大體積砼的施工及裂縫防治

摘要：受國家產(chǎn)業(yè)政策調(diào)整的影響，我國的化工裝置正逐步向大型化集約化發(fā)展，產(chǎn)能小能耗高的小型化工裝置正逐漸被淘汰，取而代之的是大型化工裝置。伴隨化工裝置的增大我國在工業(yè)建筑設(shè)計、施工技術(shù)等方面都有了飛速的進展，出現(xiàn)了許多嶄新的技術(shù)課題亟待解決，經(jīng)常涉及到的大體積砼就是其中之一。由于大體積砼構(gòu)件具有體積較大、結(jié)構(gòu)厚、鋼筋密等特點，因此對施工技術(shù)提出了更高的要求，只有高度重視，避免裂縫的產(chǎn)生，才能確保施工質(zhì)量。鑒于此，本文結(jié)合近年來的工程實踐對大體積砼的施工及溫度裂縫的防治問題進行分析與闡述。

關(guān)鍵詞：大體積砼  施工技術(shù)  溫度裂縫
 
大體積混凝土在凝結(jié)硬化過程釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用。由此而產(chǎn)生的溫度和收縮應(yīng)力是導致混凝土出現(xiàn)裂縫的主要因素，從而影響混凝土的整體性、防水性和耐水性，成為結(jié)構(gòu)的隱患。
1 、大體積砼溫度裂縫的產(chǎn)生原因
大體積砼是指混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。混凝土是脆性材料，抗壓能力較高，抗拉能力較低�？估瓘姸葍H為抗壓強度的1/10左右，極限拉伸也很小。大體積混凝土溫度變形受約束時產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易超過其抗拉強度而產(chǎn)生裂縫。長期的工程實踐表明，大體積砼結(jié)構(gòu)在施工中容易產(chǎn)生裂縫，造成大體積砼出現(xiàn)裂縫的因素極其復雜而且是多方面的。主要有以下幾個方面：
1.1、砼配合比設(shè)計上的問題：水泥用量大會造成砼水化熱溫升過高，溫度急劇變化；水灰比大，灰漿量大，造成砼收縮量過大；原材料性能不良，造成砼本身抗裂能力低�；炷�土開始初凝時，內(nèi)部水泥發(fā)生水化反應(yīng)，放出大量的熱。當混凝土內(nèi)部與表面溫差過大時，就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形。溫度應(yīng)力與溫差成正比，溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。當溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉極限強度時，混凝土表面即產(chǎn)生裂紋。
1.2、砼施工質(zhì)量上的問題：下料不均勻，振搗不密實；澆筑施工順序安排不善，砼內(nèi)部形成冷縫。
1.3、砼養(yǎng)護上的問題：砼表面裸露干燥，風吹日曬，外界的濕度對混凝土的裂縫有很大的影響，外界的濕度降低會加速混凝土的干縮，導致混凝土裂縫的產(chǎn)生。
1.4、結(jié)構(gòu)型式及構(gòu)造上的問題：幾何尺寸大，超長超厚；形狀突變處未妥善處理；配筋不合理。
1.5、受約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力，產(chǎn)生裂縫：體積變化受約束會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。一般指基礎(chǔ)或其他外界因素對結(jié)構(gòu)物的約束，構(gòu)件溫度降低，體積收縮，受邊界條件約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力。如現(xiàn)在比較常見的剪力墻結(jié)構(gòu)受基礎(chǔ)約束明顯。
1.6、外界氣溫變化的影響：大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對其裂縫的產(chǎn)生有著很大的影響。混凝土內(nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕對溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；澆筑完成后外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快，會造成很大的溫度應(yīng)力，極其容易引發(fā)混凝土的開裂。
1.7、化學收縮：一般水泥因水化產(chǎn)生的體積上的收縮作用是不可避免的，只有改變水泥的礦物組份或摻入膨脹劑等外摻物,改變水泥水化產(chǎn)物,才可能變化學收縮為微膨脹。
在上述眾多因素當中。比較突出的問題之一是砼內(nèi)部由于水泥水化熱釋放引起砼內(nèi)部劇烈的溫度變化，這也是導致砼開裂的主要原因。由于水泥的水化熱釋放主要集中在早期，使混凝土在澆筑后短短幾天其內(nèi)部溫升就很快上升到最高峰，隨后開始降溫�；炷�土溫度的這種變化可能造成兩種后果:首先，在混凝土升溫期，砼表面散熱條件好，熱量向大氣散發(fā)，溫度上升較少，而內(nèi)部則散熱少，溫度持續(xù)上升，這樣形成的里表溫差會在砼表層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當該拉應(yīng)力超過砼的抗拉強度時，砼表面將產(chǎn)生裂縫。其次，在砼后期降溫過程，由于溫度下降引起砼體積收縮變形，這種變形受到地基及結(jié)構(gòu)邊界約束時也會產(chǎn)生大的拉應(yīng)力。當該拉應(yīng)力超出砼的抗拉強度時，砼將在約束面開裂，嚴重時甚至形成貫穿性裂縫。大體積砼由于溫度變化而產(chǎn)生的裂縫稱為溫度裂縫。因此，應(yīng)當針對大體積砼自身的特點，對其溫度及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律、溫度裂縫的控制技術(shù)等方面開展一系列的研究。
2 、防止大體積砼溫度裂縫的施工技術(shù)
2.1、 合理選擇原材料：合理選擇原材料有利于大體積砼裂縫的控制。首先，選擇水泥主要考慮抗裂性能好、兼顧低熱和高強兩方面的要求，一般采用低熱礦渣水泥，中熱硅酸鹽水泥摻入一定量的粉煤灰。當環(huán)境水具有硫酸鹽侵蝕時，應(yīng)采用抗硫酸鹽水泥。其次，摻用混合材料，適當摻用混合材可降低混凝土的絕熱溫升、提高混凝土抗裂能力，目前主要是粉煤灰摻得較多。加入外摻料如粉煤灰不僅能替代部分水泥的功能，還能夠改善砼的可泵性。第三，摻加緩凝減水劑，在砼中摻加適量的緩凝劑，能夠在一定程度上延緩水泥的水化作用，減緩水化熱的釋放速率。它的作用是推遲熱峰出現(xiàn)的時間，同時也降低了溫度峰值。一般地，砼澆筑后，水泥水化熱釋放與砼內(nèi)部熱量向外散發(fā)是同時進行的。在初期幾天，水化熱釋放速率很快，它在1~3d內(nèi)放出的熱量是總熱量的一半�；炷�土內(nèi)部的最高溫度多發(fā)生在澆筑后的3~5d內(nèi)，而散熱速率小，因此砼的溫度很快上升，接著，水化熱釋放速率逐漸變緩。水化熱釋放速率變緩后可以讓更多的熱量通過界面散失出去，用來升溫的熱量則大為減少，從而使砼的溫度峰值得到削減，出現(xiàn)時間也相應(yīng)延遲。第四，在澆筑大體積素混凝土時加入適量的毛石，能夠吸收大量的熱能，并且節(jié)約大體積砼的原材料，但是要注意在澆灌過程中，應(yīng)嚴格控制毛石塊的體積不超過總體積的25%。
2.2 、提高大體積砼施工質(zhì)量
2.2.1、控制出機溫度。對混凝土出機溫度影響最大的是骨料及水的溫度。為了降低出機溫度，其最有效的辦法是降低石子的溫度。在溫度較高的季節(jié)施工時，為了防止太陽直接照射，可在砂石堆場上搭設(shè)遮陽料篷，必要時也可在使用前沖洗骨料。也可在水中加入冰塊，通過降低混凝土拌合用水溫度來降低砼的出機溫度。
2.2.2、控制混凝土入模溫度：為了降低混凝土從攪拌機出料到卸料，泵送和澆灌振搗后的溫度，減少結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，一般按季節(jié)采取措施，如夏季施工時，則應(yīng)以減少冷量損失，在澆灌混凝土時，采用一個坡度、薄層澆灌、循序推進、一次到頂?shù)却胧﹣砜s小混凝土暴露面積以及加快澆灌速度，縮短澆灌時間。在冬季施工時，一般可利用混凝土本身散發(fā)的水化熱養(yǎng)護自己，并要求在混凝土沒有達到允許臨界強度以前防止凍害。澆筑時必須嚴格控制砼的入模溫度，混凝土入模溫度宜控制在30℃以下；在澆筑砼時可投入適量毛石，以降低水化熱并節(jié)約砼。澆筑時若外界氣溫過高，可采用在輸送管上加蓋草袋并噴冷水的方法。
2.2.3、改進攪拌工藝: 在傳統(tǒng)的大體積砼攪拌過程中，水分會與濕潤的石子表面直接接觸，在砼逐漸成形或靜置的過程中，水就會向水泥砂漿和石子的界面集中，最終在石子表面形成水膜層。在砼已經(jīng)硬化后，由于存在水膜層，就會造成界面的過度層趨向疏松多孔化，減弱了硬化水泥砂漿和石子之間的粘結(jié)性，進而成為砼結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，對砼的抗壓力及其他物理學性能造成不良影響。改進大體積砼的攪拌方式，能有效提高砼的極限拉伸力，避免砼結(jié)構(gòu)的收縮。即在攪拌的混凝土時，改變以往的投料程序，采取先把水、水泥和砂拌和后，再投放石子進行攪拌的新方法。這種攪拌工藝的主要優(yōu)點是減少泌水現(xiàn)象，混凝土上下層強度差減少，可有效地防止水分向石子與水泥砂漿面的集中，從而使硬化后的界面過渡層的結(jié)構(gòu)致密、粘結(jié)加強。
2.2.4、嚴格按技術(shù)規(guī)范施工 ：科學的施工方法既能滿足節(jié)約施工成本的要求，又有效避免了大體積砼內(nèi)外的溫差問題，極大降低了產(chǎn)生裂縫的可能性，大體積砼澆筑時宜采用循序推進、全面分層、連續(xù)澆筑的方法，混凝土澆筑應(yīng)滿足整體連續(xù)性的要求，初凝時間按2h 控制，由專人統(tǒng)一指揮布料，避免出現(xiàn)施工冷縫。依據(jù)布料順序分區(qū)分層振搗混凝土，并由專人根據(jù)布料統(tǒng)一指揮振搗，責任到人，避免混凝土的冷縫和振搗不密實，保證質(zhì)量，在已澆筑的混凝土暴露面初凝前，覆蓋上新澆混凝土，避免出現(xiàn)冷縫，在振搗上一層時，振動棒應(yīng)插入下一層50～100mm，以消除兩層之間的接縫，振動時間不宜過長，防止石子下沉造成混凝土結(jié)構(gòu)不均勻。在澆筑完畢到混凝土初凝之前，粗抹面一次，混凝土接近終凝時，應(yīng)用木模第二次抹光，消除混凝土表面的龜裂裂紋。
采用二次振搗技術(shù)，對提高砼的抗裂性具有重要作用，大量的施工實踐表明，對已經(jīng)完成澆筑但尚未初凝的砼加強二次振搗工作，能有效避免砼由于水平鋼筋下部產(chǎn)生的水分及空隙等，以此提高鋼筋與砼之間的握裹力，避免由于砼沉降而產(chǎn)生的裂縫，并能以此降低砼內(nèi)微裂的現(xiàn)象，提高砼的密實度，有效防止裂縫產(chǎn)生。
2.3 、加強混凝土的溫度控制和監(jiān)測工作：首先，為了控制由溫差導致的裂縫，大體積砼的澆灌工作應(yīng)選在一天中氣溫比較低的時間進行，溫度控制是大體積混凝土施工中的一個重要環(huán)節(jié)，也是防止溫度裂縫的關(guān)鍵。而在引起裂縫產(chǎn)生的諸多因素中，混凝土內(nèi)部水化熱不能及時釋放造成的構(gòu)件內(nèi)部溫度應(yīng)力是一個很主要的因素，為了控制裂縫的產(chǎn)生，這不僅要在混凝土成型之后，對混凝土的內(nèi)部溫度進行監(jiān)測，而且應(yīng)在一開始，就對原材料、混凝土拌和，入模和澆筑溫度進行系統(tǒng)的實測。在平面上，測溫點沿底板縱橫方向間距約10m左右布置一點。在垂直方向上，每個測溫點沿垂直高度在其表面、中部和板底分別埋沒設(shè)測溫管，垂直高度依次為宜為混凝土外表以內(nèi)50mm處、混凝土中部、混凝土澆筑體底面上50mm處。每個測溫點測溫管間距100mm。測溫管安裝位置要準確，固定牢固。在混凝土溫度上升階段，每2小時測溫一次，混凝土溫度下降階段每6小時測溫一次�；炷�土里表溫差不宜大于25度；混凝土降溫速率不宜大于2度；混凝土表面與大氣溫差不宜大于20度。在測溫過程中，當發(fā)現(xiàn)砼內(nèi)部溫度差超過25℃時，測溫人員要及時報告給有關(guān)人員根據(jù)實際情況及時采取措施加強保溫或延緩撤除保溫材料時間等來控制溫差。測溫的辦法可以采用先進的測溫方法，如有經(jīng)驗也可采用簡易測溫方法。及時提供信息反映大體積混凝土澆筑塊體內(nèi)溫度變化的實際情況及所采取的施工技術(shù)措施效果。近年來國內(nèi)外工程界在大體積砼結(jié)構(gòu)裂縫控制方面，進行了深入的研究，檢測設(shè)備的開發(fā)和使用方面取得了顯著的成績，在大體積水化熱產(chǎn)生的溫度及溫度應(yīng)力的定性定量分析方面均有明顯成果。就我國現(xiàn)狀而言，大部分大體積砼工程還采用較為落后的設(shè)備，工程中應(yīng)用較多的是用玻璃管溫度計插入預(yù)留孔洞直接測量，混凝土澆筑完成后，要在表面和內(nèi)部進行分別測溫，全部測溫孔均應(yīng)編號，并繪制測溫孔布置圖,用DN20鋼管預(yù)埋到混凝土體內(nèi)測溫，從上而下3個點，進行上、中、下測溫，每100m2設(shè)一個測溫點，從底板往下深度分別為50mm、1500mm、2950mm，設(shè)專人從留出的測溫孔內(nèi)測量砼內(nèi)部溫度，待水化反應(yīng)完成后，基礎(chǔ)內(nèi)溫度正常后，才可停止測溫。
 
用玻璃管溫度計插入預(yù)留孔洞直接測量監(jiān)測的效率和準確度都較低，因此在實際工程中，溫控方案的制定還僅僅依靠施工技術(shù)人員的經(jīng)驗，無法實現(xiàn)信息化施工的目的。而八路溫度巡檢儀具有讀數(shù)清晰直觀，性能穩(wěn)定可靠，精度高等特點，可廣泛用于溫室、大體積混凝土內(nèi)部等需要多點測溫的場所。
溫度感應(yīng)探頭及八路溫度自動巡檢儀
八路溫度自動巡回檢測儀Gxp—8，可以測量八個通導的溫度，在自動巡檢狀態(tài)下：每經(jīng)過一個通導，停留3秒鐘來顯示該通導的被測溫度值。儀表由二組高亮度紅色數(shù)碼管分別顯示被測溫度值和所處的通導位置。儀表也可用手動選擇通導，此時自動與手動轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動位置，按動選點微動開關(guān)即可選到需要的通導。儀表由大規(guī)模集成電路，LED高亮度紅色數(shù)碼管和PN結(jié)溫度傳感器所組成。
2.4、采用內(nèi)部冷卻降溫、外部保溫的措施來降低大體積混凝土內(nèi)外溫差，可以預(yù)埋冷卻水管，用循環(huán)水進行人工導熱，以降低混凝土的內(nèi)部溫度。在大體積砼砼澆筑收光凝結(jié)后,首先覆蓋塑料薄膜一層用于保濕,然后在上部鋪設(shè)5cm厚的棉被，養(yǎng)護用水直接通入薄膜內(nèi)。在底板基礎(chǔ)內(nèi)布設(shè)循環(huán)水管，對底板內(nèi)部采用循環(huán)水降溫，從而形成表面覆蓋、內(nèi)部循環(huán)水降溫的綜合養(yǎng)護措施。
降溫：采用冷卻水方案，通過水循環(huán)冷卻強制降低混凝土水化溫度，減少內(nèi)外溫差從而減少溫度應(yīng)力對大體積混凝土造成裂縫。預(yù)埋冷卻水管原理是通過將溫度較低的水注入預(yù)埋在混凝土中的循環(huán)水管中，通過水的循環(huán)流動來降低混凝土內(nèi)部溫度，從而達到減少混凝土內(nèi)外溫差的目的�；炷�土澆筑體在入模溫度的基礎(chǔ)上溫升值不宜大于50度；若發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部溫度過高，應(yīng)及時采取必要地措施。如加大循環(huán)水流量或在循環(huán)水內(nèi)加入冰塊，混凝土表面加強覆蓋等措施。以下是某大體積設(shè)備砼施工采取的循環(huán)水降溫措施：
冷卻用水從現(xiàn)場已施工完的地坑里用一臺100mm口徑高揚程潛水泵連接消防帶及鋼管輸送到進水口，出水口回水同樣辦法排至地坑里，利用地坑較大面積進行自然散熱。
2.5、加強大體積砼的養(yǎng)護措施 養(yǎng)護是大體積砼施工中一項十分關(guān)鍵的工作，對澆筑后的砼加強養(yǎng)護，使之處于適宜的溫濕環(huán)境，讓水泥得到充分水化，從而提高砼的強度，提高它的抗裂性。澆筑后2h采用塑料膜對表面覆蓋，可有效保持砼的表面濕度。若在冬季施工，需在塑料膜上加棉被或棉氈保溫。有關(guān)研究表明，水泥的水化作用只有在充水的毛細管中才能進行，所以必須防止因蒸發(fā)而使毛細管失水。加強養(yǎng)護就是要不斷地補充足夠的水份，防止砼表面干燥。潮濕養(yǎng)護應(yīng)當從砼凝結(jié)后即開始，一般應(yīng)持續(xù)7－15天為宜。潮濕養(yǎng)護還能有效地減小砼的早期干縮，防止干縮裂縫的產(chǎn)生。養(yǎng)護時要保持適宜的溫度和濕度，以便控制砼里表溫差，促進砼強度的正常發(fā)展及防止砼溫度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。大體積砼的養(yǎng)護，不僅要滿足強度增長的需要，還應(yīng)通過人工的溫度控制，防止因溫度梯度引起砼開裂。在施工現(xiàn)場搭建遮陽蓬，防止烈日爆曬混凝土表面等。拆模后應(yīng)立即回土或在覆蓋保護，同時預(yù)防近期驟冷氣候影響，以控制內(nèi)表溫差，防止混凝土早期和中期裂縫。
2.6、 對大體積砼裂縫進行修補
大體積砼裂縫不但會影響結(jié)構(gòu)的整體性，還會引起鋼筋的銹蝕，加速砼的碳化，降低砼的耐久性和抗疲勞、抗?jié)B能力。因此要積極進行修補。方法主要有：
2.6.1、表面修補：即在裂縫表面涂抹水泥漿、環(huán)氧樹酯膠泥或在砼表面涂刷油漆、瀝青、防水劑等材料，為了防止繼續(xù)開裂，通常可以采取在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布等措施。
2.6.2、嵌縫法：這是裂縫封堵中最常用的一種方法。具體流程為，沿裂縫鑿V形槽，在槽中嵌填塑性或剛性防水材料，以達到封閉裂縫的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等等：常用的剛性防水材料為聚合物水泥砂漿等。
2.6.3、結(jié)構(gòu)加固法，這種方法的適用范圍為：裂縫影響到砼結(jié)構(gòu)的性能，加大砼結(jié)構(gòu)的截面面積、在構(gòu)件的角部外包型鋼、采用預(yù)應(yīng)力法加固、粘貼鋼板加固、增設(shè)支點加固以及噴射砼補強加固等辦法。
由上可見，大體積砼施工的技術(shù)十分復雜，為了有效避免裂縫的產(chǎn)生，從設(shè)計到施工，包括施工的環(huán)境與材料等多方面因素，都應(yīng)提高注意。應(yīng)從多方面加強對大體積砼施工的分析，并采取積極的防控措施，以實現(xiàn)綜合治理原則，能夠從根本上提高建筑工程的質(zhì)量，保證建筑物使用功能的發(fā)揮。