}+TwMw+TwaMwa-80Mi）/{0.22（Ma+Mc）+Mw+Mwa+Mi）　[2]

式中，Mi——冰的质量，kg（引自NRM-CA1962，Mindess等1981）。

另外，碎冰在其他组成材料之前装入商品混凝土水泥搅拌运输车，搅拌时间要足够长以使冰融化，冰的体积不能超过总用水量的75％，使用碎冰可使商品混凝土温度降低的最大值在11℃以内。

如果要使温度降低得更多，最好的方法是在拌合机中注入液氮。

液氮可以直接加入到中心拌合机或商品混凝土水泥搅拌运输车中来降低商品混凝土温度。

必须小心防止液氮接触金属壁，因为超冷的液氮会使金属罐壁开裂。

液氮的加人本身不会影响所需拌合水的用量，但液氮可以通过降低商品混凝土的温度来减少需水量。

集料温度的高低能显著影响商品混凝土的温度，因为它们占商品混凝土质量的70％～85％，如果我们使粗集料的温度下降0.8℃～1.1℃，就可使商品混凝土的温度下降0.5℃。

有许多简单的方法可以使集料保持较低的温度，料堆必须遮阳和通过喷淋维持潮湿。

由于蒸发是一个降温的过程，特别是相对湿度较低时，喷淋是一种有效的冷却方法。

喷淋粗集料时要避免集料表面水分含量变化过大引起流动性、均匀性不良。

另一种冷却方法是制冷。

集料可以浸在冷水桶槽中，还可在储料仓中通人循环的冷空气。

使用真空冷却可以使集料的温度降低到1℃。

3．3使用掺合料

许多商品混凝土生产商认为在炎热天气必须使用掺合料，可选用的材料有粉煤灰和火山灰及磨细粒状高炉矿渣，这些掺合料通常能延缓凝结速度以减少坍落度损失。

然而进行表面修整时应谨慎，因为蒸发的速度大于泌水的速度可能会导致塑性收缩开裂或裂纹。

3．4添加外加剂

炎热天气时，使用缓凝剂可以有效延长凝结时间，尽管缓凝剂的使用会增加坍落度损失。

水化控制剂可用于终止水泥的水化和凝结；如果需要，再使用特殊的促凝剂或激发剂，水化反应又会重新开始。

施工开始前，外加剂应在工地的环境下用工地材料进行试验，确定它们与商品混凝土组分