大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因和控制

    與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比, 大體積混凝土有“大高難”三大特點(diǎn)。“大”指其幾何尺寸大于800mm,“ 高”, 指其體內(nèi)外溫差高——“ 水化熱引起的混凝土內(nèi)的最高溫度與環(huán)境溫度之差預(yù)計(jì)超過(guò)25℃”;“難”,指其裂縫解決是一道絞人腦汁的技術(shù)難題。因?yàn)椤半y”, 美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)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(wèn)題“必須解決”而解決的程度則只要求“以最大限度地減少開(kāi)裂影響”。

一、大體積混凝土裂縫產(chǎn)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(kāi)裂的原因是極其復(fù)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?yàn)閲?guó)內(nèi)外大量調(diào)查結(jié)論說(shuō)明: 由于“ 變形荷載”引起的裂縫占到兩大類作用裂縫總計(jì)的80% 以上。

    大體積混凝土結(jié)構(gòu)的“ 變形荷載”裂縫, 主要是由水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)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(chǎn)生有三種情況: 第一種是在混凝土澆注初期, 產(chǎn)生大量的水化熱, 由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體,水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā), 使的混凝土內(nèi)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(nèi)外溫差。這種內(nèi)外溫差的混凝土凝結(jié)初期產(chǎn)生的拉應(yīng)力當(dāng)超過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí), 就會(huì)導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。第三種是: 當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度高達(dá)峰值后, 熱量逐漸散發(fā)而達(dá)到使用溫度或最低溫度, 它們與最高溫度的差值就是內(nèi)部溫差。這三種溫差都會(huì)產(chǎn)生裂縫, 但最最嚴(yán)重的是有水化熱引起的內(nèi)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(huì)加劇進(jìn)行。因?yàn)檫@時(shí)混凝土的泌水明顯減少, 表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充, 尚處于塑性狀態(tài)的混凝土, 稍微受到一點(diǎn)拉力, 其表面就會(huì)出現(xiàn)分步不均勻的裂縫。裂縫出現(xiàn)以后, 混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加大, 于是裂縫進(jìn)一步擴(kuò)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(nèi)部的水分不斷向外散失, 引起混凝土由外向內(nèi)的干縮變形裂縫。

    產(chǎn)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(kāi)裂,裂縫越寬、越密; ②基底對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用越大, 越容易開(kāi)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(kāi)裂; ④在一般情況下, 結(jié)構(gòu)的幾何尺寸越大, 越容易開(kāi)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(diǎn)意見(jiàn):
1. 走出采用高早強(qiáng)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(qǐng)見(jiàn)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(jiàn): ①水化熱: 一年內(nèi)五個(gè)齡期都是: C3A > C3S + C2S +C4AF; C3S 在28 天內(nèi)的三個(gè)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(qiáng)水泥對(duì)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(qiáng)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(chǎn)與能源技術(shù)中心( CANMET) 自1985 年以來(lái), 進(jìn)行了深入而廣泛的研究. 它以水泥150kg/m3、粉煤灰200/m3, 通過(guò)高效減水劑將水膠比降0.3 左右, 所配的混凝土抗壓強(qiáng)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(yàn)成功,使得在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達(dá)實(shí)驗(yàn)室利用CANMET 了一個(gè)重達(dá)360 噸的混凝土平臺(tái)。為了降低水化熱, 以Ⅱ型( 低熱) 水泥、粉煤灰、粗細(xì)骨料、高效減水劑混合配制。平臺(tái)的尺寸是7 ×8m , 平均厚度2.25m, 在多個(gè)充氣圓柱體上, 因此其震動(dòng)與地面分離。由于粉煤灰混凝土高性能品質(zhì), 發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會(huì)引起平臺(tái)共振。隨著齡期增大, 平臺(tái)混凝土的共振頻率以每年0.5Hz 的速度增大, 質(zhì)量越來(lái)越好。在該平臺(tái)上成功的發(fā)射了愛(ài)那克依火箭的事實(shí)雄辯地證明: 粉煤灰混凝土可以看作真正的太空時(shí)代的建筑材料。