在水利工程建设中,混凝土工程占有重要地位,因混凝土体积较大、施工条件复杂等诸多原因,裂缝尤为普遍。尽管我们在施工中针对各种情况采取相应的工程措施,但裂缝始终不能避免。究其原因,主要是由于施工人员对混凝土温度应力的变化控制不力造成的。在水利工程大体积混凝土中,温度应力是产生裂缝的主要因素之一,这主要是由于两方面的原因,首先,在施工过程中,混凝土胶结材料(水泥)产生的水化热所产生温度应力而导致温度裂缝;其次,在工程运行过程中,温度的变化对结构的应力状态对建筑物所造成的影响。当前,在施工过程中遇到的主要是温度裂缝,下面对水工混凝土施工中裂缝的成因和处理措施作如下粗浅的探讨。
一、水工混凝土裂缝产生的原因
混凝土产生裂缝有多种原因,所处环境温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性、结构不合理、原材料不合格、模板变形和基础不均匀沉降都会促使混凝土产生裂缝。
1.温度的影响
水工混凝土在凝固初期内胶结材料(水泥)产生大量水化热,导致内部温度不断上升,在混凝土表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝土的约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力,当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。
2.湿度的影响
许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化,如养护不当、时干时湿,表面干缩变形受到内部混凝土体的约束,也往往产生裂缝。
3.混凝土的性能
由于原材料质地不均匀、水灰比不稳定以及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块体混凝土中其抗拉强度也是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低,易于出现裂缝的薄弱部位。
施工中混凝土由最高温度冷却到工程运行时期的稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力,有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力。因此,掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
二、温度应力的分析
温度应力根据其形成过程可分为以下三个阶段:
1、第1阶段:自开始浇筑混凝土至水化热基本结束,一般约为30天。这个阶段具备两个特征:一是水泥挥发出大量的水化热,二是混凝土弹性模量的急剧变化,由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。
2、第2阶段:自水化热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止。在这个时期,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
3、第3阶段:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相叠加。
三、防止水工混凝土裂缝的措施
为了防止混凝土裂缝,可以从控制混凝土温度和加强混凝土早期养护两个方面考虑,采取适当的工程措施。
1、控制混凝土温度的措施
大体积混凝土温控措施主要有减少混凝土的发热量、降低混凝土的入仓温度、加速混凝土散热等。
(1) 减少混凝土的发热量
A:尽量减少每立方米混凝土的水泥用量,按有关标准,适当在混凝土中添加外加剂,改善混凝土的物理性能,有效减少水泥用量;对大体积混凝土进行分区,对于不同分区采用不同标号的混凝土;采用低流态或无塌落度干硬性贫混凝土;改善骨料级配,增大骨料粒径,对少筋混凝土可设计为块石混凝土。
B:采用低发热量的水泥
(2) 降低混凝土的入仓温度
A:合理安排浇筑时间
在施工组织上应进行合理安排,尽量安排在低温季节、低温时段浇筑,以降低混凝土入仓温度,避免出现温度裂缝。
B:采用加冰或加冰水拌和
C: 对骨料进行预冷。。
(3) 加速混凝土散热
A:采用自然散热冷却降温
用薄层浇筑已增加散热面,并适当延长间歇时间。
高温季节,已采用预冷措施时,则可采用厚块浇筑,防止因气温过高而热量倒流,以保持预冷效果。
B:在混凝土内埋水管通水冷却
主要是在混凝土内埋设蛇形冷却水管,通循环冷水进行降温冷却。
2、加强混凝土的早期养护
水工混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是混凝土表面与内部温差过大,冬季施工的温度骤降也容易形成裂缝。因此,混凝土的保温对防止混凝土表面早期裂缝非常重要。
从温度应力方面考虑,混凝土保温应达到下述要求:
(1) 防止混凝土内外温差过大,防止其表面裂缝;
(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运行期的稳定温度。