大体积混凝土裂缝的施工控制技术.docx
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大体积混凝土裂缝的施工控制技术
大体积混凝土裂缝的施工控制技术
一、裂缝的产生机理
1、塑性沉降裂缝
在大体积混凝土施工中，常采用斜面分层来保证混凝土施工的连续性。
在混凝土施工中，如图1所示分层施工，A－B1－B2―C1－C2－C3－D。
在C1施工时，B段的混凝土振捣已比较密实，C1段施工的振捣会使B1段混凝土受到扰动而向C1段流动，从而在O点形成空洞或不密实状态。
这种空洞或不密实状态是由于混凝土的可塑性和振捣沉降产生的，钢筋的存在和施工人员的忽视加剧了不密实状态或空洞的产生。
混凝土形成强度后，在O点处的混凝土强度很低或完全没有强度。
混凝土在O点处的空洞或裂缝，称作塑性沉降裂缝。
塑性沉降裂缝产生于大体积混凝土斜面分层的施工中。
塑性沉降裂缝的危害是显而易见的，它使工程实体局部应力集中，空洞中的钢筋易于腐蚀。
而一系列的裂缝的存在，将严重影响工程实体质量。
更重要的是，塑性沉降裂缝总出现在工程实体的内部，难以发现，因此也必将成为工程质量隐患。
2、塑性收缩裂缝
在混凝土中，不同物质的收缩性和流动性不相同。
表1
材料
混凝土
砂浆
水泥浆
收缩性
0.3％～0.6％
0.5％～1％
1～2％
流动性
差
较好
好
在许多混凝土的施工中，振动棒充当着一系列的角色：
扒平、振捣等。
混凝土施工过程如图2、图3所示。
在施工中，重复图2和图3的施工过程，最终造成浆骨分离，在L――L线和两端形成水泥浆、砂浆带，因混凝土、砂浆、水泥浆收缩性的不同而形成贯穿裂缝。
塑性沉降裂缝产生于混凝土材料的收缩性和流动性不相同，它所产生的贯通裂缝使工程实体不再是一个整体，因而必将导致工程质量事故或工程返工。
3、干收缩裂缝
混凝土在振捣过程中，混凝土表面会聚集一层水泥浆和砂浆。
在形成强度的过程中，水泥浆和砂浆因有较强的收缩性而容易在混凝土的表面形成干收缩裂纹（龟裂）。
经实验证明，在相同温度下，微风和无风，混凝土表面的水蒸发量相差11倍。
缺少覆盖养护的混凝土，很容易形成干收缩表面裂纹。
在有风吹的情况下，其干收缩裂纹很容易向纵深发展，有表面裂缝转化为贯穿裂缝。
干收缩裂纹一般发生在缺乏养护的混凝土表面，为表面裂缝，它浆影响混凝土的表观质量。
4、温度裂缝
大体积混凝土在硬化过程中，水泥释放大量水化热，使实体中部产生较高温度，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。
内外温差的存在和物体热胀冷缩的物理性质，使混凝土内部产生压应力，在混凝土表面产生拉应力。
当混凝土表面的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。
而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，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。
温度控制使大体积混凝土控制的关键，温度控制失败必将导致混凝土产生表面裂缝和贯通裂缝，严重影响混凝土的质量，造成工程质量事故或工程返工。
5、超荷载裂缝
现浇钢筋混凝土大多带裂缝正常工作，当工程实体在超荷载状态下工作时，素混凝土、现浇钢筋混凝土和预应力混凝土都有可能产生破坏型裂缝。
超荷载裂缝是工程实体超负荷工作的结果，是在使用过程中出现的，它不属于工程质量问题，加强管理是完全可以避免的。
6、碳化裂缝
混凝土中水泥水化的主要成分是氢氧化物，随着时间的推移会缓慢的与空气中CO2发生化学反映，这个过程就是碳化。
碳化形成一些低强度的碳酸盐，降低了工程实体的强度，同时降低了工程实体的PH值，使钢筋缺少保护而腐蚀。
碳化体现了工程实体的耐久性。
在不添加任何外加剂和掺料，混凝土的使用年限仅为50年。
当添加一定量的粉煤灰后，其使用年限可以达到100年甚至更长。
可见在普通混凝土中添加一定量的粉煤灰等掺合料可以较大的提高实体的耐久性。
二、裂缝控制技术及措施
1、采用科学的施工技术
1.1控制混凝土出机温度和浇筑温度
要降低大体积混凝土的最高温度，首先得控制混凝土出机温度和浇筑温度。
混凝土的出机温度与原材料有如下关系：
由公式可知，水和骨料的温度对混凝土出机温度影响较大，控制水和骨料的温度就可以降低混凝土出机温度。
由计算可知，骨料每降低1℃，混凝土最高温度可以降低0.6℃。
在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，可以较好地降低骨料地温度。
下面主要介绍用“喷淋法”（如图4所示）降低混凝土出机温度。
试验证明，离地表深度大于20m的地下水温低于20℃。
砂石料采取搭棚、黑布遮阳覆盖、深井取水喷淋砂石料，可以保证砂石料温度低于25℃。
用混凝土的出机温度计算公式可知，混凝土的出机温度可控制在25℃以内。
图4
1.2搅拌和振捣工艺
1.2.1搅拌
混凝土拌和是保障混凝土强度的重要工序之一，按试验室配置的混凝土配合比进行施工，并搅拌足够长的时间，才能保证混凝土的塌落度、可泵性和强度等要求。
根据设计要求和需要，有特殊要求或高性能混凝土，均需添加外加剂和掺和料，如减水剂、粉煤灰等。
而拌和是保证掺和料和外加剂发挥作业的关键。
减水剂：
水泥与水在一块儿，化学反应产生熟石灰[Ca（OH）2]，形成蜂窝状物（熟石灰包裹着水），如图5所示：
蜂窝状的存在，严重影响着混凝土的密实度及强度。
蜂窝状物中的水占拌和用水的40％～60％，减水剂的作用就是打破蜂窝状，并减掉这些不用于水泥水化的水。
减水剂发挥作用有一个时间过程，一般不得少于三分钟。
粉煤灰：
粉煤灰自己不能硬化，必须与水泥均匀混合才能硬化并形成强度。
如果拌和时间短，粉煤灰的分部不均必然会在混凝土中形成没有强度的粉煤灰块，影响混凝土的整体质量。
无论是减水剂、粉煤灰还是其它一些掺和料和外加剂，必须充分拌和，以保证将其均匀加入混凝土中并发挥其应有的作用。
拌和不充分，混凝土的强度将大打折扣，从而达不到设计要求。
采用二次投料和二次振捣等新施工工艺，可以提高混凝土的强度。
1.2.1振捣
充分振捣，是保证混凝土密实的关键。
塑性沉降裂缝及缩性收缩裂缝的形成，都与振捣有直接的联系。
在振捣过程中，先扒平后振捣，可以避免塑性收缩裂缝的产生。
如图6所示，在使用滑槽时，用振捣棒振捣代替扒平，必然造成水、浆、骨分离，人为造成泌水；而拌和不充分，致使混凝土在浇筑时外加剂和水把空气包裹在一起，水、浆、骨分离过程中形成气泡。
解决这一问题，首先得做到充分拌和，使减水剂达到减水的作用，其次是在振捣上下功夫，先扒平后振捣，及时清除浮混凝土上的气泡和水。
其它一些振捣先后顺序的不同，也影响着混凝土的质量。
如图7所示，由中央向四周振捣混凝土，没有扒平的混凝土很容易使水带着灰浆流向四周，已扒平的混凝土底部的灰浆会也会在压力的作用下流向四周。
混凝土在形成强度后，拆模时容易掉皮，使得外观质量难以保障。
采用先四周后中央的振捣顺序，可以让部分灰浆流向中间便于及时清理，同时保证了外观质量。
由于塑性状态的混凝土受压容易泌水，因此应控制大体积混凝土的浇筑厚度，一般大体积混凝土浇筑层都控制在4m以内。
1.3合理选择混凝土浇筑方案
大体积混凝土根据连续浇注的要求及构造物体型特征，可采用分层连续浇筑或分段分层踏步式推进的浇筑方法。
一般情况下，应尽量采用分层连续浇筑。
对于工程量较大，浇筑面积也大，一次连续浇筑层厚度不大，且浇筑能力不足时的混凝土工程，宜采用分段分层踏步式推进的浇筑方法。
施工时应适当放慢浇注速度，利用混凝土浇注面层散热，但必须在混凝土初凝前浇注下一层混凝土。
对于厚度较大地混凝土结构物，可分两层或多层浇注。
1.4做好混凝土的表面处理
在侧模留设孔洞将浇筑混凝土过程中形成的泌水排出。
收面前，排除混凝土表面泌水，用长刮尺刮平；在初凝前用铁滚筒碾压数遍，再用木蟹打磨压实，以闭合收水裂缝；在终凝前再次用木蟹用力压实抹平，然后洒水覆盖养护。
做好混凝土的表面处理和前期养护，可以有效控制混凝土产生干收缩裂缝。
1.5加强混凝土的养护
加强大体积混凝土的早期养护，既有利于保温，避免混凝土内外温差过大，还可避免混凝土由于失水而干缩。
大体积混凝土养护根据工程的具体情况，可采用薄膜加草袋或土工布的养护方法。
从理论上讲，0.18～0.2的水灰比即可以满足水泥水化，远低于混凝土0.4左右的水灰比，其余的水主要用于混凝土拌和和施工。
因此，采用薄膜加草袋或土工布的覆盖养护方法，不必要浇水或浸泡养护，同时保证了混凝土不至于因风吹而干裂。
控制大体积混凝土内外温差，是大体积混凝土养护的关键，一般采用“内排、外保”等措施进行控温养护。
“内排”采用循环冷却法等措施，排出混凝土内部热量，降低混凝土内部温度；“外保”采取蓄热保温措施，即在混凝土表面采取保温措施，控制混凝土内外温差及表面与空气温差，避免混凝土出现表面裂缝和贯穿裂缝。
对大体积的混凝土实体地下部分，如有条件，应及早回填。
“内排、外保”的主要有以下一些措施。
1.5.1循环水冷却法
大体积混凝土中埋设冷却水管，可有效地释放混凝土内部的热量，降低混凝土内部的温度，减小混凝土内部与表面温差。
冷却水管大多采用直径为25～40mm的薄壁钢管，按照中心距1.0～1.5m交错排列,水管上下间距一般也为1.0～1.5m，并通过立管相连接。
采用冷却水管必须加强施工过程控制和温度控制。
施工中冷却水管容易造成缩性沉降裂缝；温度控制不当容易造成“人为温度裂缝”。
当水管中的循环水低于25℃，而混凝土内部温度高于50℃时，事实上人为造成了温度差高于25℃，从而容易形成人为温度裂缝。
因此，循环水冷却法应该加强温度监控。
如图8所示：
在水管的进出口设置开关，进口阀门控制进水速度，出口阀门保证水灌满水管；在进水口设置温度计和在混凝土中（图9A点）预埋测温片（如热敏电阻等测温设施），监控水管中水流温度和混凝土温度。
通过调节水管中水流速度来调节水管中的水温，以保证混凝土“A点”温度和水温差在25℃以内，避免“人为温度裂缝”的产生。
埋设冷却冷却混凝土作为一种常规的大体积混凝土降温法，其技术在实践中得到了认可，并广泛应用于大体积混凝土的施工中。
1.5.2竖管法
竖管间距2m，采用Φ200的薄壁钢管，高出设计混凝土面20cm，成梅花型布置，测温片布置在三根相邻2m的竖管中间，如图10、图11所示。
通过监控混凝土温度，补充冷水调节水管水温，使管中水温比混凝土温度低5～15℃，达到降低混凝土温度的目的。
使用竖管法，可以避免缩性沉降裂缝和“人为温度裂缝”的产生。
1.5.3外保
在混凝土的温度控制中，提高混凝土表面温度是降低内外温差必不可少的措施。
离地面较低的混凝土实体，可以采用搭棚、电炉烧水蒸气
提温养护，墩台可采用延迟拆模时间，或采用土工布加电热毯覆盖加热等方法养护。
2、合理选用原材料
2.1合理选择水泥品种及掺和剂，减少水化热
对大体积混凝土工程应选用水化热较低、凝结时间较长的水泥。
如：
掺有混合材料的矿渣水泥，不宜选用水化热较大的硅酸盐水泥。
2.2合理选用骨料
采用级配合理的骨料在满足施工条件的前提下，大体积混凝土工程，宜选用粒径较大、级配优良的骨料，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％。
砂宜选用中粗砂。
2.3合理选用外加剂
对大体积混凝土，除选用水化热较低的水泥和颗粒较大、级配优良的骨料，还要选用合适的水灰比，适量的掺加减水剂、缓凝剂、粉煤灰等，达到减小水灰比、降低水泥用量，改善混凝土的和易性、粘聚性和保水性，降低温差，提高混凝土的抗裂、抗冻和抗渗性能。
采用UEA补偿收缩混凝土：
在混凝土内掺水泥用量10%～12%的UEA型混凝土膨胀剂，以实现超长结构的无缝施工。
下面主要介绍添加粉煤灰对混凝土的影响：
粉煤灰作为一种掺和料，必须与水泥均匀混合才能硬化并形成强度。
均匀添加到混凝土中粉煤灰，对混凝土的性能有较大的影响：
它可以取代部分水泥，从而降低了水化热，试验证明，每掺10Kg粉煤灰，水化热降低0.8～1℃；它可以降低水胶比，破坏部分水泥和水拌和产生的蜂窝状物，减少用水量；最重要的是，它可以提高混凝土的后期强度（耐久性）。
正因为粉煤灰较大的提高了混凝土的耐久性，因此广泛应用于高性能混凝土和大体积混凝土。
如图12所示，图为普通混凝土、添加20％和30％粉煤灰的混凝土耐久性－强度示意图。
一般大体积混凝土的施工工期较长，上部荷载逐步施加，而粉煤灰的后期强度较好，因此可以考虑采用龄期为45～60天强度代替28天强度，以进一步减少水泥用量。
3、提高施工人员的施工水平
施工人员拥有较高的施工水平是工程质量的保证。
拌和、振捣、养护等一系混凝土施工过程，大部分都是人工控制的。
因此，施工人员的施工水平直接影响着混凝土工程实体的质量。
从混凝土裂缝产生的机理来看，塑性沉降裂缝、塑性收缩裂缝和干收缩裂缝是可以通过提高施工人员施工水平和素质来实现的。
如果施工人员拥有较高的施工水平，可以提高施工效率，更好的落实技术人员提出的施工要求，可以发现施工过程中出现的问题等。
因此，提高施工人员的施工水平和素质，是工程顺利施工和工程质量的前提与保证。
目录
一、裂缝的产生机理1
1、塑性沉降裂缝1
2、塑性收缩裂缝2
3、干收缩裂缝3
4、温度裂缝4
5、超荷载裂缝4
6、碳化裂缝4
二、裂缝控制技术及措施5
1、采用科学的施工技术5
1.1控制混凝土出机温度和浇筑温度5
1.2搅拌和振捣工艺6
1.2.1搅拌6
1.2.1振捣7
1.3合理选择混凝土浇筑方案9
1.4做好混凝土的表面处理9
1.5加强混凝土的养护9
1.5.1循环水冷却法10
1.5.2竖管法12
1.5.3外保12
2、合理选用原材料13
2.1合理选择水泥品种及掺和剂，减少水化热13
2.2合理选用骨料13
2.3合理选用外加剂14
3、提高施工人员的施工水平15
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