#大體積混凝土(砼)裂縫原理分析和施工控制

1、大體積砼裂縫原理分析及施工控制1. 裂縫概述裂縫是固體材料中的某種不連續(xù)現(xiàn)象。砼在硬化及承載使用過(guò)程中，當(dāng)其“變形要求”超出抵抗變形能力時(shí)，即產(chǎn)生裂縫現(xiàn)象。砼的裂縫可分為宏觀(guān)裂縫和微觀(guān)裂縫。裂縫一般以0.05mm為界，大于等于0.05mm的裂縫稱(chēng)為宏觀(guān)裂縫。砼為骨料、水泥石、氣體、水分等組成的非勻質(zhì)材料，在溫度、濕度變化條件下，砼逐步硬化，同時(shí)產(chǎn)生體積變形。這種變形是不均勻的：水泥石收縮較大，骨料收縮較?。凰嗍臒崤蛎浵禂?shù)大，骨料的熱膨脹系數(shù)小。他們之間的變形是不自由的，產(chǎn)生相互約束應(yīng)力，即發(fā)生微裂縫。在這種意義上說(shuō)，砼的裂縫是不可避免的。一般工業(yè)及民用建筑中，微裂縫對(duì)使用無(wú)危險(xiǎn)性，因此，下

2、文所述的裂縫控制均指宏觀(guān)裂縫，宏觀(guān)裂縫是微觀(guān)裂縫擴(kuò)展的結(jié)果。2. 大體積砼主要裂縫種類(lèi)及成因砼構(gòu)件在使用過(guò)程中，要承受各種外荷載和變形荷載，本文主要探討由于溫度變化及收縮等因素（施工可控因素）引起的變形裂縫。對(duì)于大體積砼，主要變形裂縫為如下幾種。（1）砼表面沉縮裂縫：砼澆筑后初期，水泥水化反應(yīng)劇烈，砼表面出現(xiàn)泌水，骨料和膠合料之間產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，沉縮裂縫往往沿鋼筋分布。（2）表面失水裂縫：砼澆筑硬化過(guò)程中，如果養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，砼表面大量失水，在砼內(nèi)部形成濕度變化梯度，引起表面開(kāi)裂（3）表面溫差裂縫：砼澆筑硬化過(guò)程中，由于養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，砼表面和內(nèi)部溫差過(guò)大，因砼內(nèi)部相對(duì)變形引起表面開(kāi)裂。（4）砼貫通

3、裂縫：由于溫度下降、失水，構(gòu)件產(chǎn)生收縮變形，在基礎(chǔ)等外界因素限制下產(chǎn)生收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮應(yīng)力大于砼抗拉應(yīng)力時(shí)，即產(chǎn)生貫穿砼橫斷面的裂縫。此類(lèi)型裂縫危害最大，是目前施工裂縫控制計(jì)算的主要對(duì)象。3. 大體積砼裂縫控制計(jì)算方法及主要影響因素分析3.1 大體積砼溫度收縮應(yīng)力的基本假定假定勻質(zhì)的大體積砼底板在長(zhǎng)度方向上的變形受地基的約束產(chǎn)生應(yīng)力；砼底板和地基基礎(chǔ)面上的剪應(yīng)力和水平變位成線(xiàn)性比例；砼中部全截面均勻受力，此部位平均主拉應(yīng)力對(duì)貫通裂縫形成起主要作用；砼收縮變形是在一定時(shí)段內(nèi)梯次發(fā)生，砼的徐變導(dǎo)致應(yīng)力松弛，足以緩解主拉應(yīng)力的增大，控制峰值；砼的失水收縮變形是在一定時(shí)段內(nèi)連續(xù)發(fā)生，忽略收縮沿厚度方向

4、的梯次變化（收縮過(guò)程是由表及里逐布發(fā)展的），取其平均收縮值換算成“當(dāng)量溫差”帶入溫度收縮應(yīng)力計(jì)算中。3.2 各因素的取值計(jì)算及分析地基水平阻力系數(shù)Cx地基的水平阻力系數(shù)大小取決于和基礎(chǔ)的剛性，基礎(chǔ)的剛性越小，對(duì)底板的摩擦接觸約束就越小。因此，在特定的基礎(chǔ)型式下，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)及施工方法以降低底板和基礎(chǔ)的接觸約束力。各種基礎(chǔ)形式的Cx值，在各種參考文獻(xiàn)中均給出了相近的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值。3.2.2 砼的最大溫升及降溫曲線(xiàn)。砼水化反應(yīng)過(guò)程中，假設(shè)沒(méi)有任何散熱條件、不發(fā)生任何熱損失的情況下，砼可達(dá)到理論的最高溫度。在實(shí)際計(jì)算砼最高溫度時(shí)，往往偏于安全的取此數(shù)值?？刹扇∪缦鹿剑篢h=mcQ（1-e-mt）/

5、cpTh砼的最終絕熱溫升me每立方米砼中的水泥用量Q每公斤水泥的水化熱量c砼的比熱p砼的密度水泥用量及水泥水化熱值（水泥品種）是主要因素。砼的入模溫度加上絕熱溫升即為砼能達(dá)到的最高溫度。隨后進(jìn)入降溫過(guò)程。影響砼降溫梯度的主要施工可控因素為砼養(yǎng)護(hù)方式及養(yǎng)護(hù)時(shí)間，其它因素主要為外界溫度、結(jié)構(gòu)厚度等。在施工前的控制計(jì)算時(shí)可采用參考文獻(xiàn)中的降溫曲線(xiàn)。應(yīng)力松弛系數(shù)砼的應(yīng)力松弛系數(shù)和發(fā)生應(yīng)力時(shí)的砼齡期及應(yīng)力持續(xù)時(shí)間有關(guān)。砼齡期越早，應(yīng)力持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，應(yīng)力松弛越顯著。應(yīng)力松弛現(xiàn)象的利用，是砼大體積裂縫控制的主要原理。即近可能延長(zhǎng)應(yīng)力發(fā)展的時(shí)間（延長(zhǎng)溫度及失水收縮時(shí)間），通過(guò)應(yīng)力松弛，限制收縮應(yīng)力的疊加值。應(yīng)

6、力松弛系數(shù)可參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)。砼收縮當(dāng)量溫差砼各齡期收縮當(dāng)量溫差T(t)二0(1-e-0.01t)MiM2Mi。/ao標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下砼的極限收縮值，取3.24x1。-4t砼齡期a砼的線(xiàn)膨脹系數(shù)Mi、M2、Mi。水泥品種、細(xì)度、骨料品種等修正系數(shù)。一定齡期時(shí)的砼彈性模量E(t)砼的彈性模量，隨齡期增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，早期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)速度開(kāi)始減慢。各齡期的砼彈性模量可按如下公式計(jì)算：E(t)=Eo(1-e-0.09t)Eo最終的彈性模量，一般取2.6x104N/mm2t砼齡期3.3砼最大拉應(yīng)力計(jì)算n(T=-a/(H(1-1/(chBi0.5L)E(t)TiHii=ia砼線(xiàn)膨脹系數(shù)卩泊松比BiG/HE(t)嚴(yán)

7、H為底板厚度；E(t)為砼彈性模量Ti各齡期砼溫差及收縮當(dāng)量溫差之和Hi各齡期砼松弛系數(shù)L基礎(chǔ)底板一次澆筑長(zhǎng)度大體積砼裂縫施工控制通過(guò)前述部分可知，大體積砼裂縫控制主要就是通過(guò)適當(dāng)?shù)姆椒?，控制砼的溫度變化及失水速率以控制貫通裂縫的產(chǎn)生，并通過(guò)必要的施工措施避免表面裂縫的發(fā)生。4.1砼配比設(shè)計(jì)優(yōu)化砼配合比首要應(yīng)解決砼溫升問(wèn)題，主要因素為水泥品種和水泥用量。在同等用量情況下，普通硅酸鹽水泥水化熱要高于礦渣硅酸鹽水泥，因此應(yīng)優(yōu)先選用礦渣硅酸鹽水泥。底板大體積砼往往泵送澆筑，泵送砼要求較大的塌落度，應(yīng)通過(guò)添加減水劑及摻加粉煤灰的方法以控制水泥用量并獲得優(yōu)良的泵送性能。同時(shí)，礦渣硅酸鹽砼及摻加粉煤灰的砼

8、在硬化過(guò)程中的自生收縮表現(xiàn)為膨脹變形，對(duì)砼的抗裂性是有益的。夏季澆筑的砼，應(yīng)進(jìn)行最大溫升控制，部分文獻(xiàn)要求砼最大溫度不得超過(guò)85C。應(yīng)提前進(jìn)行砼的溫升計(jì)算，必要時(shí)可對(duì)拌合用水及骨料采取降溫措施，以控制砼入模溫度。4.2UEA膨脹劑的使用UEA膨脹劑加入到砼中后，拌水后生成大量膨脹性結(jié)晶水化物，使砼產(chǎn)生適度膨脹。在鋼筋和鄰位的約束下，在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，從而部分地抵消砼收縮應(yīng)力。根據(jù)相關(guān)廠(chǎng)家的資料說(shuō)明，可產(chǎn)生0.20.7Mpa預(yù)壓應(yīng)力。4.3砼保溫養(yǎng)護(hù)方式目前，較常采用蓄水養(yǎng)護(hù)或覆蓋塑料薄膜、阻燃草袋兩種養(yǎng)護(hù)方式。為比較兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，曾進(jìn)行砼溫升對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如下：在現(xiàn)場(chǎng)澆筑兩塊砼，規(guī)

9、格為2X2X1.5m，為降低邊界散熱效應(yīng)，在砼側(cè)壁、底部和砼接觸面上預(yù)置聚苯板隔熱層。在試驗(yàn)進(jìn)行初期，適逢降雨天氣，蓄水養(yǎng)護(hù)的砼試塊溫度產(chǎn)生較為明顯的溫度波動(dòng)，而覆蓋塑料薄膜、阻燃草袋的砼試塊溫度波動(dòng)較小。在大面積施工中，經(jīng)測(cè)量塑料薄膜內(nèi)外表面空氣溫度，單層塑料薄膜即產(chǎn)生了5C溫差。嚴(yán)密覆蓋的塑料薄膜，內(nèi)表面空氣濕度近于飽和，有效防止了早期砼表面干縮裂縫的產(chǎn)生。同時(shí)，只要環(huán)境溫度較高并采取適當(dāng)?shù)娜鏊B(yǎng)護(hù)，即可在砼收縮穩(wěn)定前提前臨時(shí)撤除部分養(yǎng)護(hù)材料，進(jìn)行放線(xiàn)等下道工序后恢復(fù)，對(duì)工期十分有利。在實(shí)際施工中，未導(dǎo)致裂縫發(fā)生。因此，建議優(yōu)先選用覆蓋塑料薄膜、阻燃草袋的養(yǎng)護(hù)方式。510月間，北京地區(qū)養(yǎng)護(hù)

10、時(shí)間及安排可參考如下：砼澆筑810天后，可適當(dāng)撤除阻燃草袋以加快降溫速度。在15天左右，基本達(dá)到砼內(nèi)部和表面溫差、表面和大氣溫差不超過(guò)25C時(shí)，撤除塑料薄膜。4.4砼澆筑區(qū)段設(shè)計(jì)由砼最大主拉應(yīng)力公式可知，應(yīng)力的大小砼澆筑區(qū)段長(zhǎng)度有關(guān)，長(zhǎng)度增加，應(yīng)力增大。在較短的范圍內(nèi)，長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)力影響較大，超過(guò)一定長(zhǎng)度后，影響變小，其后趨近常數(shù)。同時(shí)施工縫經(jīng)常成為“人為”的防水薄弱環(huán)節(jié)，施工縫處理的質(zhì)量難以控制，經(jīng)濟(jì)、工期投入大，因此應(yīng)加大砼澆筑區(qū)段的長(zhǎng)度，主拉應(yīng)力通過(guò)其它因素控制。筆者在實(shí)際施工中，砼澆筑區(qū)段最長(zhǎng)曾超過(guò)80米，未發(fā)現(xiàn)裂縫，因在此數(shù)值基礎(chǔ)上，增加長(zhǎng)度對(duì)主拉應(yīng)力的影響已經(jīng)很小，建議在必要時(shí)進(jìn)一步增

11、大澆筑區(qū)段長(zhǎng)度。砼澆筑區(qū)段放大后，施工縫減少的同時(shí)，相鄰施工段的界面處理必須很好的解決。砼澆筑區(qū)段邊緣變位收縮值最大，無(wú)論跳倉(cāng)和否，相鄰澆筑區(qū)段施工縫處均在理論上有產(chǎn)生裂縫的可能性。筆者曾在同一建筑項(xiàng)目同時(shí)采用過(guò)兩種處理方式：一種為在相鄰澆筑區(qū)段界面處，設(shè)置臨時(shí)后澆帶，在兩側(cè)砼達(dá)到28天以后，向后澆帶澆筑高一強(qiáng)度等級(jí)的高膨脹砼；一種為單純?cè)O(shè)置施工縫，砼跳倉(cāng)澆筑。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察比較，第一種方法在施工縫處未發(fā)現(xiàn)裂縫，后者觀(guān)察到較普遍裂縫。建議選用第一種處理方法，施工縫處選用鋼筋骨架配合鋼絲網(wǎng)的模板方案（免拆除），綜合效益較好。4.5測(cè)溫監(jiān)控措施砼的裂縫控制計(jì)算及施工方法的選擇，溫度變化均參考經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，理論計(jì)算和實(shí)際數(shù)據(jù)必然會(huì)產(chǎn)生誤差，因此，必須對(duì)砼的溫度變化進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控。測(cè)溫方法、測(cè)溫點(diǎn)數(shù)、測(cè)溫頻率等規(guī)