大體積混凝土結構裂縫產生的原因和控制

    與普通混凝土結構相比, 大體積混凝土有“大高難”三大特點?！按蟆敝钙鋷缀纬叽绱笥?00mm,“ 高”, 指其體內外溫差高——“ 水化熱引起的混凝土內的最高溫度與環(huán)境溫度之差預計超過25℃”;“難”,指其裂縫解決是一道絞人腦汁的技術難題。因為“難”, 美國混凝土學會才既“硬性又橡皮”地規(guī)定: 其水化熱及隨之引起的體積變形問題“必須解決”而解決的程度則只要求“以最大限度地減少開裂影響”。

一、大體積混凝土裂縫產生的原因和規(guī)律

    從基本概念上講, 建筑物的裂縫是不可避免的, 但其有害程度是可以控制的, 有害程度的界限由各種建筑物的使用要求所決定。引起建筑物開裂的原因是極其復雜的。主要可分為兩大類作用, 即外力荷載作用和變形荷載作用。本文只探討變形荷載引起的裂縫, 因為國內外大量調查結論說明: 由于“ 變形荷載”引起的裂縫占到兩大類作用裂縫總計的80% 以上。

    大體積混凝土結構的“ 變形荷載”裂縫, 主要是由水泥水化熱引起的混凝土內的最高溫度與環(huán)境溫度之差的高溫差和混凝土的收縮率引起的。溫差的產生有三種情況: 第一種是在混凝土澆注初期, 產生大量的水化熱, 由于混凝土是熱的不良導體,水化熱積聚在混凝土內部不易散發(fā), 使的混凝土內部溫度上升; 而混凝土表面溫度為室外環(huán)境溫度, 這就形成了內外溫差。這種內外溫差的混凝土凝結初期產生的拉應力當超過混凝土抗壓強度時, 就會導致混凝土裂縫。另一種是在拆模前后, 表面溫度降低很快, 造成了陡降, 也會導致裂縫產生。第三種是: 當混凝土內部溫度高達峰值后, 熱量逐漸散發(fā)而達到使用溫度或最低溫度, 它們與最高溫度的差值就是內部溫差。這三種溫差都會產生裂縫, 但最最嚴重的是有水化熱引起的內外溫差。

    收縮引起裂縫的情況有兩種: ①混凝土硬化前的塑性收縮: 在水泥活性較大, 混凝土溫度較高, 或在水灰比較低的條件下,塑性收縮會加劇進行。因為這時混凝土的泌水明顯減少, 表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充, 尚處于塑性狀態(tài)的混凝土, 稍微受到一點拉力, 其表面就會出現(xiàn)分步不均勻的裂縫。裂縫出現(xiàn)以后, 混凝土體內的水分蒸發(fā)進一步加大, 于是裂縫進一步擴展。②混凝土硬化后的干燥收縮: 在干燥的環(huán)境下, 已硬化的混凝土內部的水分不斷向外散失, 引起混凝土由外向內的干縮變形裂縫。

    產生裂縫的規(guī)律。①溫差和收縮越大,溫度變化和收縮的速度越快, 越容易開裂,裂縫越寬、越密; ②基底對結構的約束作用越大, 越容易開裂; ③溫度梯度越大, 承受均勻溫差收縮的厚度越小, 越容易開裂; ④在一般情況下, 結構的幾何尺寸越大, 越容易開裂。

二、控制大體積混凝土裂縫的主要措施

    控制裂縫的措施, 就要最大限度地降低溫差和減少收縮, 本文從混凝土的主要膠凝材料水泥方面談點意見:
1. 走出采用高早強水泥的誤區(qū)水泥熟料主要是由C3S、C2S、C3A 和C4AF 四種礦物組成的。
水泥熟料四種礦物的水化熱和收縮率請見表1 、表2 :

表1: 水泥熟料四種礦物的水化熱


表2: 水泥熟料四種礦物收縮率

    由表1 和表2 可見: ①水化熱: 一年內五個齡期都是: C3A > C3S + C2S +C4AF; C3S 在28 天內的三個齡期也是C2S的數(shù)倍; ②收縮率也是C3A> C3S+ C2S+C4AF。據(jù)此可以斷定: 采用高早強水泥對大體積混凝土裂縫的控制, 必然是南轅北轍, 事與愿違!

2 .用中強偏低硅酸鹽水泥, 摻入適量粉煤灰和適量相容的高效減水劑, 將水膠比降到0.3 左右, 能夠配制出高性能的混凝土。

    例如: 加拿大礦產與能源技術中心( CANMET) 自1985 年以來, 進行了深入而廣泛的研究. 它以水泥150kg/m3、粉煤灰200/m3, 通過高效減水劑將水膠比降0.3 左右, 所配的混凝土抗壓強度: 28 天為30～40Mpa; 90 天為40～50Mpa; 1 年為50～60Mpa。大摻量粉煤灰混凝土的試驗成功,使得在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達實驗室利用CANMET 了一個重達360 噸的混凝土平臺。為了降低水化熱, 以Ⅱ型( 低熱) 水泥、粉煤灰、粗細骨料、高效減水劑混合配制。平臺的尺寸是7 ×8m , 平均厚度2.25m, 在多個充氣圓柱體上, 因此其震動與地面分離。由于粉煤灰混凝土高性能品質, 發(fā)射火箭產生的沖擊不會引起平臺共振。隨著齡期增大, 平臺混凝土的共振頻率以每年0.5Hz 的速度增大, 質量越來越好。在該平臺上成功的發(fā)射了愛那克依火箭的事實雄辯地證明: 粉煤灰混凝土可以看作真正的太空時代的建筑材料。