南方地區(qū)大體積混凝土裂縫成因及其施工措施工學(xué)論文
摘要：大體積混凝土的澆筑一直以來是個困擾工程人員的問題，本文以南方城市長沙為例，分析了夏季容易產(chǎn)生混凝土裂縫的原因，并提出了夏季高溫條件下工程施工時如何預(yù)防混凝土裂縫產(chǎn)生的措施。
關(guān)鍵詞：大體積混凝土；裂縫，施工，夏季
1 前言
夏季全國普遍高溫，南方地區(qū)氣溫尤其高。以長沙為例，該地區(qū)位于北緯28度，夏季處于副熱帶高氣壓控制區(qū)域，燥熱少風(fēng)，7月最熱，平均氣溫29.4℃，長沙平均每年有29.9天的最高氣溫超過35℃的酷熱天氣，歷史上絕對最高溫曾在8月初出現(xiàn)，達43℃。由于混凝土水化過程中的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，混凝土在澆筑后的溫度都會升高。而混凝土澆筑的理想溫度在10℃～15℃，因此夏季南方地區(qū)的大體積混凝土施工中要防止混凝土構(gòu)件裂縫的形成，需采取相應(yīng)的措施。
2 大體積混凝土
大體積混凝土是一個相對的概念。美國混凝土協(xié)會(ACI)這樣定義：任何就地澆筑的大體積混凝土，必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度地減少開裂。日本建筑學(xué)會這樣定義：結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80cm以上，同時水化熱引起的混凝土內(nèi)最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計超過25℃的混凝土，稱之為大體積混凝土。我國學(xué)界的定義也不盡相同。有的規(guī)定建筑物的基礎(chǔ)最小邊尺寸在1～3m范圍內(nèi)就是大體積混凝土。也有的規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸等于或大于1m，或預(yù)計會因為水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂隙的混凝土稱為大體積混凝土。本人認為，不能簡單規(guī)定混凝土的某個尺寸或某個內(nèi)外溫差，而應(yīng)根據(jù)實際澆筑時候的外界情況而需采取溫控措施最小體積的混凝土稱為大體積混凝土。
2．1大體積混凝土裂隙成因
在大體積混凝土中，溫升是由水化熱引起的。混凝土內(nèi)部溫度升高并且膨脹，而混凝土表面處于冷卻和收縮狀態(tài)，如果內(nèi)外形成溫差過大，則在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力引起開裂。裂縫的寬度和深度取決于熱的混凝土內(nèi)部和冷的混凝土外表面之間的溫度差大小。
大體積混凝土很難完全防止裂縫，但如果重視溫控設(shè)計并注意改善影響的各種因素，最大限度地減少裂縫及避免嚴重裂縫是可以做到的。對于重要部位超過溫控標準可能發(fā)生裂縫的情況，最好進行裂縫的穩(wěn)定分析，提出臨界縫長及臨界溫度應(yīng)力，采取重點防護措施，避免產(chǎn)生大縫(超過臨界縫長)及嚴重縫，做到防患于未然。
2．2大體積混凝土溫控途徑
為防止出現(xiàn)開裂，建設(shè)工程中的橋梁工程、大壩工程或其他無筋混凝土(抗壓強度相對較低)的構(gòu)件要考慮溫度控制。其內(nèi)部溫度不能比當(dāng)?shù)丨h(huán)境年平均溫度高出11℃～4℃(ACI 308)。
可通過以下途徑控制混凝土的內(nèi)部溫度升高：
�、俚退嘤昧俊�120～270kg／m3；
�、诖罅郊稀�75～150mm：
�、鄹叩拇旨嫌昧俊烧伎偧狭康�80％；
�、艿蜔崴�；
�、輷郊踊鹕交覔胶狭稀渌療峒s為水泥水化熱的25％～50％；
⑥冷卻混凝土組分使混凝土的初始溫度降至10℃左右；
�、哂妙A(yù)埋的冷卻水管給混凝土降溫；
�、嘤蒙嵫杆俚匿撃沧�；
�、崴B(yǎng)護；
�、饷繉訚沧⒑穸炔淮笥�1.5m。
高水泥用量的(300～600kg／m3)大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能用上面提及的澆注工藝和控制措施去控制裂縫。對這類混凝土(常用于板式基礎(chǔ)和發(fā)電廠廠房)，比較適用的技術(shù)有：①對整個混凝土構(gòu)件進行連續(xù)澆注：②避免來自相鄰混凝土構(gòu)件的外部束縛，③防止混凝土內(nèi)外產(chǎn)生過高的溫差以控制內(nèi)部的熱應(yīng)力梯度。后者是通過絕熱，如用帳蓬遮蓋、被覆棉被和在聚乙烯膜上鋪砂使混凝土保溫來實現(xiàn)的。研究結(jié)果和經(jīng)驗表明如果混凝土內(nèi)外溫差最大不超過20℃可防止混凝土表面開裂(FitzGibbon 1977、Fintel和Ghosh 1978)，相應(yīng)的內(nèi)部裂縫也減少。
如果溫差降至20℃或更低，且混凝土?xí)徛鋮s至環(huán)境溫度，將不會產(chǎn)生表面裂縫，但是只有在混凝土構(gòu)件不受連續(xù)配筋限制時，才不會產(chǎn)生裂縫，受約束的混凝土在冷卻后會由于收縮而趨向開裂，而不受約束的混凝土若采取合適的程序而且溫差得到監(jiān)測和控制，將不會開裂。如果擔(dān)心混凝土構(gòu)件的溫差過高時，則該構(gòu)件就應(yīng)視為大體積混凝土，而且應(yīng)采取充分的防范措施。
混凝土與周圍環(huán)境進行熱交換的速度很慢是由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小�；炷翢嵘l(fā)的速度與其最小尺寸的平方成反比。例如厚度為0.15m的墻體，如從墻體兩側(cè)冷卻，散發(fā)所放出熱量的95％約需1.5h，而厚度為1.5m的墻體散發(fā)同樣的熱量則需整整一周(ACI 207)�？捎脙r廉的熱電偶來監(jiān)測混凝土的溫度。
3 炎熱天氣下大體積混凝土的施工措施
工地的天氣條件——炎熱或寒冷、大風(fēng)或靜風(fēng)、干燥或潮濕，可能明顯不同于原規(guī)定、設(shè)計、選擇混凝土拌合物時假定的最佳條件，也可能不同于試件養(yǎng)護和測試時的實驗室條件。炎熱天氣會對混凝土產(chǎn)生不利影響，主要體現(xiàn)在高溫下水分損失速度和水泥水化反應(yīng)速度加快。夏季長沙地區(qū)對混凝土有害的炎熱天氣條件包括：
�、侪h(huán)境溫度高；
�、诨炷涟韬蠝囟雀�；
�、巯鄬穸鹊停舭l(fā)速度快：
�、芴柛叨冉谴螅栞椛鋸�。
炎熱天氣對新拌混凝土可能會引起如下的不利影響：
①增加水分需求量；
�、诩涌焯涠葥p失以致在工地需額外加入水分：
③加快凝結(jié)導(dǎo)致澆注和修整困難；
④塑性開裂的趨勢增加；
⑤早期養(yǎng)護的要求提高；
⑧難于控制引氣；
�、呤够炷羶�(nèi)外溫度升高以致引起混凝土后期強度的降低；
�、喈a(chǎn)生熱裂縫的概率增大。
在炎熱天氣下，如果不采取人工降溫，通常很難滿足新拌混凝土所需最適宜溫度的10℃～15℃，但夏季長沙日最低氣溫都在20℃以上；許多規(guī)范只規(guī)定混凝土在澆注時的溫度不得超過29℃～32℃，但夏季長沙白天溫度可以達到38℃以上。因此，應(yīng)該采取必要的施工措施來防治裂縫的發(fā)生和發(fā)展。
3．1預(yù)防措施
混凝土澆注的溫度在25℃～35℃之間時，應(yīng)提前采取一些措施來改善高溫對混凝土產(chǎn)生的不利影響，臨時采取的措施很少能充分實施。如果在工地沒有可以參考的數(shù)據(jù)，那么應(yīng)該根據(jù)試拌時的溫度和典型混凝土截面尺寸來確定最高溫度的限制，而不是引用某些權(quán)威機構(gòu)規(guī)定的最佳溫度。盡可能在一定的時間間隔內(nèi)進行大量的試驗測定拌合物的性能，建立不同溫度條件下混凝土性能與時間關(guān)系曲線，以此確定出不同混凝土溫度時卸載混凝上所允許的最長時間。要得到混凝土所需的強度和耐久性，確定什么時候采取預(yù)防措施比控制最高溫度更為重要，對于廣大多數(shù)工程，由于環(huán)境和混凝土的各種要求太復(fù)雜以致不能只簡單的限制混凝土澆注時的最高溫度。例如，在一個工地控制溫度可以容易做到而在另一個工地溫控措施又很難做到。大氣狀況(包括溫度、相對濕度和風(fēng)速)，以及工地條件不同，采取的預(yù)防措施也不一樣。例如，在有遮擋太陽輻射的頂棚和擋風(fēng)外墻時，施工就可以使用高溫混凝土，但同一天在受陽光直射和風(fēng)吹的地方澆注混凝土就會存在困難。
采取哪種預(yù)防措施和什么時候采取預(yù)防措施取決于：結(jié)構(gòu)類型、材料性能、澆注和修整工人在處理現(xiàn)場天氣狀況時的經(jīng)驗。下面的預(yù)防措施將會減少或避免在炎熱天氣成型混凝土?xí)r可能遇到的一些問題：
�、俨捎靡言谘谉崽鞖鈺r有良好記錄的材料和配合比；
�、诶鋮s混凝土或冷卻一種或多種混凝土的組分；
�、鄄捎眠m宜的混凝土稠度，使其便于，快速澆注和搗實；
④盡可能減少運輸、澆注和修整的時間；
�、莺侠淼臐沧⑷粘�，例如晚上或在合適的天氣下澆注；
�、拊跐沧⒑托拚锌紤]采用避免水分損失的方法，如遮陽、擋風(fēng)、噴霧、淋水；
�、吣ㄆ胶蟛捎镁S持水分的臨時養(yǎng)護膜；
�、嗍┕で案鶕�(jù)實際的天氣情況確定工程宜采用的預(yù)防措施。
3．2混凝土組成材料的冷卻措施
通常降低混凝土溫度的方法是在拌合前降低混凝土組成材料的溫度，如冷卻一種或多種組分。在炎熱天氣下，應(yīng)盡量降低集料與拌合水的溫度，因為與其他材料相比，這些材料在拌合后對混凝土溫度影響比較大。
混凝土拌合物中每種材料對新拌混凝土溫度的貢獻與每種材料的溫度、比熱和每種材料的質(zhì)量有關(guān)。我們可以根據(jù)公式[1]大致推斷出新拌混凝土溫度：
T={0.22[TaMa+TcMc)+TwMw+TwaMwa}/{0.22(Ma+Mc)+Mw+Mwa} [1]
式中，T——新拌混凝土溫度，℃；
Ta，Tc，Tw，Twa——集料、水泥、拌合水和集料中自由水的溫度，℃
Ma，Mc，Mw，Mwa——集料、水泥、拌合水、集料中自由水的質(zhì)量，Kg。
在混凝土所用材料中，水最易冷卻。即使水的用量比其他材料少，但冷水也會適當(dāng)降低混凝土的溫度。我們要盡可能使用較冷的水源，這些水源不要直接暴露在太陽光下，儲水池和運輸水的管道應(yīng)該埋藏、隔熱、遮陽或漆成白色，使水盡可能保持較低的溫度。水可以用制冷、液氮或冰進行冷卻，通常拌合水溫度降低2.0℃～2.2℃可以使混凝土溫度降低0.5℃。但是，拌合水在整個拌合物中所占的比例很小，所以若單獨冷卻水，混凝土溫度降低的幅度一般不超過4.5℃。
如果攪拌結(jié)束時冰能完全融化，則碎冰也可作為拌合水來使用。碎冰在保存時要防止結(jié)塊。
當(dāng)碎冰作為拌合水使用時冰的熔解熱的影響很大，則有新拌混凝土溫度的計算公式：
T={0.22(TaMa+TcMc}+TwMw+TwaMwa-80Mi)/{0.22(Ma+Mc)+Mw+Mwa+Mi) [2]
式中，Mi——冰的質(zhì)量，kg(引自NRM-CA1962，Mindess等1981)。
另外，碎冰在其他組成材料之前裝入混凝土攪拌車，攪拌時間要足夠長以使冰融化，冰的體積不能超過總用水量的75％，使用碎冰可使混凝土溫度降低的最大值在11℃以內(nèi)。
如果要使溫度降低得更多，最好的方法是在攪拌機中注入液氮。
液氮可以直接加入到中心攪拌機或混凝土攪拌車中來降低混凝土溫度。必須小心防止液氮接觸金屬壁，因為超冷的液氮會使金屬罐壁開裂。液氮的加人本身不會影響所需拌合水的用量，但液氮可以通過降低混凝土的溫度來減少需水量。
集料溫度的高低能顯著影響混凝土的溫度，因為它們占混凝土質(zhì)量的70％～85％，如果我們使粗集料的溫度下降0.8℃～1.1℃，就可使混凝土的溫度下降0.5℃。
有許多簡單的方法可以使集料保持較低的溫度，料堆必須遮陽和通過噴淋維持潮濕。由于蒸發(fā)是一個降溫的過程，特別是相對濕度較低時，噴淋是一種有效的冷卻方法。噴淋粗集料時要避免集料表面水分含量變化過大引起流動性、均勻性不良。另一種冷卻方法是制冷。集料可以浸在冷水桶槽中，還可在儲料倉中通人循環(huán)的冷空氣。使用真空冷卻可以使集料的溫度降低到1℃。
3．3使用摻合料
許多混凝土生產(chǎn)商認為在炎熱天氣必須使用摻合料，可選用的材料有粉煤灰和火山灰及磨細粒狀高爐礦渣，這些摻合料通常能延緩凝結(jié)速度以減少坍落度損失。然而進行表面修整時應(yīng)謹慎，因為蒸發(fā)的速度大于泌水的速度可能會導(dǎo)致塑性收縮開裂或裂紋。
3．4添加外加劑
炎熱天氣時，使用緩凝劑可以有效延長凝結(jié)時間，盡管緩凝劑的使用會增加坍落度損失。水化控制劑可用于終止水泥的水化和凝結(jié)；如果需要，再使用特殊的促凝劑或激發(fā)劑，水化反應(yīng)又會重新開始。施工開始前，外加劑應(yīng)在工地的環(huán)境下用工地材料進行試驗，確定它們與混凝土組分的相容性以及在特定條件下達到預(yù)期效果的能力。
3．5控制水化熱
水泥水化過程中產(chǎn)生的熱量能升高混凝土的溫度，溫度升高的程度取決于混凝土澆注時的體積、周圍環(huán)境、混凝土的水泥用量，通常認為每45kg普通硅酸鹽水泥水化產(chǎn)生的熱量可使混凝土溫度升高5℃～9℃，這就要求在炎熱天氣下的混凝土工程和澆注大體積混凝土?xí)r，必須采取措施來處理水泥水化產(chǎn)生的熱和伴隨的溫度體積變形以及控制開裂。
3．6大體積混凝土成型前的措施
在炎熱的天氣，混凝土澆注前，應(yīng)采取一定的預(yù)防措施來維持或降低混凝土的溫度，攪拌機、流料槽、傳送帶、漏料斗、泵送管以及其他設(shè)備都應(yīng)遮陽、漆成白色或蓋上濕麻布來減少太陽輻射熱能。
澆注混凝土前，模板、鋼筋及基礎(chǔ)應(yīng)噴霧或用涼水噴淋，在澆注和修整時對這些地方噴霧不僅能降低接觸面和周圍空氣的溫度，還能增加空氣的相對濕度，從而減緩混凝土溫度的升高，也使得澆注后混凝土水分的蒸發(fā)最少。在溫度特別高時，將澆注混凝土的時間改在早晚或夜間，可以取得良好的效果，這些措施可以很經(jīng)濟地減小大體積混凝土的溫度收縮和開裂。
3．6．1混凝土的運輸、澆注與修整
在炎熱天氣，應(yīng)該盡快完成混凝土的運輸和澆注，這些程序的拖延就會引起坍落度的損失和混凝土溫度的升高。在工地，必須有充足的人力和設(shè)備，以便混凝土運達后能立即進行處理與澆注。
首先應(yīng)減少攪拌時間。如果需要延長攪拌，應(yīng)停用攪拌機，采用間歇性攪動，可使攪拌產(chǎn)生的熱量最小。在炎熱天氣卸載混凝土的時間限制在1h甚至45min內(nèi)較為合理，如果卸載混凝土有特定的時限要求，那么施工過程中要嚴格按要求操作。最好通過試拌來模擬時間、攪拌合預(yù)期的混凝土溫度等數(shù)據(jù)，如果有必要，還可以減少時間限制。
由于在炎熱天氣混凝土凝結(jié)更快，更應(yīng)采用一些澆注技術(shù)避免產(chǎn)生冷縫。澆注墻體時應(yīng)按規(guī)定進行薄層澆注，以使得前后兩部分的密實有較充裕的時間。臨時遮陽和擋風(fēng)有助于減少冷工縫的產(chǎn)生。
混凝土表面收光后或混凝土能支撐修整工人的重量且凹陷深度不超過5mm時，應(yīng)立即抹平混凝土板，在干燥與有風(fēng)的天氣抹面應(yīng)特別注意，混凝土表面的快速干燥會引起塑性收縮開裂。
3．6．2預(yù)防塑性收縮裂縫
塑性收縮裂縫有時在新拌混凝土澆注后不久就在表面出現(xiàn)，而有時卻在修整時或修整后不久產(chǎn)生。如果采取預(yù)防措施，可以消除這些主要在水平表面出現(xiàn)的裂縫。
炎熱天氣通常會造成塑性收縮開裂，但如果周圍環(huán)境引起混凝土表面水分快速蒸發(fā)，塑性收縮開裂也會隨時發(fā)生，一旦混凝土表面蒸發(fā)的水分大于泌水速度就會產(chǎn)生開裂，因為這使得表面出現(xiàn)快速的干燥收縮和拉應(yīng)力，通常裂縫為短而不規(guī)則形狀。下列情況單獨或同時出現(xiàn)，將加速混凝土表面的水分蒸發(fā)并增加塑性收縮開裂的可能：
①混凝土表面溫度明顯高于空氣溫度；
②空氣濕度低；
�、埏L(fēng)速大。
裂縫的長度通常為50～1000mm，呈不規(guī)則分布，相距50～700mm。目前還沒有辦法確切預(yù)測在什么時候會產(chǎn)生塑性開裂。因此只能采取預(yù)防措施，這些措施以如下順序在施工中實施：
①潤濕干燥和吸濕性強的混凝土集料：
�、诶鋮s集料和拌合水以使混凝土保持較低的溫度；
�、蹪沧⒒炷燎�，潤濕基礎(chǔ)，對模板噴霧；
④搭建臨時擋風(fēng)板來降低混凝土表面的風(fēng)速；
⑤搭建臨時遮陽板降低混凝土表面的溫度；
�、拊跐沧⒑托拚g如果有較長的時間間隔可臨時用聚乙烯膜之類的覆蓋物來保護混凝土；
�、咴跐沧⒅蠡蛐拚傲⒓磳炷涟鍑婌F，但應(yīng)注意防止板積水，因為積水會降低混凝土板表面水泥漿體的質(zhì)量：
⑧在混凝土中加入塑料纖維有助于減少塑性收縮裂縫的形成。
減少混凝土塑性開裂最有效的方法是在最終修整之前和之后噴霧養(yǎng)護混凝土，噴霧可以增加混凝土板上方空氣的相對濕度，從而減少混凝土水分的蒸發(fā)。
其他防止混凝土表面水分，快速損失的方法包括：
�、賴姙⒛芘R時保持水分的薄膜(通常為聚合物)，或者覆蓋濕潤的麻袋；
�、谑┕み^程中避免不必要的延誤，澆注后至開始養(yǎng)護的時間間隔盡量縮短；
③如果抹面時出現(xiàn)塑性收縮裂縫，在裂紋的兩側(cè)用抹子敲擊并重新抹面可使裂縫閉合，但是如果沒有找到裂縫產(chǎn)生的原因，裂縫還可能再次出現(xiàn)。
3．7養(yǎng)護和保護
炎熱天氣下混凝土的養(yǎng)護和保護比溫度適宜的天氣更為嚴格：
3．7．1拆除模板養(yǎng)護，拆模對混凝土不造成損傷時就要及時松開模板，然后在混凝土上露表面灑水。在硬化混凝土和平直的混凝土表面灑水時，水的溫度不應(yīng)低于混凝土溫度11℃以上，這可以在很大程度上減少溫度應(yīng)力所產(chǎn)生的裂縫，而溫度應(yīng)力是由養(yǎng)護水和混凝土之間的溫度差引起的。
3．7．2抹面后最初的幾小時最需要潮濕養(yǎng)護，為防止混凝土外露表面干燥，抹面結(jié)束后應(yīng)盡可能早地進行潮濕養(yǎng)護，而且持續(xù)養(yǎng)護的時間不少于24h。在炎熱天氣盡可能整個養(yǎng)護期都采用潮濕養(yǎng)護。但是如果潮濕養(yǎng)護的時間超過24h，且混凝土表面仍然潮濕時，可用養(yǎng)護紙、熱反射塑料卷材或成膜養(yǎng)護劑進行保護以便混凝土免于干燥。
3．7．3水平表面可以使用白色養(yǎng)護劑，在炎熱天氣下應(yīng)該經(jīng)過24h潮濕養(yǎng)護后才能使用養(yǎng)護劑，如果實際情況不允許，就應(yīng)該在抹面后且混凝土的表面潮濕時立即使用養(yǎng)護劑。
潮濕養(yǎng)護結(jié)束后，混凝土的表面應(yīng)緩慢干燥以減少表面出現(xiàn)裂紋和開裂。
4 結(jié)語
混凝土裂縫不僅會降低建筑物的抗?jié)B能力，影響建筑物的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力，因此，在施工中需要采取各種措施來預(yù)防裂縫特別是重點部位大體積混凝土裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展，以保證建筑物和構(gòu)件安全、穩(wěn)定地工作。2006年7月作者參與建造的長沙某單位主樓筏板部分參考以上的施工措施，取得良好的效果。該基礎(chǔ)部分的尺寸為35.6m×35.8m，厚度3.1m，混凝土強度等級C35，與地板用后澆帶隔開，一次性澆筑，不留施工縫。經(jīng)檢驗，內(nèi)外溫度差最高為25℃，28d齡后裂隙在允許范圍之內(nèi)。因此可以說，南方夏季高溫季節(jié)，只要做好相應(yīng)的施工措施，是可以避免大體積混凝土的安全隱患的。
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