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摘要:高层、超高层建筑以及高耸建筑物、大型设备的基础都属于大体积混凝土结构。导致大体积混凝土结构产生裂缝的原因很多,温度就是其原因之一。本文主要介绍了大体积混凝土结构温度裂缝产生的原因以及防止产生裂缝的措施。
关键词:混凝土;温度应力;裂缝;措施
中图分类号:TU712 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)09-0058-02
1引言
高层、超高层建筑以及高耸结构建筑物、大型设备的基础,都是截面尺寸较大、较厚的钢筋混凝土底板,属于大体积混凝土结构。
混凝土是一种多元、多相、非匀质水泥基复合材料。混凝土又是弹性模量较高而抗拉强度较低的材料,在受约束条件下只要发生少许收缩,产生的拉应力往往会大于该龄期混凝土的抗拉强度,导致混凝土发生裂缝。大体积混凝土由于截面尺寸较大,在混凝土硬化期间水泥水化过程中所释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩,以及外界约束条件的共同作用,而产生的温度应力和收缩应力是导致大体积混凝土结构出现裂缝的主要因素。本文就重点谈谈混凝土温度裂缝产生的原因和防止产生裂缝的措施。
2大体积混凝土温度裂缝产生的原因分析
2.1水泥水化热引起的温度应力和温度变形,即内外温差影响
大体积混凝土浇筑后,水泥的水化热很大,每克水泥水化热释放出大约500 J的热量。另外,一般每100 kg水泥可使混凝土温度升高10 ℃左右,加上混凝土的入模温度,在浇筑后的2 d～3 d内,混凝土的内部温度可达到50 ℃～80 ℃。由于混凝土的热传导性能低,使得热量难以扩散到环境中去,聚集在内部的水化热不易散发,混凝土的内部温度将显著升高。同时由于混凝土表面散热较快,这样就容易形成较大的内外温差,就会产生温度应力和温度变形。而混凝土的线膨胀系数约为10×10-6/℃,即温度每升高或降低10 ℃,混凝土会产生0.01 %的线膨胀或收缩。温度应力与温差成正比,温差越大,温度应力也越大。当混凝土内部与表面温差过大时,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,由于此时的混凝土抗拉强度较低,就会在混凝土表面产生裂缝。而混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥用量有关,混凝土愈厚,水泥用量愈大,内部温度愈高。所形成的温度应力与混凝土的结构尺寸有关,在一定范围内,混凝土结构尺寸愈大,温度应力也愈大,因而引起裂缝的可能性也越大。
2.2外界温度变化的影响
大体积混凝土在施工阶段,经常受到外界气温变化的影响(如寒潮来临、冷空气影响、暴雨袭击、保温层失效、撤除保温层时间不当以及过早拆模等)。混凝土内部温度是水泥水化热的绝热温度、浇筑温度和混凝土的散热温度三者的叠加,其中浇筑温度与外界气温有直接关系。一般而言,外界气温越高,混凝土的浇筑温度也越高。当气温下降,特别是气温骤降,会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度,引起混凝土外
表面与环境产生温差,从而形成温度应力,导致混凝土表面产生裂缝。
2.3内部约束条件的影响
大体积混凝土浇筑在基岩或陈旧混凝土时,由于基岩或陈旧混凝土的压缩模量或弹性模量较高,当温度变化时,所产生的温度变形受到基岩或陈旧混凝土的约束限制,而在新浇混凝土内部形成温度应力。混凝土在早期温度上升阶段,约束阻止新浇混凝土的温度膨胀变形,导致在混凝土内产生压应力;而在降温阶段,新浇混凝土收缩(降温收缩与干缩)受到较强的地基或基础的约束而在内部形成拉应力。由于升温较快,此时新浇混凝土的弹性模量较低,且徐变影响又较大,因此压应力较小;但是经过恒温阶段的降温时,新浇混凝土的弹性模量已较大,形成的拉应力也较大,除了抵消升温产生的压应力外,还存在较高的拉应力,导致内部产生裂缝。当结构厚度较小且约束较大时,由于拉应力分布较均匀,从而产生贯穿全断面的裂缝,影响结构安全和造成渗漏。[1]
3防止大体积混凝土温度裂缝的主要措施
为了有效地控制大体积混凝土结构温度裂缝的出现和发展,必须从控制混凝土的水化升温、延缓降温速率、改善约束条件等方面全面考虑,结合实际采取切实有效的措施。
3.1减少水泥用量,降低水泥水化热
(1)合理选择混凝土的配合比,尽量选用水化热低和安定性好的水泥,如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰水泥等。
(2)在满足设计强度要求的条件下,尽可能减少水泥的用量,以减少水泥的水化热。根据试验,每立方米混凝土减少10 kg水泥,其水化热将使混凝土的温度相应降低1 ℃。
(3)在混凝土中掺加超细矿物粉(如粉煤灰、超细矿渣等)代替部分水泥,减少水泥用量。
(4)在混凝土中掺入高效减水剂,提高混凝土强度,以减少水灰比。
(5)利用60 d或90 d的强度代替28 d强度,以减少水泥用量。
(6)采用中砂、粗骨料,如用5 mm～40 mm的石子代替5 mm～20 mm的石子,可减少水泥用量。
(7)在无筋或少筋的大体积混凝土结构中,征求设计单位或有关部门同意后,可掺加不超过混凝土总量20 %的大石块,减少混凝土的用量,从而降低水泥用量和降低水化热。
(8)掺入适量的微膨胀剂(如UEA),可减少水泥用量。
(9)采用保温法施工控制内外温差,即通过保温材料(如
草袋、锯末、塑料布等)提高混凝土表面及四周散热面的温度。
(10)采用分层与分段浇筑法,使混凝土的水化热能尽快散失。
(11)当大体积混凝土平面尺寸过大时,可适当设置后浇带,以减少外约束力和温度作用,同时也利于散热,降低混凝土的内部温度。
3.2降低混凝土入模温度
(1)选择适宜的温度和时间浇筑混凝土,尽量避免炎热天气,如采取晚上浇筑。
(2)夏季可采用低温水或冰水搅拌混凝土,对骨料可进行护盖或设置避免暴晒设施,对运输工具也可设置暴晒设施等。
(3)掺加相应的缓凝性减水剂,如木质素磺酸钙等。
(4)在混凝土入模时,采取措施改善和加强入模的通风,加速模内热量的散失。
3.3加强施工中的温度控制
(1)规定合理的拆模时间,做好混凝土长时间的养护,延缓降温时间和速度,充分发挥混凝土的“应力松弛效应”。
(2)在混凝土浇筑后,做好混凝土的保温保湿养护,缓慢降温,充分发挥徐变特性,减低温度应力,夏季应注意避免暴晒,注意保湿,冬季应采取措施保温覆盖,以免发生急剧的温度梯度发生。
(3)加强测温和温度监测与管理,实行信息化控制,随时控制混凝土内的温度变化,内外温差控制在25 ℃以内,基面温差和基底温差均控制在20 ℃以内,及时调整保温及保湿措施,使混凝土的温度梯度和湿度不致过大。
(4)合理安排施工程序,控制混凝土在浇筑过程中均匀上升,避免混凝土拌合物堆积过大高差。在结构完成后及时回填土,避免其侧面长期暴露。
(5)当存在内部温差控制要求时,除了采取切实措施降低浇筑温度外,主要应设法降低水泥水化热升温,即在混凝土内埋设蛇形冷却水管,进行通水冷却,可降低内部温度6 ℃～10 ℃。
3.4改善约束条件,削减温度应力
(1)采用分层或分块浇筑大体积混凝土,合理设置水平或垂直施工缝,或在适当的位置设置后浇带,以放松约束程度,减少每次浇筑长度的蓄热量,以防止水化热的聚集,减少温度应力。[2]
(2)当大体积混凝土基础设置于岩石类地基或旧的混凝土基础上时,宜在大体积混凝土基础与基岩或基础与垫层之间设置滑动层,可采取以下做法来消除嵌固作用,释放约束应力:①可采用一毡二油,在夏季施工时也可采用一毡一油等沥青油毡层作为缓冲层;②利用防水层上的保护层在早期强度较低时,浇筑底板大体积混凝土;③在基岩或旧混凝土地基的垫层上铺设250 mm厚级配砂石,作为缓冲层。
(3)设备基础合理设置分仓缝,释放约束应力。
3.5混凝土的早期养护
实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此,混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤为重要。
从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:
(1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面温度梯度,防止表面裂缝。
(2)防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
(3)防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。
3.6其他措施
改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别注意避免产生贯穿裂缝。在大体积混凝土表面增加钢筋网片对防止混凝土表面开裂或出现裂缝可起到一定的作用,同时正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。
4结束语
以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了初步的探讨。工程实践中对于裂缝具体的预防和改善措施意见较统一,为预防混凝土的温度裂缝提供一定的经验。
参考文献
1 郝临山、陈晋中.高层与大跨建筑施工技术[M].北京:机械工业出版社,2004
2 混凝土质量专业委员会等.钢筋混凝土结构裂缝控制指南[M].北京:化学工业出版社,2004
The Cause of Formation and Prevention For
Temperature Crack of Massive Concrete Structure
Liu Wenhua,Liu Yanling
Abstract: The foundation of tall building, superelevation building and high-rise structure belongs to massive concrete structure, as well as large installation foundation. The cause of engendering crack is very many, temperature is one cause of them. This article mainly introduces the cause of formation and preventing measure for temperature crack of massive concrete structure.
Key words: concrete; temperature stress; crack; measure
关键词:混凝土;温度应力;裂缝;措施
中图分类号:TU712 文献标识码:A 文章编号:1000-8136(2010)09-0058-02
1引言
高层、超高层建筑以及高耸结构建筑物、大型设备的基础,都是截面尺寸较大、较厚的钢筋混凝土底板,属于大体积混凝土结构。
混凝土是一种多元、多相、非匀质水泥基复合材料。混凝土又是弹性模量较高而抗拉强度较低的材料,在受约束条件下只要发生少许收缩,产生的拉应力往往会大于该龄期混凝土的抗拉强度,导致混凝土发生裂缝。大体积混凝土由于截面尺寸较大,在混凝土硬化期间水泥水化过程中所释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩,以及外界约束条件的共同作用,而产生的温度应力和收缩应力是导致大体积混凝土结构出现裂缝的主要因素。本文就重点谈谈混凝土温度裂缝产生的原因和防止产生裂缝的措施。
2大体积混凝土温度裂缝产生的原因分析
2.1水泥水化热引起的温度应力和温度变形,即内外温差影响
大体积混凝土浇筑后,水泥的水化热很大,每克水泥水化热释放出大约500 J的热量。另外,一般每100 kg水泥可使混凝土温度升高10 ℃左右,加上混凝土的入模温度,在浇筑后的2 d～3 d内,混凝土的内部温度可达到50 ℃～80 ℃。由于混凝土的热传导性能低,使得热量难以扩散到环境中去,聚集在内部的水化热不易散发,混凝土的内部温度将显著升高。同时由于混凝土表面散热较快,这样就容易形成较大的内外温差,就会产生温度应力和温度变形。而混凝土的线膨胀系数约为10×10-6/℃,即温度每升高或降低10 ℃,混凝土会产生0.01 %的线膨胀或收缩。温度应力与温差成正比,温差越大,温度应力也越大。当混凝土内部与表面温差过大时,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,由于此时的混凝土抗拉强度较低,就会在混凝土表面产生裂缝。而混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥用量有关,混凝土愈厚,水泥用量愈大,内部温度愈高。所形成的温度应力与混凝土的结构尺寸有关,在一定范围内,混凝土结构尺寸愈大,温度应力也愈大,因而引起裂缝的可能性也越大。
2.2外界温度变化的影响
大体积混凝土在施工阶段,经常受到外界气温变化的影响(如寒潮来临、冷空气影响、暴雨袭击、保温层失效、撤除保温层时间不当以及过早拆模等)。混凝土内部温度是水泥水化热的绝热温度、浇筑温度和混凝土的散热温度三者的叠加,其中浇筑温度与外界气温有直接关系。一般而言,外界气温越高,混凝土的浇筑温度也越高。当气温下降,特别是气温骤降,会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度,引起混凝土外
表面与环境产生温差,从而形成温度应力,导致混凝土表面产生裂缝。
2.3内部约束条件的影响
大体积混凝土浇筑在基岩或陈旧混凝土时,由于基岩或陈旧混凝土的压缩模量或弹性模量较高,当温度变化时,所产生的温度变形受到基岩或陈旧混凝土的约束限制,而在新浇混凝土内部形成温度应力。混凝土在早期温度上升阶段,约束阻止新浇混凝土的温度膨胀变形,导致在混凝土内产生压应力;而在降温阶段,新浇混凝土收缩(降温收缩与干缩)受到较强的地基或基础的约束而在内部形成拉应力。由于升温较快,此时新浇混凝土的弹性模量较低,且徐变影响又较大,因此压应力较小;但是经过恒温阶段的降温时,新浇混凝土的弹性模量已较大,形成的拉应力也较大,除了抵消升温产生的压应力外,还存在较高的拉应力,导致内部产生裂缝。当结构厚度较小且约束较大时,由于拉应力分布较均匀,从而产生贯穿全断面的裂缝,影响结构安全和造成渗漏。[1]
3防止大体积混凝土温度裂缝的主要措施
为了有效地控制大体积混凝土结构温度裂缝的出现和发展,必须从控制混凝土的水化升温、延缓降温速率、改善约束条件等方面全面考虑,结合实际采取切实有效的措施。
3.1减少水泥用量,降低水泥水化热
(1)合理选择混凝土的配合比,尽量选用水化热低和安定性好的水泥,如矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰水泥等。
(2)在满足设计强度要求的条件下,尽可能减少水泥的用量,以减少水泥的水化热。根据试验,每立方米混凝土减少10 kg水泥,其水化热将使混凝土的温度相应降低1 ℃。
(3)在混凝土中掺加超细矿物粉(如粉煤灰、超细矿渣等)代替部分水泥,减少水泥用量。
(4)在混凝土中掺入高效减水剂,提高混凝土强度,以减少水灰比。
(5)利用60 d或90 d的强度代替28 d强度,以减少水泥用量。
(6)采用中砂、粗骨料,如用5 mm～40 mm的石子代替5 mm～20 mm的石子,可减少水泥用量。
(7)在无筋或少筋的大体积混凝土结构中,征求设计单位或有关部门同意后,可掺加不超过混凝土总量20 %的大石块,减少混凝土的用量,从而降低水泥用量和降低水化热。
(8)掺入适量的微膨胀剂(如UEA),可减少水泥用量。
(9)采用保温法施工控制内外温差,即通过保温材料(如
草袋、锯末、塑料布等)提高混凝土表面及四周散热面的温度。
(10)采用分层与分段浇筑法,使混凝土的水化热能尽快散失。
(11)当大体积混凝土平面尺寸过大时,可适当设置后浇带,以减少外约束力和温度作用,同时也利于散热,降低混凝土的内部温度。
3.2降低混凝土入模温度
(1)选择适宜的温度和时间浇筑混凝土,尽量避免炎热天气,如采取晚上浇筑。
(2)夏季可采用低温水或冰水搅拌混凝土,对骨料可进行护盖或设置避免暴晒设施,对运输工具也可设置暴晒设施等。
(3)掺加相应的缓凝性减水剂,如木质素磺酸钙等。
(4)在混凝土入模时,采取措施改善和加强入模的通风,加速模内热量的散失。
3.3加强施工中的温度控制
(1)规定合理的拆模时间,做好混凝土长时间的养护,延缓降温时间和速度,充分发挥混凝土的“应力松弛效应”。
(2)在混凝土浇筑后,做好混凝土的保温保湿养护,缓慢降温,充分发挥徐变特性,减低温度应力,夏季应注意避免暴晒,注意保湿,冬季应采取措施保温覆盖,以免发生急剧的温度梯度发生。
(3)加强测温和温度监测与管理,实行信息化控制,随时控制混凝土内的温度变化,内外温差控制在25 ℃以内,基面温差和基底温差均控制在20 ℃以内,及时调整保温及保湿措施,使混凝土的温度梯度和湿度不致过大。
(4)合理安排施工程序,控制混凝土在浇筑过程中均匀上升,避免混凝土拌合物堆积过大高差。在结构完成后及时回填土,避免其侧面长期暴露。
(5)当存在内部温差控制要求时,除了采取切实措施降低浇筑温度外,主要应设法降低水泥水化热升温,即在混凝土内埋设蛇形冷却水管,进行通水冷却,可降低内部温度6 ℃～10 ℃。
3.4改善约束条件,削减温度应力
(1)采用分层或分块浇筑大体积混凝土,合理设置水平或垂直施工缝,或在适当的位置设置后浇带,以放松约束程度,减少每次浇筑长度的蓄热量,以防止水化热的聚集,减少温度应力。[2]
(2)当大体积混凝土基础设置于岩石类地基或旧的混凝土基础上时,宜在大体积混凝土基础与基岩或基础与垫层之间设置滑动层,可采取以下做法来消除嵌固作用,释放约束应力:①可采用一毡二油,在夏季施工时也可采用一毡一油等沥青油毡层作为缓冲层;②利用防水层上的保护层在早期强度较低时,浇筑底板大体积混凝土;③在基岩或旧混凝土地基的垫层上铺设250 mm厚级配砂石,作为缓冲层。
(3)设备基础合理设置分仓缝,释放约束应力。
3.5混凝土的早期养护
实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此,混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤为重要。
从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:
(1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面温度梯度,防止表面裂缝。
(2)防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
(3)防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。
3.6其他措施
改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别注意避免产生贯穿裂缝。在大体积混凝土表面增加钢筋网片对防止混凝土表面开裂或出现裂缝可起到一定的作用,同时正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。
4结束语
以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了初步的探讨。工程实践中对于裂缝具体的预防和改善措施意见较统一,为预防混凝土的温度裂缝提供一定的经验。
参考文献
1 郝临山、陈晋中.高层与大跨建筑施工技术[M].北京:机械工业出版社,2004
2 混凝土质量专业委员会等.钢筋混凝土结构裂缝控制指南[M].北京:化学工业出版社,2004
The Cause of Formation and Prevention For
Temperature Crack of Massive Concrete Structure
Liu Wenhua,Liu Yanling
Abstract: The foundation of tall building, superelevation building and high-rise structure belongs to massive concrete structure, as well as large installation foundation. The cause of engendering crack is very many, temperature is one cause of them. This article mainly introduces the cause of formation and preventing measure for temperature crack of massive concrete structure.
Key words: concrete; temperature stress; crack; measure