大型混凝土工程的裂缝控制

戴家兴
(深圳市给排水工程建设指挥部)

　　近几年来，深圳市梅林水厂清水池、送水泵房，大冲转输泵站的集水池，滨河污水处理厂的氧化沟以及罗芳污水处理厂“B”段曝气池等构筑物的混凝土浇筑量都在5 000m³以上，且防渗要求特别高(混凝土为S6～S8)，因此在实际施工的监理过程中，混凝土裂缝控制成为首要问题。

1 产生裂缝的原因

　　据国内外的调查资料表明，钢筋混凝土构筑物裂缝产生的原因中，属于荷载引起的约占20%，属于变形(温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等)引起的约占80%，其中混凝土收缩占主导地位。
混凝土的体积收缩，最主要和最常见的是干缩和冷缩，前者为混凝土硬化前的裂缝，后者是混凝土硬化后的裂缝。
1.1 混凝土硬化前(塑性阶段)的裂缝)
　　①混凝土骨料沉落引起的裂缝：混凝土浇筑后，粗骨料开绐沉落，挤去了水分及空气，出现泌水现象，这种沉落现象直到混凝土硬化时才停止。钢筋、预埋件及大的粗骨料会阻碍骨料的自由沉落使之分离，使混凝土塑性阶段出现裂缝。另外，混凝土处于塑性阶段时，因地基沉陷、模板吸水膨胀、变形或松动亦会引起裂缝。
　　②塑性收缩裂缝：混凝土表面的塑性收缩缝一般出现在混凝土表面水消失的时候。这种裂缝主要是混凝土固化时游离水的蒸发所致，而蒸发速度决定于混凝土表面的空气、温度、风速、相对湿度和混凝土自身的表面湿度。
　　③花纹状裂缝：混凝土出现六角形花纹裂缝是由于不正确的表面抹平及养护方式所造成的，过分的刮抹是出现裂缝的主要原因。
1.2 混凝土硬化后的裂缝
　　混凝土硬化后，在干燥条件下的收缩率为0.05%?，拌合水量用得多，混凝土的收缩更大。此外骨料本身质量、砂浆和骨料联结等的不同也影响混凝土的收缩。
　　在混凝土中，水化热所引起的温度升高在各点是不同的，在新灌注的混凝土中不断产生热量，形成一定时间的内部温度高、外表面温度低的现象，在混凝土处于低龄期时更是如此，这时由于温度变化混凝土收缩更明显。
　　混凝土碱骨料反应(某种骨料如蛋白石与高碱水泥中的碱化合物化学反应)的产物比原有化合物体积增大，从而使混凝土内部出现膨胀，外部因干燥而开裂，形成一种特殊的开裂形式。
1.3 其他原因造成的裂缝
　　①施工中骨料含泥量、石粉含量较多，粗细骨料级配不合理，加大了混凝土收缩量。因此，现行规范规定(对C30以下混凝土)粗骨料含泥量＜2%，细骨料含泥量＜3%。
　　②水灰比偏大，混凝土单位用量每增加1%，其干缩增加2%～3%，同时混凝土产生离析现象，从而降低混凝土的强度，导致混凝土截面上应力分布不均匀，使混凝土产生裂缝。
　　③模板浇水不够或混凝土养护时浇水不够容易产生裂缝。应采用湿透的木膜，模板拆除后潮湿养护，防止曝晒。
　　④地基不均匀沉降或施工荷载超载易使混凝土产生裂缝，混凝土的实际标号达不到设计要求或混凝土保护层过薄、外加剂使用不当等也会引起混凝土裂缝。

2 避免裂缝的控制措施

2.1 设置“ 后浇带 ”
　　梅林水厂送水泵房工程底板长66.60m，宽21.20 m，厚度0.8～1.2 m，埋深7.8 m，混凝土采用C25S8，总体混凝土浇筑量为9730.69 m³。由于混凝土干缩一般在3～6个月内完成大部分，设置后浇带的做法是在存在大量混凝土干缩和冷缩的施工前期，将结构人为分段，分段处预留1 m左右宽度的空段，并贯通地下、地上整个结构，但该部位钢筋连续不断。90～180 d后，在空段处浇筑膨胀混凝土，对两边混凝土进行挤压。泵房施工中在底板中间段取了一个空段，待底板浇筑完成6个月后，再对此空段浇筑C30高强混凝土，从而解决了混凝土收缩开裂的问题。在梅林水厂二期5 000m³清水池施工中同样设置了混凝土后浇带，闭水试验一次成功，未发现异常。
2.2 采用补偿收缩混凝土　
　　近年来，补偿收缩混凝土的出现使结构承重与防水合二为一，达到永久性结构自防水，从而取代了采用后浇带的传统施工方法。
　　由于混凝土硬化过程中水化热是导致混凝土开裂的主要原因，而水化热高的原因又取决于水泥用量大小，水泥用量大，相应水化热就高，反之则低。因此补偿收缩混凝土是在混凝土中掺入膨胀剂(主要含量为铝酸钙)10%～12%取代水泥，降低水泥用量，推迟水化热峰值的出现，使升温延长，降低水化热峰值，最终避免裂缝的出现。在施工中，常采用的膨胀剂为VEA、AEA、SP--1、EP--7。
　　深圳市罗芳污水处理厂“B”段曝气池工程中采用VEA补偿混凝土，取得良好效果。VEA补偿收缩混凝土的抗裂原理就是在水泥中掺入10%～12%的VEA制成VEA补偿收缩混凝土，在限制条件下，VEA产生的膨胀能转变为0.2～0.7 MPa的预压应力储存于结构中。这一预压应力可抵消结构产生的拉应力，从而防止或减少收缩裂缝的出现。根据这一原理，VEA补偿收缩混凝土能完全补偿混凝土的干缩，并且能使混凝土在中期获得微弱膨胀，以补偿混凝土的冷缩。
　　罗芳污水处理厂“B”段曝气池工程为一钢筋混凝土池体，底板长71.00 m，宽2×38.20 m，底板厚850 mm，墙厚500 mm，墙高7.85 m，混凝土标号C25S8，425^#矿渣水泥，龄期28d，水化热为335 J/g，水泥单方用量360 kg/m³，水灰比0.50，混凝土浇筑量9000 m³。
　　计算混凝土内外温度：
　　T=WQ/(C·r)
　　式中　T--混凝土绝热升温
　　　　　W--每m³的水泥用量
　　　　　Q--单位水泥28 d累积水化热
　　　　　C--混凝土的比热
　　　　　r--混凝土密实度

　　T max=360×355/0.92×2400=54.62℃

　　大体积混凝土最高温度皆发生在浇筑第三天。

　　T_h=T_t+T_o式中　　T_h--混凝土浇筑内部的最高温度
　　　　　　T_t－混凝土实际内部最高温度，一般为0.675T_max
　　　　　　To--混凝土的入模温度

　　若To按20 ℃计算，T_h=56.87 ℃
　　由于混凝土浇筑后第三天表面温度能达到25 ℃，因此,ΔT=T_h-25=31.87 ℃＞25 ℃(规范要求中心温度与表面温度之差<25 ℃)，可见会出现裂缝。
　　在施工中采用VEA混凝土作结构自防水，内掺12%VEA，降低水泥用量，从而降低水化热峰值。混凝土连续采用泵送，浇筑完成后没有采用后浇带，减小了分缝处理工作带来的麻烦，大大缩短了工期，有效地避免了裂缝的产生。
2.3 其他防止混凝土裂缝的措施
　　①在选料、级配、配合比、施工操作等方面，建立一套完整的施工工艺流程，保证混凝土的施工质量。
　　②选择合适的配合比和混凝土坍落度，控制单位体积用量，尽量减少单位用水量，使水灰比偏小，严格控制水泥超量。为避免外界气候的影响，浇筑混凝土时环境温度宜<35 ℃。?
　　③改进搅拌及振捣工艺，合理设置振捣位置、间距及振动器振捣能量，确定合适的振捣次序和振捣时间，重视插入式振动棒附着式振动器的合理配合，混凝土表面要用平板振动器压平抹光，充分保证混凝土的密实度，同时要防止混凝土离析。?
　　④充分湿透模板，严格控制拆模时间。由于模板对混凝土表面有良好的保温、保湿作用，并能约束混凝土表面的部分应变，因此模板对早期有良好的保护作用，为防止混凝土的裂缝，宜待水化热温差降至15℃以下并选择合适的气候条件拆模。?

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