大体积混凝土裂缝控制技术

大体积混凝土裂缝控制技术1、大体积混凝土的定义2、大体积混凝土抗裂性能的影响因素3、大体积混凝土的温控计算4、大体积混凝土裂缝控制的综合措施大体积混凝土的定义•本讲中所称大体积混凝土是指，其规格尺寸，要求必须采取措施，妥善处理温差的变化，正确合理地减少或消除变形变化引起的应力，且必须把裂缝开展控制到最小程度的现浇混凝土。大体积混凝土抗裂性能的影响因素•温度与收缩裂缝产生的机理•原材料和配合比对大体积混凝土抗裂性能的影响•配筋对大体积混凝土抗裂性能的影响•龄期及养护对大体积混凝土抗裂性能的影响温度与收缩裂缝产生的机理•大体积混凝土收缩的组成–大体积混凝土收缩是由自生收缩、碳化收缩、塑性收缩、干缩、温度收缩组成的。–干缩：混凝土内多余水分蒸发引起的体积收缩。–温度收缩：由于混凝土温度下降引起的收缩。•外约束与内约束–外约束：即一个结构的变形受到其他结构的阻碍。–内约束：当结构截面较厚时，其内部温度分布不均匀，引起各质点变形的相互约束。•表面裂缝与贯穿裂缝–表面裂缝：大体积混凝土在硬化过程释放大量水化热，使基础中部产生较高温度，而混凝土表面和边界受气温影响，温度较低，这样形成较大内外温差，在混凝土内部产生压应力，在混凝土表面产生拉应力（称内约束应力），当此拉应力超过混凝土抗拉强度时，便会产生表面裂缝。该裂缝多发生在混凝土升温阶段。–贯穿裂缝：当大体积混凝土降温产生的收缩和混凝土自身收缩受到地基或基础约束时，在截面中产生拉应力（称外约束应力），当此拉应力超过混凝土的抗拉强度时，便会产生贯穿裂缝。该裂缝多发生在混凝土降温阶段。•由此可见，混凝土的开裂与原材料、配合比、结构尺寸、配筋、约束程度、养护条件等多种因素有关。原材料和配合比对大体积混凝土抗裂性能的影响•水泥品种–在常用标号下，采用不同品种的水泥对混凝土极限拉伸值的影响不大。–水泥品种对混凝土干缩影响较大，一般情况下，C3A含量大，细度较小的水泥干缩较大。•水灰比–混凝土抗拉强度，极限拉伸值均随着水灰比的减小而提高，混凝土收缩则随着水灰比的减小而减小，显然，在满足混凝土施工要求的前提下，减小水灰比对大体积混凝土抗裂是有利的。•骨料–尽可能采用粒径较大，级配良好的高强度花岗岩、玄武岩等作为骨料对抗裂有利。•外加剂–在混凝土中掺加外加剂，能改善混凝土和易性，在水泥用量不变的情况下，能减少用水量，提高混凝土强度。在水灰比不变的情况下，能减少水泥用量，降低温升，延缓水化热放热速率，对抗裂有利。•粉煤灰–在大体积混凝土中掺加粉煤灰能起到改善混凝土和易性，降低水灰比，即减少用水量，提高混凝土密实度，减少混凝土干缩的作用。–掺加粉煤灰能降低水泥用量，降低混凝土绝热温升值，延缓水化热放热速率。–掺加粉煤灰，一方面可减少混凝土的绝热温升和收缩，但另一方面，将降低混凝土的早期抗拉强度或极限拉伸。配筋对大体积混凝土抗裂性能的影响•关于配筋对大体积混凝土抗裂性能的影响，一方面配置构造筋对提高混凝土极限拉伸和抗裂能力是有利的，同时它也能起到控制裂缝开展，减少裂缝宽度的作用。另一方面，配筋也将会增加一定程度的收缩应力，过大的配筋率将会导致较大的收缩应力，从而产生裂缝。因此，合理的配筋尤为重要。总的来说，在合理配筋的前提下，它提高极限拉伸和约束裂缝开展的优点大于增加收缩应力缺点。•合理配筋是指：–配筋率不能过大，较为合理的配筋率应为0.3%~0.5%；–应采用小直径（10~16mm),小间距的形式（约@100~@150），且不宜采用光圆钢筋。•由于池壁、地下室侧墙等露天薄壁结构对环境湿度及养护条件极为敏感，其相应的收缩比大块式基础要大。在混凝土早龄期容易因干缩产生表面裂缝，从而削弱了截面并在随后的温度应力作用下产生应力集中，导致表面裂缝往深处发展，诱发贯穿性裂缝。因此，对薄壁结构的配筋要求要严格，并注意保湿养护，尽可能避免表面裂缝的出现。龄期及养护对大体积混凝土抗裂性能的影响•龄期的影响–根据资料，混凝土任意龄期t与28天龄期的抗拉强度的关系为：»ft﹦0.8f28(㏒t)2/3•养护条件的影响–养护条件的影响包括湿度及温度两方面，良好的保湿能显著增加混凝土的抗拉强度及极限拉伸。养护温度的升高能提高混凝土的早期强度，但对后期强度有不利影响。因此，在控制内外温差的前提下，在升温阶段应尽可能适当放热，一方面可以降低混凝土温升峰值，另一方面又可防止影响后期强度。大体积混凝土的温控计算•大体积混凝土的最高温度计算•大体积混凝土的温度收缩应力计算大体积混凝土的最高温度计算•混凝土内部的最高温度是由混凝土浇筑温度、水泥水化热引起的温升所组成。•大体积混凝土的最高温度计算，如下式：Tmax=T0+W/10+F/50……………（1）Tmax=T0+·W·Q/·C……………（2）式中：Tmax…………………砼的最高温度（℃）T0…………………砼的浇筑温度（℃）W…………………每立方米水泥用量（kg/m3）F…………………每立方米砼粉煤灰用量（kg/m3）Q…………………每公斤水泥水化热量（J/kg）C…………………砼的比热…………………砼质量密度…………………散热系数取以上两式计算中心的较大值作为砼的最高温度值大体积混凝土的温度收缩应力计算•大体积砼温度收增应力的计算：σmax＞Rfσ'max＞Rfσ'max＞Rfσ''max＞Rf36912151821242730t（d）T℃大体积混凝土的温度收缩应力计算•σmax=-E·α·T·[1-1/(COShβL/2)]·H·(t,τ)……………………（1）•σmax=-Σ·[1-1/(COShβiL/2)]·△Ti·Ei(t)·Hi·(ti,τi)……………………（2）从上述公式可看出：底板的最大温度收缩应力与温差收缩差及线膨胀系数成正比，为线性比例关系。底板弹性模量增加，应力增加；底板受地基的约束程度，即地基对底板的阻力系数Cx境加，应力增加。底板长度增加，应力增加，但呈非线性关系。大体积砼外约束力应力的计算可分为以下二个阶段：砼浇筑前的计算，建议采用公式（1）进行计算，计算简便且偏于安全。砼浇筑后的计算则采用公式（2），可较精简计算，此时应有安全系数K=≥1.15。大体积混凝土裂缝控制的综合措施•设计构造措施•从原材料方面采取措施•从施工方面采取措施设计构造措施•利用混凝土后期强度–一般大体积混凝土的施工工期较长，上部荷载逐步施加，因此可以考虑采用龄期为45~90天强度代替28天强度，以减少水泥用量。•设置滑动层，减少约束应力–混凝土的强度等级宜在C20~C35的范围内选用。–在遇有约束作用较大的岩石类地基或较厚的混凝土垫层时，可在地基或垫层与基础的接触面上，或于两端L/4（L—基础全长）的区段内，铺设滑动层，减少滑动应力–隔离层的作法为混凝土上涂刷一层3~5mm厚的沥青胶或干铺两层沥青油毡。美国ACI委员会提出可铺设厚50左右的黄砂或石屑作为隔离层。设计构造措施–设置缓冲层•在底板的地梁、坑内水沟等键槽部位，可用厚度为30~50mm的聚苯乙烯泡沫或沥青木丝板作垂直隔离，以缓和地基对基础收缩时的侧向压力。(见右图)–避免应力集中•在大体积混凝土结构的孔洞或截面突变处，由于温度和收缩作用，会产生应力集中而导致开裂。应采取增配钢筋或设置过渡段的措施。(见右图)聚苯乙烯泡沫塑料设置缓冲层避免应力集中设计构造措施•增设暗梁–在现浇钢筋混凝土地下室、水池等结构施工时，为了防止底板与边墙、边墙之间因约束应力产生的裂缝及边墙上部因边缘效应引起的裂缝，可在施工缝上下等薄弱部位增配4Ø16~4Ø22的钢筋予以加强。(见下图)增设暗梁设计构造措施•合理配筋–当混凝土的底板或墙体厚度较小时，增配构造钢筋，能起到抵抗混凝土温度裂缝的作用。但对于大块式基础，构造筋对控制贯穿性裂缝的作用略小。–构造钢筋应尽可能采用Ⅱ级钢、小直径和小间距。直径约10~16mm，间距100~150mm，按全截面对称配置。全截面含筋率宜控制在0.3%~0.5%。实践证明，含筋率小于0。3%时，对混凝土的裂缝控制作用不大。当配筋率太大时，则较易引起混凝土的收缩裂缝，且不经济。大块式混凝土的钢筋宜分散多层设置，或在中截面处增配空间网片状钢筋作构造钢筋，不宜集中在底层或上下两层。•合理设置施工缝–“抗”的方法•即不设任何施工缝，通过采取措施减少被约束体与约束体之间的相对温差，减少约束，改善配筋，减少混凝土收缩，提高混凝土抗拉强度等，以抵抗温度收缩变形和约束应力。–“放”的方法•即以设置永久性伸缩缝的办法，将超长的现浇钢筋混凝土结构分成若干段，以释放大部分变形，减少约束应力。设计构造措施n“放”“抗”结合的方法–采用“后浇带”的施工方法•在施工期间设置作为临时施工缝的“后浇带”，将结构分成若干段，可有效削减温度收缩应力。–采用“跳仓打”的施工方法•将整个结构按垂直施工缝分段，间隔一段，浇筑一段，经过不少于5d的间歇期后再浇筑成整体。–采用“混凝土薄层浇筑”的施工方法•将底板水平分成几个施工层，施工层之间的结合按施工缝处理。分层厚度一般控制在0.6~2.0m范围内，层间间歇时间约取5~7d为宜。•合理制定温控指标–大体积混凝土施工前，应对施工阶段大体积混凝土浇筑块体的最高温度、温度收缩应力进行验算，以此确定施工阶段混凝土的浇筑温度、内表温差、降温速度及温度陡降等控制指标，制定相应的技术措施（包括混凝土原材料的选择、混凝土拌制运输过程中的降温措施、保温养护措施等），以达到控制裂缝的目的。–几个温控指标设计构造措施•温控指标一般可分为两类：一是为了防止表面裂缝而控制内外温差和表面温度陡降；二是为防止贯穿性裂缝而控制内部温差。–混凝土浇筑温度•《混凝土结构工程施工及验收规范》(GB50204-92)规定：大体积混凝土浇筑温度不宜超过28℃。–内外温差•《混凝土结构工程施工及验收规范》规定：混凝土表面和内部温差应控制在设计要求的范围内，当设计无具体要求时，温差不宜超过25℃。•注意：此处表面温度是指保温层下混凝土面上的温度，而非混凝土表面下50~100MM处的温度。–内部温差•内部温差是指混凝土内同一点在不同时间的温度差值。《块体基础大体积混凝土施工技术规程》（YBJ224-91）规定：混凝土块体的降温速度宜不大于1.5℃/天。–温度陡降•寒潮来临、冷空气影响、暴雨袭击、撤除保温层时间不当等均可导致混凝土表面温度突然下降，引起表面裂缝。•《钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程》（JGJ-91）规定：温度陡降不应超过10℃。从原材料方面采取技术措施•合理选择水泥品种–选用C3S及C3A含量低的中、低热水泥。•合理选用骨料–在满足施工要求的情况下，尽量选用粒径较大、级配良好的石子，以减少用水量和水泥用量、混凝土的收缩和泌水性。粗骨料中的针、片状颗粒按重量计应不大于15%。–掺加块石。在无筋或少筋的大块混凝土中，可掺入不超过混凝土体积的25%的大块石，以减少水泥用量，降低水化热。–细骨料以中、粗砂为宜。–严格控制砂、石的含泥量。石子控制在小于1%，黄砂控制在小于2%。•合理选用外掺料–在混凝土中加入适量的外加剂，可以改善混凝土的特性，减少水泥用量，减少混凝土的温升。同时可降低水化热释放的速度，延缓温度峰值出现的时间。–混凝土中掺入一定量的粉煤灰不仅能改善混凝土特性，而且能代替部分水泥，减少水化热。但应注意掺加粉煤灰后混凝土早期强度有所降低。–采用UEA补偿收缩混凝土：在混凝土内掺水泥用量10%~12%的U型混凝土膨胀剂，以实现超长结构的无缝施工。从施工方面采取措施•控制混凝土出机温度和浇筑温度–为了降低混凝土的总温升，减少内外温差，控制混凝土出机温度和浇筑温度是一个很重要的措施。对混凝土出机温度影响最大的是石子及水的温度，砂次之，水泥的影响较小。因此，具体施工中可采取加冰拌和，砂石料遮阳覆盖，送管道用草袋包裹洒水降温等技术措施。•预埋水管，降低最高温升–冷却水管大多采用直径为25mm的薄壁钢管，按照中心距1.5~3.0m交错排列,水管上下间距一般也为1.5~3.0m，并通过立管相连接。•改进混凝土搅拌和振捣工艺–即采用二次