南方地區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(lái)是個(gè)困擾工程人員的問(wèn)題,本文以南方城市長(cháng)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(shí)如何預防混凝土裂縫產(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,南方地區氣溫尤其高。以長(cháng)沙為例,該地區位于北緯28度,夏季處于副熱帶高氣壓控制區域,燥熱少風(fēng),7月最熱,平均氣溫29.4℃,長(cháng)沙平均每年有29.9天的最高氣溫超過(guò)35℃的酷熱天氣,歷史上絕對最高溫曾在8月初出現,達43℃。由于混凝土水化過(guò)程中的化學(xué)反應產(chǎn)生大量的熱量,混凝土在澆筑后的溫度都會(huì )升高。而混凝土澆筑的理想溫度在10℃~15℃,因此夏季南方地區的大體積混凝土施工中要防止混凝土構件裂縫的形成,需采取相應的措施。
2 大體積混凝土
大體積混凝土是一個(gè)相對的概念。美國混凝土協(xié)會(huì )(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(wèn)題,以最大限度地減少開(kāi)裂。日本建筑學(xué)會(huì )這樣定義:結構斷面最小尺寸在80cm以上,同時(shí)水化熱引起的混凝土內最高溫度與外界氣溫之差預計超過(guò)25℃的混凝土,稱(chēng)之為大體積混凝土。我國學(xué)界的定義也不盡相同。有的規定建筑物的基礎最小邊尺寸在1~3m范圍內就是大體積混凝土。也有的規定混凝土結構物實(shí)體最小尺寸等于或大于1m,或預計會(huì )因為水化熱引起混凝土內外溫差過(guò)大而導致裂隙的混凝土稱(chēng)為大體積混凝土。本人認為,不能簡(jiǎn)單規定混凝土的某個(gè)尺寸或某個(gè)內外溫差,而應根據實(shí)際澆筑時(shí)候的外界情況而需采取溫控措施最小體積的混凝土稱(chēng)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;炷羶炔繙囟壬卟⑶遗蛎,而混凝土表面處于冷卻和收縮狀態(tài),如果內外形成溫差過(guò)大,則在混凝土表面產(chǎn)生拉應力引起開(kāi)裂。裂縫的寬度和深度取決于熱的混凝土內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(guò)溫控標準可能發(fā)生裂縫的情況,最好進(jìn)行裂縫的穩定分析,提出臨界縫長(cháng)及臨界溫度應力,采取重點(diǎn)防護措施,避免產(chǎn)生大縫(超過(guò)臨界縫長(cháng))及嚴重縫,做到防患于未然。
2.2大體積混凝土溫控途徑
為防止出現開(kāi)裂,建設工程中的橋梁工程、大壩工程或其他無(wú)筋混凝土(抗壓強度相對較低)的構件要考慮溫度控制。其內部溫度不能比當地環(huán)境年平均溫度高出11℃~4℃(ACI 308)。
可通過(guò)以下途徑控制混凝土的內部溫度升高:
、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%;
、蘩鋮s混凝土組分使混凝土的初始溫度降至10℃左右;
、哂妙A埋的冷卻水管給混凝土降溫;
、嘤蒙嵫杆俚匿撃沧;
、崴B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構構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(lèi)混凝土(常用于板式基礎和發(fā)電廠(chǎng)廠(chǎng)房),比較適用的技術(shù)有:①對整個(gè)混凝土構件進(jìn)行連續澆注:②避免來(lái)自相鄰混凝土構件的外部束縛,③防止混凝土內外產(chǎn)生過(guò)高的溫差以控制內部的熱應力梯度。后者是通過(guò)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(lái)實(shí)現的。研究結果和經(jīng)驗表明如果混凝土內外溫差最大不超過(guò)20℃可防止混凝土表面開(kāi)裂(FitzGibbon 1977、Fintel和Ghosh 1978),相應的內部裂縫也減少。
如果溫差降至20℃或更低,且混凝土會(huì )緩慢冷卻至環(huán)境溫度,將不會(huì )產(chǎn)生表面裂縫,但是只有在混凝土構件不受連續配筋限制時(shí),才不會(huì )產(chǎn)生裂縫,受約束的混凝土在冷卻后會(huì )由于收縮而趨向開(kāi)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測和控制,將不會(huì )開(kāi)裂。如果擔心混凝土構件的溫差過(guò)高時(shí),則該構件就應視為大體積混凝土,而且應采取充分的防范措施。
混凝土與周?chē)h(huán)境進(jìn)行熱交換的速度很慢是由于混凝土的導熱系數小;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(jià)廉的熱電偶來(lái)監測混凝土的溫度。
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定、設計、選擇混凝土拌合物時(shí)假定的最佳條件,也可能不同于試件養護和測試時(shí)的實(shí)驗室條件。炎熱天氣會(huì )對混凝土產(chǎn)生不利影響,主要體現在高溫下水分損失速度和水泥水化反應速度加快。夏季長(cháng)沙地區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,蒸發(fā)速度快:
、芴(yáng)高度角大,太陽(yáng)輻射強。
炎熱天氣對新拌混凝土可能會(huì )引起如下的不利影響:
、僭黾铀中枨罅;
、诩涌焯涠葥p失以致在工地需額外加入水分:
、奂涌炷Y導致澆注和修整困難;
、芩苄蚤_(kāi)裂的趨勢增加;
、菰缙陴B護的要求提高;
、嚯y于控制引氣;
、呤够炷羶韧鉁囟壬咭灾乱鸹炷梁笃趶姸鹊慕档;
、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(mǎn)足新拌混凝土所需最適宜溫度的10℃~15℃,但夏季長(cháng)沙日最低氣溫都在20℃以上;許多規范只規定混凝土在澆注時(shí)的溫度不得超過(guò)29℃~32℃,但夏季長(cháng)沙白天溫度可以達到38℃以上。因此,應該采取必要的施工措施來(lái)防治裂縫的發(fā)生和發(fā)展。
3.1預防措施
混凝土澆注的溫度在25℃~35℃之間時(shí),應提前采取一些措施來(lái)改善高溫對混凝土產(chǎn)生的不利影響,臨時(shí)采取的措施很少能充分實(shí)施。如果在工地沒(méi)有可以參考的數據,那么應該根據試拌時(shí)的溫度和典型混凝土截面尺寸來(lái)確定最高溫度的限制,而不是引用某些權威機構規定的最佳溫度。盡可能在一定的時(shí)間間隔內進(jìn)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(shí)間關(guān)系曲線(xiàn),以此確定出不同混凝土溫度時(shí)卸載混凝上所允許的最長(cháng)時(shí)間。要得到混凝土所需的強度和耐久性,確定什么時(shí)候采取預防措施比控制最高溫度更為重要,對于廣大多數工程,由于環(huán)境和混凝土的各種要求太復雜以致不能只簡(jiǎn)單的限制混凝土澆注時(shí)的最高溫度。例如,在一個(gè)工地控制溫度可以容易做到而在另一個(gè)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,采取的預防措施也不一樣。例如,在有遮擋太陽(yáng)輻射的頂棚和擋風(fēng)外墻時(shí),施工就可以使用高溫混凝土,但同一天在受陽(yáng)光直射和風(fēng)吹的地方澆注混凝土就會(huì )存在困難。
采取哪種預防措施和什么時(shí)候采取預防措施取決于:結構類(lèi)型、材料性能、澆注和修整工人在處理現場(chǎng)天氣狀況時(shí)的經(jīng)驗。下面的預防措施將會(huì )減少或避免在炎熱天氣成型混凝土時(shí)可能遇到的一些問(wèn)題:
、俨捎靡言谘谉崽鞖鈺r(shí)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(shí);
、鼙M可能減少運輸、澆注和修整的時(shí)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(yáng)、擋風(fēng)、噴霧、淋水;
、吣ㄆ胶蟛捎镁S持水分的臨時(shí)養護膜;
、嗍┕で案鶕䦟(shí)際的天氣情況確定工程宜采用的預防措施。
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(huì )適當降低混凝土的溫度。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(yáng)光下,儲水池和運輸水的管道應該埋藏、隔熱、遮陽(yáng)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(jìn)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(gè)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(guò)4.5℃。
如果攪拌結束時(shí)冰能完全融化,則碎冰也可作為拌合水來(lái)使用。碎冰在保存時(shí)要防止結塊。
當碎冰作為拌合水使用時(shí)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(chē),攪拌時(shí)間要足夠長(cháng)以使冰融化,冰的體積不能超過(guò)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?xún)取?/p>
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(chē)中來(lái)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(huì )使金屬罐壁開(kāi)裂。液氮的加人本身不會(huì )影響所需拌合水的用量,但液氮可以通過(guò)降低混凝土的溫度來(lái)減少需水量。
集料溫度的高低能顯著(zhù)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(jiǎn)單的方法可以使集料保持較低的溫度,料堆必須遮陽(yáng)和通過(guò)噴淋維持潮濕。由于蒸發(fā)是一個(gè)降溫的過(guò)程,特別是相對濕度較低時(shí),噴淋是一種有效的冷卻方法。噴淋粗集料時(shí)要避免集料表面水分含量變化過(guò)大引起流動(dòng)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速度以減少坍落度損失。然而進(jìn)行表面修整時(shí)應謹慎,因為蒸發(fā)的速度大于泌水的速度可能會(huì )導致塑性收縮開(kāi)裂或裂紋。
3.4添加外加劑
炎熱天氣時(shí),使用緩凝劑可以有效延長(cháng)凝結時(shí)間,盡管緩凝劑的使用會(huì )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;如果需要,再使用特殊的促凝劑或激發(fā)劑,水化反應又會(huì )重新開(kāi)始。施工開(kāi)始前,外加劑應在工地的環(huán)境下用工地材料進(jìn)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期效果的能力。
3.5控制水化熱
水泥水化過(guò)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(shí)的體積、周?chē)h(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時(shí),必須采取措施來(lái)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(kāi)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,應采取一定的預防措施來(lái)維持或降低混凝土的溫度,攪拌機、流料槽、傳送帶、漏料斗、泵送管以及其他設備都應遮陽(yáng)、漆成白色或蓋上濕麻布來(lái)減少太陽(yáng)輻射熱能。
澆注混凝土前,模板、鋼筋及基礎應噴霧或用涼水噴淋,在澆注和修整時(shí)對這些地方噴霧不僅能降低接觸面和周?chē)諝獾臏囟,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(shí),將澆注混凝土的時(shí)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(kāi)裂。
3.6.1混凝土的運輸、澆注與修整
在炎熱天氣,應該盡快完成混凝土的運輸和澆注,這些程序的拖延就會(huì )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備,以便混凝土運達后能立即進(jìn)行處理與澆注。
首先應減少攪拌時(shí)間。如果需要延長(cháng)攪拌,應停用攪拌機,采用間歇性攪動(dòng),可使攪拌產(chǎn)生的熱量最小。在炎熱天氣卸載混凝土的時(shí)間限制在1h甚至45min內較為合理,如果卸載混凝土有特定的時(shí)限要求,那么施工過(guò)程中要嚴格按要求操作。最好通過(guò)試拌來(lái)模擬時(shí)間、攪拌合預期的混凝土溫度等數據,如果有必要,還可以減少時(shí)間限制。
由于在炎熱天氣混凝土凝結更快,更應采用一些澆注技術(shù)避免產(chǎn)生冷縫。澆注墻體時(shí)應按規定進(jìn)行薄層澆注,以使得前后兩部分的密實(shí)有較充裕的時(shí)間。臨時(shí)遮陽(yáng)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(guò)5mm時(shí),應立即抹平混凝土板,在干燥與有風(fēng)的天氣抹面應特別注意,混凝土表面的快速干燥會(huì )引起塑性收縮開(kāi)裂。
3.6.2預防塑性收縮裂縫
塑性收縮裂縫有時(shí)在新拌混凝土澆注后不久就在表面出現,而有時(shí)卻在修整時(shí)或修整后不久產(chǎn)生。如果采取預防措施,可以消除這些主要在水平表面出現的裂縫。
炎熱天氣通常會(huì )造成塑性收縮開(kāi)裂,但如果周?chē)h(huán)境引起混凝土表面水分快速蒸發(fā),塑性收縮開(kāi)裂也會(huì )隨時(shí)發(fā)生,一旦混凝土表面蒸發(fā)的水分大于泌水速度就會(huì )產(chǎn)生開(kāi)裂,因為這使得表面出現快速的干燥收縮和拉應力,通常裂縫為短而不規則形狀。下列情況單獨或同時(shí)出現,將加速混凝土表面的水分蒸發(fā)并增加塑性收縮開(kāi)裂的可能:
、倩炷帘砻鏈囟让黠@高于空氣溫度;
、诳諝鉂穸鹊;
、埏L(fēng)速大。
裂縫的長(cháng)度通常為50~1000mm,呈不規則分布,相距50~700mm。目前還沒(méi)有辦法確切預測在什么時(shí)候會(huì )產(chǎn)生塑性開(kāi)裂。因此只能采取預防措施,這些措施以如下順序在施工中實(shí)施:
、贊櫇窀稍锖臀鼭裥詮姷幕炷良希
、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,對模板噴霧;
、艽罱ㄅR時(shí)擋風(fēng)板來(lái)降低混凝土表面的風(fēng)速;
、荽罱ㄅR時(shí)遮陽(yáng)板降低混凝土表面的溫度;
、拊跐沧⒑托拚g如果有較長(cháng)的時(shí)間間隔可臨時(shí)用聚乙烯膜之類(lèi)的覆蓋物來(lái)保護混凝土;
、咴跐沧⒅蠡蛐拚傲⒓磳炷涟鍑婌F,但應注意防止板積水,因為積水會(huì )降低混凝土板表面水泥漿體的質(zhì)量:
、嘣诨炷林屑尤胨芰侠w維有助于減少塑性收縮裂縫的形成。
減少混凝土塑性開(kāi)裂最有效的方法是在最終修整之前和之后噴霧養護混凝土,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:
、?lài)姙⒛芘R時(shí)保持水分的薄膜(通常為聚合物),或者覆蓋濕潤的麻袋;
、谑┕み^(guò)程中避免不必要的延誤,澆注后至開(kāi)始養護的時(shí)間間隔盡量縮短;
、廴绻鏁r(shí)出現塑性收縮裂縫,在裂紋的兩側用抹子敲擊并重新抹面可使裂縫閉合,但是如果沒(méi)有找到裂縫產(chǎn)生的原因,裂縫還可能再次出現。
3.7養護和保護
炎熱天氣下混凝土的養護和保護比溫度適宜的天氣更為嚴格:
3.7.1拆除模板養護,拆模對混凝土不造成損傷時(shí)就要及時(shí)松開(kāi)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(shí),水的溫度不應低于混凝土溫度11℃以上,這可以在很大程度上減少溫度應力所產(chǎn)生的裂縫,而溫度應力是由養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(shí)最需要潮濕養護,為防止混凝土外露表面干燥,抹面結束后應盡可能早地進(jìn)行潮濕養護,而且持續養護的時(shí)間不少于24h。在炎熱天氣盡可能整個(gè)養護期都采用潮濕養護。但是如果潮濕養護的時(shí)間超過(guò)24h,且混凝土表面仍然潮濕時(shí),可用養護紙、熱反射塑料卷材或成膜養護劑進(jìn)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護劑,在炎熱天氣下應該經(jīng)過(guò)24h潮濕養護后才能使用養護劑,如果實(shí)際情況不允許,就應該在抹面后且混凝土的表面潮濕時(shí)立即使用養護劑。
潮濕養護結束后,混凝土的表面應緩慢干燥以減少表面出現裂紋和開(kāi)裂。
4 結語(yǔ)
混凝土裂縫不僅會(huì )降低建筑物的抗滲能力,影響建筑物的使用功能,而且會(huì )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(lái)預防裂縫特別是重點(diǎn)部位大體積混凝土裂隙的出現和發(fā)展,以保證建筑物和構件安全、穩定地工作。2006年7月作者參與建造的長(cháng)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(kāi),一次性澆筑,不留施工縫。經(jīng)檢驗,內外溫度差最高為25℃,28d齡后裂隙在允許范圍之內。因此可以說(shuō),南方夏季高溫季節,只要做好相應的施工措施,是可以避免大體積混凝土的安全隱患的。
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