大体积混凝土结构开裂分析与评价.pdf

1 2 2 低温建筑技术 2 0 1 0年第 8期 总第 1 4 6期 大体积混凝土结构开裂分析 与评价 李凤木 哈尔滨工程大学 ． 哈尔滨1 5 0 0 0 1 】 【 摘要】 分析了大体积混凝土结构施工中产生裂缝的危害， 及控制裂缝的相应措施 ， 通过某实验水池的工 程案例对其施工方案和初始裂缝形成进行了分析和评价。 【 关键词】 大体积混凝土结构； 施工技术； 裂缝控制 【 中图分类号】 T U 5 2 8 ． 0 7 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 { 2 0 1 0 0 8 0 1 2 2 0 2 C RA CK I NG DⅡ T T I oN A N D C oNT RoL T E C HN I QU E S OF LARGE VoLUM CoNCRETE STRUCTURE LI Fe n g - mu D e p a r t m e n t o f C o n s t r u c t i o n Ma n a g e m e n t ， H a r b i n E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y ， H a r b i n 1 5 0 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n a l y z e d t h e me c h a n i s m a n d d i s a s t r o u s o f c r a c k i n g i n l a r g e v o l u me c o n c r e t e s t r u c t u r e i n b u i l d i n g c o n s t r u c t i o n i n c l u d i n g t h e c r a c k i n g c o n t r o l p r i n c i p l e s a n d me tho d s ．Ac c o r d i n g t o t h e a n a l y s i s o f o n e t e s t p o o l e n g i n e e r i n g ，the c o n s t r u c t i o n p r o p o s al a n d i n i t i a t i o n o f c r a c k i n g w e r e a n a l y z e d a nd e v a l u a t e d． Ke y wor d s l a r g e v o l ume c o n c r e t e s t ruc t u r e； c o ns t r u c t i o n t e c h n i q u e； c r a c ki n e c o n t r o l 现代建筑中常涉及到大体积混凝土施工， 如水利大坝、 高层楼房基础、 大型设备基础、 大型钢筋混凝土水池等。它 主要的特点就是体积大， 一般实体最小尺寸大于或等于 1 m。 它的表面系数比较小， 水泥水化热释放比较集中， 内部温升 比较快。混凝土内外温差较大时， 会使混凝土产生温度裂 缝， 形成结构的初始损伤。 文中分析了大体积混凝土结构初始裂缝形成的原因， 结合低温条件下大体积水工混凝土结构施工质量控制的工 作实践 ， 给出具体质量控制措施。 1 大体 积混凝土 开裂 的主要原 因分析 大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同， 分为贯穿 裂缝 、 深层裂缝 及表 面裂缝 三种 。贯 穿 裂缝是 由混 凝土表 面裂缝发展为 深层 裂缝 ， 最终形 成贯 穿裂 缝。它切 断 了结 构的断面， 可能破坏结构的整体性和稳定性， 其危害性是较 严重的； 而深层裂缝部分地切断了结构断面， 也有一定危害 性； 表面裂缝一般危害性较小。但出现裂缝并不是绝对地 影响结构安全， 它都有一个最大允许值。大体积混凝土施 工阶段所产生的温度裂缝， 一方面是由于内外温差而产生 的； 另一方面是混凝土结构的外部约束和混凝土各质点间 的约束， 阻止混凝土收缩变形， 混凝土抗压强度较大， 但抗 拉能力却很小 ， 所 以温 度应力 一旦 超过 混凝 土能 承受 的抗 拉强度 ， 即会 出现裂缝。这种裂 缝的 宽度在允许 限值 内， 一 般不会影响结构的强度， 但却对结构的耐久性有所影响。 1 水泥水化热。水泥在水化过程中要释放出一定 的热量， 而大体积混凝土结构断面较厚 ， 表面系数相对较 小， 所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样 混凝土内部的水化热无法及时散发出去， 以至于越积越高， 使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热， 与 混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关 ， 并随混凝土 的龄期而增长。由于混凝土结构表面可以自然放热， 实际 上内部的最高温度 ， 多数发生在浇筑后的最初 3 5 d 。 2 外界气温变化。大体积混凝土在施工阶段 ， 它的 浇筑温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降， 会 大大增加 内外层 混凝 土 温差 ， 温度 应力是 由于 温差 引起温 度变形造成的， 温差愈大， 温度应力也愈大。同时，在高温 条件下， 大体积混凝土不易散热， 混凝土内部的最高温度一 般可达6 0～ 6 5 ℃ ， 并且有较长的延续时间。因此， 应采取温 度控制措 施 ， 防止混凝土 内外温差引起的温度应力 。 3 混凝土的收缩。混凝土中约 2 0 ％ 的水分是水泥 硬化所必须的， 而约 8 0 ％ 的水分要蒸发。多余水分的蒸发 会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部 水蒸发引起混 凝土 收缩 。如 果混凝 土收 缩后 ， 再处 于水饱 和状态， 还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交 替会引起混凝土体积的交替变化， 这对混凝土是很不利的。 影响混凝土收缩， 主要是水泥品种、 混凝土配合比、 外加剂 和掺合料的品种以及施工工艺、 养护条件等。 2 大体积混凝土防裂浇筑技术 1 全面分层。在第一层全部浇筑完毕后 ， 再回头浇 筑第二层 ， 此时应使第一层混凝土还 未初凝， 如此逐层连续 浇筑， 直至完工为止。此方案， 适用于结构平面尺寸不太 李风木 大体积混凝土结构开裂分析与评价 1 2 3 大， 施工时从短边开始， 沿长边推进 比较合适。必要时可分 成两段， 从中问向两端或从两端向中间同时进行浇筑。 2 分段分层。混凝土浇筑时， 先从底层开始 ， 浇筑 至一定距离后浇筑第二层 ， 如此依次向前浇筑其他各层。 由于总的层数较多， 所以浇筑到顶后， 第一层末端的混凝土 还未初凝， 又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用 于单位时间内要求供应 的混凝土较少， 结构物厚度不太大 而面积或长度较大的工程。 3 斜面分层。要求斜面的坡度不大于 1 ／ 3 ， 适用于 结构的长度大大超过厚度 3倍的情况。混凝土从浇筑层下 端开始， 逐渐上移。混凝土的振捣也要适应斜面分层浇筑 工艺， 一般在每个斜面层的上、 下各布置一道振动器。上面 的一道布置在混凝土卸料处， 保证上部混凝土的捣实。下 面一道振动器布置在近坡脚处 ， 确保下部混凝土密实。随 着混凝土浇筑的向前推进， 震动器也相应跟上。 3 大体积混凝土防裂养护时的温度控制 1 混凝土的中心温度与表面温度之间、 混凝土表面 温度与室外最低气温之问的差值均应小于 2 O ℃； 当结构混 凝土具有足够的抗裂能力时， 不大于2 5 3 0 ℃ 。 2 混凝土拆模时， 混凝土的温差不超过 2 0 C。其温 差应包括混凝土的中心温度与表面温度之间、 混凝土表面 温度与室外最低气温之 间的差 。 3 采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部 降温法是在混凝土内部预埋水管， 通人冷却水， 降低混凝土 内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行， 还 有常见的投毛石法， 均可以有效地控制因混凝土内外温差 而引起的混凝土开裂 。 4 保温法是在结构外露的混凝土表面以及模板外 侧覆盖保温材料 如草袋、 锯木、 湿砂等 ， 在缓慢的散热过 程中， 使混凝土获得必要的强度 ， 以控制混凝土的内外温差 小于 2 5 C。 5 混凝土表层布设抗裂钢筋网片， 防止收缩时干裂。 4大体 积混凝土结构 施工实例 某实验水池主要包括三个分项工程。1号水池长 1 5 m、 宽9 ． 3 m、 高6 ． 1 5 m， 池壁顶部厚 5 0 0 m m、 池壁底部厚7 0 0 m m， 水池底板厚 7 0 0 ra m ； 2号水池 长度 2 5 m、 宽度 1 5 m、 深度 1 0 ． 4 5 m， 池壁顶部厚 6 0 0 m m、 池壁底部厚 1 3 0 0 mm， 水池底板 厚1 3 0 0 m m； 3号水池长度4 5 m、 宽 6 m、 高5 ． 4 5 m， 池壁顶部厚 5 0 0 ram、 池壁底 部厚 7 O 0 m m， 水 池底板厚 7 0 0 mm。 4 ． 1 水池收缩防裂施工方案 为了提高大体积混凝土在最大收缩应力处的抗收缩强 度 ， 防止混凝土收缩裂缝产生 ， 该项 目在最大收缩应力处设 置了加强带， 具体如下。 1 1号水池混凝土 采用 C 3 0防水混凝土， 抗渗等级 P 8 ， 加强带混凝土强度等级 C 3 5 ， 抗渗等级 P I O 。水池底板 中间设 3 m宽混凝 土加 强带 。水池壁 在水平施 工缝 处设 混 凝土加强带， 位置为距水池底板顶面 3 0 0 mm及距池底上表 面 4 ． 2 m处各设一道加强带 ， 加强带高度为 l O 0 0 r n m。 2 2号 与 3号水 池 ， 2号水池和 3号水池均采用 C 3 0 防水混凝土， 抗渗等级 P 8 ， 加强带混凝土强度等级 C 3 5 ， 抗 渗等级 P I O 。水池底板中间设 3 m宽混凝土加强带。水池壁 在水平施工缝处均设混凝土加强带 ， 位置为距水池底板顶 面3 0 0 mm处设一道及在距池底上表面 3 ． 9 6 m处设一道加强 带， 加强带高度为 l O 0 0 m m。 4 ． 2 水池 温度 防裂施工 方案 1 控制混凝土配合比中水灰 比≤0 ． 5 ； 砂率控制在 3 5 ％ ～ 4 5 ％之间。 2 底板基础为大体积混凝土， 必须保证混凝土连续 浇筑 ， 层间浇筑间歇时间不能超过4 5 ra i n ， 避免出现冷缝。 3 混凝土浇筑完毕表面进行多次搓平， 保证混凝土 表面不产生裂纹。抹面最少三遍， 分别在混凝土浇筑完、 初 凝前后 、 终凝前。以消除早期 裂缝 。 4 加强混凝土测温， 必须控制底板中心最高温度不 超过 5 0 ％， 中心和表面混凝土温度差不超过2 5 C， 混凝土表 面与外界温度差不超过 2 5 ％。在对混凝土进行养护的同时 须作好测温工作 ， 建立严格的测温制度。 5 综合保水法养护混凝土， 在浇筑完的混凝土上覆 盖塑料布及一层 2 ． 5 c m厚的草帘子， 边角处加盖一层草帘 子， 保持混凝土表面湿润， 降低水化热 ， 保持内外温差不超 过 2 5 C， 保温养护的持续时间不少 1 4 d ， 减少混凝土收缩。 4 ． 3 分析与质量评价 该项 目为了提高大体积混凝土在最大收缩应力处的抗 收缩强度， 防止混凝土收缩裂缝产生， 采用了加强带施工方 案， 加强带混凝土强度等级 C 3 5 ， 抗渗等级 P I O 。主要是利 用膨胀混凝土的膨胀特性， 利用膨胀效应的变形填充混凝 土收缩产生的变形， 但是这种变形的协调控制是相当严格 的， 尤其是在气候变化剧烈的环境下难 以实现精确的变形 协调。另外， 膨胀混凝土加强带依然是素混凝土基体， 依然 具有脆性变形的特征， 其本身也具有温度应力。对于温度 变化剧烈的低温条件下施工， 温差变化越大， 产生的温度应 力越大。当温度应力与膨胀反作用应力之差大于混凝土的 实际抗拉强度时 ， 混凝 土依然要 开裂 。从 材料学 角度分 析 ， 提高材料的抗拉强度是提高结构抗裂性能的最直接最有效 的措施 ， 如纤维改性混凝土、 聚合物改性混凝土。单纯依靠 膨胀填充效应来弥补纵向变形， 对于气候变化剧烈环境下 的施 工是不足的。 参考文献 [ 1 ] 王铁梦．工程结构裂缝控制[ M] ． 北京 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 9 9 1 0 ． [ 2 ] 王铁梦． 谈控制混凝土工程收缩裂缝 1 8 个因素[ j ] ． 混凝土， 2 0 0 3 ， 1 1 ． [ 3] 孙修艾 ， 程曙明．大 面积框 架结 构梁 板混凝 土一次 整体浇 筑 施工技术[ J ] ．建筑技术， 2 0 0 3 ， 5 ． [ 4 ] 江正荣．建筑施工工程师手 册[ M] ． 北京 中国建筑工业 出版 社 ． 2 0 0 2 1 2 ． [ 收稿日期] 2 0 1 0 0 0 0 o [ 作者简介] 李风木 1 9 5 6～ ， 男 ， 哈 尔滨人 ， 副研 究员 ， 从 事 高校基本建设工程技术的研究与管理工作 。