大体积混凝土结构裂缝产生的原因和控制

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与普通混凝土结构相比,大体积混凝土有“大高难”三大特点。“大”指其几何尺寸大于800mm,“高”,指其体内外温差高——“水化热引起的混凝土内的最高温度与环境温度之差预计超过25℃”;“难”,指其裂缝解决是一道绞人脑汁的技术难题。因为“难”,美国混凝土学会才既“硬性又橡皮”地规定:其水化热及随之引起的体积变形问题“必须解决”而解决的程度则只要求“以最大限度地减少开裂影响”。

一、大体积混凝土裂缝产生的原因和规律

从基本概念上讲,建筑物的裂缝是不可避免的,但其有害程度是可以控制的,有害程度的界限由各种建筑物的使用要求所决定。引起建筑物开裂的原因是极其复杂的。主要可分为两大类作用,即外力荷载作用和变形荷载作用。本文只探讨变形荷载引起的裂缝,因为国内外大量调查结论说明:由于“变形荷载”引起的裂缝占到两大类作用裂缝总计的80%以上。

大体积混凝土结构的“变形荷载”裂缝,主要是由水泥水化热引起的混凝土内的最高温度与环境温度之差的高温差和混凝土的收缩率引起的。温差的产生有三种情况:第一种是在混凝土浇注初期,产生大量的水化热,由于混凝土是热的不良导体,水化热积聚在混凝土内部不易散发,使的混凝土内部温度上升;而混凝土表面温度为室外环境温度,这就形成了内外温差。这种内外温差的混凝土凝结初期产生的拉应力当超过混凝土抗压强度时,就会导致混凝土裂缝。另一种是在拆模前后,表面温度降低很快,造成了陡降,也会导致裂缝产生。第三种是:当混凝土内部温度高达峰值后,热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度,它们与最高温度的差值就是内部温差。这三种温差都会产生裂缝,但最最严重的是有水化热引起的内外温差。

收缩引起裂缝的情况有两种:①混凝土硬化前的塑性收缩:在水泥活性较大,混凝土温度较高,或在水灰比较低的条件下,塑性收缩会加剧进行。因为这时混凝土的泌水明显减少,表面蒸发的水分不能及时得到补充,尚处于塑性状态的混凝土,稍微受到一点拉力,其表面就会出现分步不均匀的裂缝。裂缝出现以后,混凝土体内的水分蒸发进一步加大,于是裂缝进一步扩展。②混凝土硬化后的干燥收缩:在干燥的环境下,已硬化的混凝土内部的水分不断向外散失,引起混凝土由外向内的干缩变形裂缝。

产生裂缝的规律。①温差和收缩越大,温度变化和收缩的速度越快,越容易开裂,裂缝越宽、越密;②基底对结构的约束作用越大,越容易开裂;③温度梯度越大,承受均匀温差收缩的厚度越小,越容易开裂;④在一般情况下,结构的几何尺寸越大,越容易开裂。

二、控制大体积混凝土裂缝的主要措施

控制裂缝的措施,就要最大限度地降低温差和减少收缩,本文从混凝土的主要胶凝材料水泥方面谈点意见:
1.走出采用高早强水泥的误区水泥熟料主要是由C3S、C2S、C3A和C4AF四种矿物组成的。
水泥熟料四种矿物的水化热和收缩率请见表1、表2:

表1:水泥熟料四种矿物的水化热


表2:水泥熟料四种矿物收缩率

由表1和表2可见:①水化热:一年内五个龄期都是:C3A>C3S+C2S+C4AF;C3S在28天内的三个龄期也是C2S的数倍;②收缩率也是C3A>C3S+C2S+C4AF。据此可以断定:采用高早强水泥对大体积混凝土裂缝的控制,必然是南辕北辙,事与愿违!

2.用中强偏低硅酸盐水泥,掺入适量粉煤灰和适量相容的高效减水剂,将水胶比降到0.3左右,能够配制出高性能的混凝土。

例如:加拿大矿产与能源技术中心(CANMET)自1985年以来,进行了深入而广泛的研究.它以水泥150kg/m3、粉煤灰200/m3,通过高效减水剂将水胶比降0.3左右,所配的混凝土抗压强度:28天为30～40Mpa;90天为40～50Mpa;1年为50～60Mpa。大掺量粉煤灰混凝土的试验成功,使得在渥太华附近的大卫伏劳瑞达实验室利用CANMET了一个重达360吨的混凝土平台。为了降低水化热,以Ⅱ型(低热)水泥、粉煤灰、粗细骨料、高效减水剂混合配制。平台的尺寸是7×8m,平均厚度2.25m,在多个充气圆柱体上,因此其震动与地面分离。由于粉煤灰混凝土高性能品质,发射火箭产生的冲击不会引起平台共振。随着龄期增大,平台混凝土的共振频率以每年0.5Hz的速度增大,质量越来越好。在该平台上成功的发射了爱那克依火箭的事实雄辩地证明:粉煤灰混凝土可以看作真正的太空时代的建筑材料。