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混凝土结构裂缝产生的原因及控制措施
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内容提示：大体积混凝土开裂后，其性能与原状混凝土性能相差很大，严重影响结构的长期安全和耐久运行。本文分析了混凝土结构裂缝产生的原因和机理，从各个环节提出了预防裂缝的综合措施，以确保混凝土质量，减少裂缝的发生。
摘 要：大体积混凝土开裂后，其性能与原状混凝土性能相差很大，严重影响结构的长期安全和耐久运行。本文分析了混凝土结构裂缝产生的原因和机理，从各个环节提出了预防裂缝的综合措施，以确保混凝土质量，减少裂缝的发生。（参考《建筑中文网》）
关键词：混凝土 裂缝 水泥水化热 温度应力
一、混凝土结构裂缝产生的原因
钢筋混凝土结构的裂缝产生的原因主要有三种：（1）由外部荷载引起的裂缝隙，按常规计算的各种荷载引起的；（2）由于结构的实际工作状态与设计模型的不同而产生的结构次应力引起的裂缝；（3）由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素产生的变形应力引起的裂缝，施工中可采取措施避免。（4）大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化释放的水化热能产生很大的温度变化和收缩作用，是导致大体积混凝土温度裂缝的主要原因。
1.水化热产生裂缝的机理
大体积混凝土结构的截面尺寸较大，在施工过程中，由水泥水化过程中释放出大量水化热，由于体积大，热量不易散发，造成较大温升，从而导致体积增大。当这种变形不受约束时，混凝土结构内部不会产生应力。但实际上这种变形肯定会受到约束，约束有两种。一是混凝土与外部环境温度差异引起的约束；另一种是由于内部的条件不同产生的约束，以上两种约束产生的应力为温度应力。
其次，湿度变化引起的混凝土内部各单元体之间相互约束，产生的应力为干缩应力。因为湿度传导率远小于热度传导率（约为1/1600），所以，它主要在混凝土表面附近：另外，混凝土自身体积变形不能自由伸缩所产生的应力，称为自身体积变形应力；还有地基非均匀沉降、模板走样也会产生变形应力。在以上非结构荷载作用下所产生的应力中，主要是温度应力和变形应力。对于大体积混凝土结构施工，当混凝土浇筑体边界无约束时（如底、顶板顶面），在早期水化热温度迅速升高阶段，由于混凝土内、外散热条件不同，形成温度梯度，表面受拉，内部受压。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。在混凝土的降温阶段，混凝土的温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束时，在浇筑体中央断面产生内部拉应力，当该拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土整个截面就产生贯穿裂缝。
2.温度应力的分析
根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：
（1）初期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，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）中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，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）后期：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。根据温度应力引起的原因可分为两类：
一是自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，桥梁墩身、结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。
二是约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响，具体计算这里就不再细述。
二、裂缝控制的基本原理及措施
大体积混凝土的裂缝控制是指杜绝有害裂缝，同时减少或避免不影响使用的混凝土表面裂缝。裂缝控制原理是：降低混凝土外约束与非线性降温和收缩所产生的拉应力，提高混凝土相应龄期的抗拉强度和极限拉伸，以确保抗裂安全度要求。裂缝控制方法采取温差与温度应力双控制方法，避免结构物出现温度裂缝，同时调整混凝土表面湿度以防止表面干缩裂缝。结构裂缝产生的主要原因是降温和收缩。任一降温差包含水化热引起的温差和收缩当量温差，又都可以分解为均匀降温差和非均匀降温差两类。前者产生外约束力，它成为贯穿性裂缝的主要原因；后者引起自约束力，形成表面裂缝；只有同时控制好这两类降温差，才能减小和避免裂缝的产生。
控制混凝土裂缝，必须从混凝土产生裂缝的几个主要原因入手，才能有效地将裂缝控制在充许范围内。一般分为两个控制阶段，设计阶段和施工阶段。设计阶段由设计人员对混凝土强度等级、钢筋的品种、规格、建筑物的结构形式等统筹设计，有效进行裂缝控制。施工阶段采取加入外加剂改善混凝土性能、降低水泥水化热、降低混凝土内外温差、设置施工缝或变形缝、加强混凝土中的配筋率等措施来减少混凝土的收缩，防止混凝土产生有害裂缝。
1.合理设计施工配合比
由于大体积混凝土各项指标要求较高，并普遍采用泵送混凝土，因此合理设计配合比是有效控制和预防混凝土裂缝发生的基础。应根据工程所处条件，对砂率、水灰比、水泥用量及掺合料用量等进行优化设计，选择最优方案。
（1）砂率的选择。适当砂率的选择对控制混凝土的裂缝有积极作用，混凝土的干燥收缩随砂率的增大而增大。由于砂率减小使粗骨料含量增大，在相同条件下混凝土的弹性模量较高，收缩量较小，而且由于粗骨料对收缩的约束作用，可减少开裂的可能。使用粗骨料，尽量选用粒径较大，级配良好的粗骨料，在厚大无筋或少筋的大体积混凝土中，掺总量不超过20%的大石块，减少混凝土的用量，以达到节省水泥和降低水化热的目的。
（2）选用中低水化热水泥，可使水泥在拌和过程中水化热释放较小，显著减少混凝土升温，如选用矿渣硅酸盐水泥，火山灰质硅酸盐水泥、普硅非早强型水泥。充分利用混凝土后期强度，减少每立方米混凝土中水泥用量。（3）采用混凝土双掺技术，即在混凝土中加入优质粉煤灰，掺入量一般为水泥用量的20%左右，掺入缓凝型减水剂，用量为水泥用量的 1.0%左右。通过采用双掺技术，减少水泥用量，降低水化热并使混凝土在常温下延长初凝时间。
（4）加入UEA或AEA膨胀剂，用量为水泥用量的14%左右，使混凝土在凝固过程中不产生收缩，还可以提高混凝土自防水能力。
2.混凝土结构原料的控制
（1）材料的选择，应优先采用水化热低的水泥配制大体积混凝土，如矿渣硅酸盐水泥。在施工中避免使用含泥量高的集料，因使用含泥量高的集料会导致集料表面与水泥石的机械粘结力降低，而且会增加混凝土拌合物的用水量，不仅增加了混凝土的收缩，同时降低了混凝土的抗拉强度，导致收缩裂缝发生。
（2）采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值，可以使混凝土浇筑后的内外差和降温速度控制的难度降低。
（3）掺合料和外加剂的控制。掺合料的质量对混凝土裂缝有显著的影响， 当前用的掺合料主要是粉煤灰或矿粉，它们可以提高混凝土的和易性大大改善混凝土工作性能和可靠性，粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大，使用细度较粗或含碳量高的粉煤灰会大幅度增加混凝土的需水量，从而加大混凝土的收缩导致开裂。外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入减水剂，不仅使混凝土工作性能有了明显的改善，同时又减少拌和用水，节约水泥，从而降低了水化热。若是泵送混凝土，同时在炎热的夏天，为了延缓凝结时间，要加缓凝剂，反之凝结时间过早，将影响混凝土的输送和浇筑面的粘结，易出现层间缝隙，使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。为了防止混凝土的初始裂缝，可掺加膨胀剂，如UEA膨胀剂等。
3.浇筑时的控制措施
（1）加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。
（2）混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上。
（3）采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性
（4）加强混凝土的养护及测温工作。混凝土浇筑完毕后，应及时按温控技术措施的要求进行保温养护，保温养护是大体积混凝土施工的关键环节，其目的主要是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力；其次是降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土块体的抗裂能力，同时，在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件，使混凝土在良好的环境下养护。具体应使混凝土浇筑块体的里外温差及降温速度满足温控指标的要求，保温养护的持续时间应根据温度应力加以控制、确定，保温覆盖层的拆除应分层逐步进行；在保温养护过程中，应保持混凝土表面的湿润。施工人员需根据事先确定的温控指标的要求，来确定大体积混凝土浇筑后的养护措施，如采用蓄水法保温养护等。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200902/12332.htm
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