超长墙体大体积C50混凝土开裂特征与成因分析

文摘 2024-10-07 07:03 河南

0引言

基于功能和外观等方面的需要，设计人员对不设缝混凝土的长度要求越来越高。通常把建筑物的长度超过规范规定需要设置伸缩缝的最大长度而不设置任何永久缝的结构称为超长混凝土结构，此类结构常见的缺陷之一是开裂。据调查，混凝土结构特别是超长大体积混凝土结构的裂缝有80%～90%都是由于混凝土降温阶段拉应力超过混凝土抗拉强度引起的，且温降阶段产生的裂缝易发展为深层甚至是贯通裂缝。大量的工程实践表明，此类结构通常拆模后即出现开裂，裂缝间距较规则，通常从中部向两边延伸，有不少是贯通性裂缝，给工程的耐久性和质量带来了极大隐患。

人们对大体积混凝土抗裂进行了大量研究。研究表明，适当增加掺合料如粉煤灰或相变材料可以显著提高大体积混凝土的抗裂性能。研究提出了许多大体积混凝土水化热和温升模型，为大体积混凝土抗裂奠定了理论基础。

杨海鹏等分析了港珠澳大桥珠澳口岸连接桥施工期受力裂缝、温度裂缝、塑性裂缝和约束收缩裂缝产生的主要原因，提出了混凝土预冷、及时喷洒养护液等措施预防开裂。杜杰贵认为混凝土开裂原因主要是约束条件下混凝土中心迅速降温与自生体积变形（收缩）相叠加，导致拉应力超过抗拉强度，采用膨胀剂后混凝土的抗裂性显著提高。GUO等采用有限元对具有塑料冷却管系统的混凝土结构的温度场和应力场进行了模拟，结果表明塑料管通水冷却混凝土的温度和应力远低于无塑料管冷却混凝土。LI等认为混凝土水化引起的峰值温度与周围环境温度之间的温差是导致大型隧道混凝土主体结构早期开裂的关键因素，并采用温度和变形双重调控技术控防止隧道混凝土的早期开裂。LI等研究了掺不同活性氧化镁膨胀剂混凝土的膨胀性和抗裂性，结果表明，应根据不同混凝土结构的温度历程特点，合理选择不同活性值的氧化镁膨胀剂，以充分发挥其收缩补偿效率。LIU等基于多场（水-热-水-约束）耦合模型，计算了结构混凝土的开裂风险指数，并提出了一种将结构混凝土的开裂风险指数控制在阈值以下的设计方法。

迄今为止，预防混凝土开裂进行了大量的研究工作，但是混凝土特别是超长结构混凝土开裂现象在工程中仍然经常发生。国内长34m、高3.17m、厚1.1m的C50墙体混凝土在多个工程中出现开裂现象，工程技术人员和技术管理人员关于裂缝的成因众说纷纭，建议采取的预防开裂的措施也各不相同。本文拟结合实体工程监测数据分析超长墙体C50混凝土的裂缝成因，为解决超长混凝土墙体开裂提供指导性意见。

1墙体混凝土开裂特征

墙体长34m，高3.17m，厚1.1m，为现场连续、整体浇筑的钢筋混凝土，混凝土强度等级为C50。墙体浇筑在混凝土地面上，通过钢筋与地面连接，早期只有墙体底部混凝土受到前期浇筑的地面混凝土的约束，其他部位处于自由状态，28d后墙体还会受到顶部混凝土和端面混凝土的约束。墙体混凝土在浇筑20h后拆模，覆盖土工布后用自来水喷淋、保湿养护。浇筑时在墙体混凝土中埋设应变计，用于混凝土温度和应变监测。拆模后，每天通过肉眼观察墙体混凝土裂缝发展情况，包括裂缝数量、裂缝宽度、裂缝长度、裂缝间距及其发展情况。本文的裂缝宽度指的是一条裂缝的最大宽度，裂缝长度为一条裂缝起终点直线距离，裂缝间距为相邻两条裂缝之间的平均距离。

1.1裂缝数量

图1为浇筑后28d龄期内墙体混凝土的裂缝发展情况。浇筑后第2d拆模时（浇筑后20h拆模）墙体内、外侧均未发现裂缝。在浇筑后第3d时，墙体内侧和外侧表面各有1和3条裂缝。在浇筑后第4d时墙体内侧新增6条裂缝，外侧新增10条裂缝。在浇筑后第7d时墙体内和外侧分别新增2和5条裂缝。在浇筑后第9d时，墙体内侧新增2条裂缝，外侧无新增裂缝。在浇筑后第13d时，墙体外侧新增2条裂缝。此后，未发现新增裂缝。裂缝开始出现的时间为浇筑后第3d（拆模后第2d），裂缝大量出现的时间为浇筑后的第3d至第4d，此后裂纹有少量增加，浇筑13d后无新增裂缝。

1.2裂缝形态及分布

经观察，墙体混凝土的不同部位会呈现不同的开裂形态，大致可以分为以下几类：1）竖向长裂缝，一般出现在墙体的中段，宽度较宽，分布均匀，多为贯穿性裂缝；2）竖向短裂缝，一般出现在墙体的中段，宽度较小，分布在竖向长裂缝附近；3）斜向短裂缝，一般出现在墙体的两端，该处接近自由端，裂缝走向易发生倾斜，呈“外八字”形状；4）网状裂纹，少量墙体会出现网状裂纹，像“井”字状分布，宽度较小，深度较小。试验墙体混凝土上出现的裂缝形态主要是竖向长裂缝和竖向短裂缝，如图2所示，早期裂缝多出现在中段，然后逐渐往两端发展，最终裂缝多分布在墙体中段，端部相对较少。裂缝大致呈平行状态，裂缝间距大小不一，多为1～3m。裂缝多出现在墙体高度方向的中段位置，部分裂缝随后往上或往下扩展，最后沿高度方向形成通长裂缝。多数裂缝不是从基础约束部位发展并扩展的，这说明基础的约束作用不是墙体混凝土裂缝产生的主要原因。

1.3裂缝长度

表1列出了墙体混凝土28d龄期时各位置裂缝的长度。墙体内侧有13条裂缝，长度为69～97cm的裂缝2条，长度为131～190cm的裂缝5条，长度为227～287cm的裂缝5条，长度为307cm的裂缝1条，裂缝平均长度为196cm。墙体外侧有20条裂缝，长度为30～82cm的裂缝4条，长度为116～177cm的裂缝6条，长度为208-278cm的裂缝5条，长度为317cm的裂缝（从墙顶到墙底）5条，裂缝平均长度为194cm。

1.4裂缝宽度

墙体混凝土28d时的裂缝宽度见表1。墙体内侧裂缝宽度为0.08～0.20mm，裂缝平均宽度为0.14mm。墙体外侧裂缝宽度为0.04～0.65mm，其中宽度为0.04～0.10mm的裂缝4条，宽度为0.15～0.20mm的裂缝7条，宽度为0.25～0.30mm的裂缝3条，宽度为0.35mm的裂缝3条，宽度为0.45、0.50和0.65mm的裂缝各1条，裂缝平均宽度为0.25mm。该墙体观测到的裂缝宽度在0.04～0.65mm范围内，其中宽度较大的裂缝为竖向长裂缝，宽度为0.2～0.65mm。图3给出了墙体裂缝平均宽度随龄期的发展情况，可以看出在裂缝出现后的短时间里裂缝宽度趋于增大，随后裂缝平均宽度变化不明显，在4～9d龄期时随着新增少量较细的裂缝，裂缝平均宽度略有下降，9d后无新增裂缝，裂缝平均宽度基本保持不变。

2混凝土裂缝成因分析

图4为墙体中心混凝土（C-C，在长度、高度和厚度方向均为中点）和墙体中部表面混凝土（C-S，在长度和高度方向为中点，距混凝土表面50mm）的温度发展情况。

由图4可见，墙体混凝土中心浇筑温度为27.3℃，浇筑17.5h后，达最高温度71.0℃，温升43.7℃，升温速率为59.9℃/d。墙体混凝土浇筑20h后拆模，并进行喷淋养护，墙体中心和墙体中部表面混凝土迅速降温，墙体中心混凝土温度在4d内降温至27.4℃，降温速率为10.9℃/d，墙体中部表面混凝土在24h内温度降低26.9℃，降温速率为26.9℃/d，远超过大体积混凝土关于温降速率不大于2℃/d的要求。

墙体中心与墙体中部表面混凝土温差结果见表2，5d内该墙体中心部位里表温差为5.0～24.4℃，小于25℃，满足《大体积混凝土施工标准》（GB50496-2018）关于大体积混凝土里表温差温控要求，表明墙体混凝土垂直墙体表面方向的温度梯度不是导致该墙体开裂的主要原因。

图5为墙体中心混凝土的总体积变形、温度变化引起的变形和混凝土自生体积变形（这里指混凝土总变形减去温度变化引起的变形）。由图5可见，混凝土自生体积收缩随着龄期逐渐增大，至13d时为73με；混凝土温度降低引起体积收缩随着龄期延长快速增加，4d后墙体混凝土温降产生的收缩为290με，此后墙体混凝土温降引起的收缩趋于平稳，13d时温降导致的混凝土收缩为340με；混凝土自身体积收缩和温降收缩叠加使得混凝土在4d时的收缩达到355με，在13d时导致混凝土产生了413με收缩。图5的结果表明，4d和13d时墙体混凝土温降导致的收缩占墙体混凝土总收缩的82%。

由于水泥水化放热墙体混凝土最高温度升至71.0℃，随后由于早期脱模和喷淋养护使墙体混凝土温度快速下降，在4d时间内混凝土温降引起的收缩达290με，叠加部分混凝土自生体积变形，墙体混凝土在4d时的总收缩达到355με。由于此龄期内墙体混凝土在长度方向产生很大收缩，墙体由于受到基础混凝土的约束不能自由移动，结果是墙体混凝土中存在较大的收缩应力。相应地，墙体混凝土在第4d时出现了大量的开裂。前述分析表明，墙体中心与表面混凝土的温度差低于相应规范规定的数值，因此墙体混凝土垂直墙体表面方向的温度梯度不是导致该墙体开裂的主要原因。由此看来，大幅度温降是墙体混凝土开裂的主要原因。

3混凝土开裂预防措施探析

3.1混凝土温升控制

墙体混凝土中心最高温度达到71.0℃，温升达43.7℃，随后的降温过程诱发了很大的温降收缩。通过优化混凝土配合比降低水泥水化热、冷却混凝土原材料或拌合水加冰降低混凝土拌合物温度和通冷却水降低混凝土温度均可降低墙体混凝土的温升。

3.2混凝土自生体积变形控制

通过在混凝土中掺入适宜适量的膨胀剂来补偿混凝土自生体积收缩或使混凝土自生体积膨胀，将有助于减小墙体混凝土的总收缩。MgO膨胀剂具有延迟膨胀特点，可用于抵消或部分抵消混凝土由于前期水化热和后期温降而产生的收缩，达到改善温度应力、控制温度裂缝的目的，在我国东风、青溪、铜街子等十几座大中型水利水电工程中已有成功应用。

3.3墙体混凝土保温养护

采用保温效果较好的木模板，在墙体混凝土达到最高温度后在模板外覆盖棉被等对墙体进行保温，尽量降低墙体混凝土温降速度，促进MgO膨胀剂水化膨胀以减小混凝土自生体积收缩，促进混凝土强度发展以增强混凝土抵抗开裂的能力，促进徐变以释放部分应力，进而减小混凝土的收缩应力。

4结论

（1）墙体裂缝开始出现的时间为浇筑后第3d（拆模后第2d），裂缝大量出现的时间为浇筑后的第3d至第4d，此后开裂有少量增加，浇筑13d后无新增裂缝。墙体混凝土裂缝以竖向裂缝为主，平均长度为194～196cm，裂缝宽度为0.04～0.65mm，墙体内侧和外侧裂缝平均宽度分别为0.14mm和0.25mm，裂缝间距为1～3m。裂缝多出现在墙体高度方向的中段位置，部分裂缝随后往上或往下扩展，最后沿高度方向形成通长裂缝。大多数裂缝不是从基础约束部位发展并扩展的，这说明基础约束作用不是墙体混凝土裂缝产生的主要原因。

（2）浇筑17.5h后，墙体中心混凝土达到最高的71.0℃，浇筑20h后脱模并覆盖喷淋养护后，墙体中心混凝土温度在4d内的降温速率为10.9℃/d，墙体中部表面混凝土在24h内降温速率为26.9℃/d。墙体混凝土4d时的总收缩达到355με，13d时总收缩为413με，其中温度降低导致的收缩占总收缩的82%，混凝土温降收缩是墙体C50混凝土开裂的主要原因。墙体中心和墙体中部表面混凝土的温差低于相应规范规定的25℃，垂直墙体表面方向的温度梯度不是开裂的主要诱因。

（3）通过采取措施控制混凝土温升、采用MgO膨胀剂补偿混凝土自生收缩和加强保温养护减小墙体C50混凝土的收缩变形，将有助于防止开裂。

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