超长结构高性能混凝土早期裂缝控制实践4.14

超长结构高性能混凝土早期裂缝控制实践早期开裂是混凝土工程施工中必须解决的问题。

所谓早期裂缝，是指混凝土和钢筋混凝土结构在使用荷载作用前，甚至在拆模后就出现的裂缝【1】。

在工程中要完全避免裂纹几乎是不可能的。

混凝土结构的裂缝按裂缝宽度可分为微观裂缝和宏观裂缝。

微观裂缝是指那些肉眼看不见的裂缝，主要有骨料与水泥石结合界面上的裂缝、水泥石自身的裂缝和骨料本身的裂缝。

微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则的、不贯通的。

反之，肉眼看得见的裂缝称之为宏观裂缝，裂缝宽度一般不小于0.05mm。

宏观裂缝是微观裂缝扩展而来的。

混凝土结构裂缝按裂缝的深度可分为表面裂缝、浅裂缝、深裂缝和贯穿裂缝四个等级。

用h代表裂缝的深度，H代表结构的厚度，表面裂缝，h≤0.1H；浅裂缝h＜0.5H；深裂缝h≥0.5H；贯穿裂缝h=H不同类型的裂缝对结构影响不同。

受拉区的粗裂纹、深裂缝和贯穿裂缝会显著降低承载力。

对承载能力影响不大，微细（宽度＜0.2mm）的表面裂缝虽然对承载力影响不大，但却是影响结构使用功能、外观质量和耐久性的重要因素。

高性能混凝土已广泛用于工程实践中。

理论上，高性能混凝土具有高强度、高工作性和高耐久性，但在工程实际中，由于高性能混凝土中水泥用量大，工期限制要求的高早强，混凝土的早期裂缝问题越发严重。

裂纹不仅影响混凝土的外观质量，而且成为水进入混凝土的最便捷的通道，降低混凝土的耐久性【2】。

一些超长结构，虽然其最小尺寸不足1m，但也具有大体积混凝土结构性能，若控制不当极易发生早期开裂，对工程结构使用寿命的影响。

以下结合某工程实例，探讨超长结构高性能混凝土早期裂缝成因及控制措施。

1工程概况某工程为框架混凝土结构，基础采用承台+筏板+抗拔桩形式。

承台深度从2m到5.5m不等。

混凝土底板厚800mm；φ800抗拔桩在底板下，承台下无桩。

整个底板面积为27552.294㎡，属超长混凝土结构；底板设计采用底层钢筋为HRB400φ25@200，保护层厚度100mm，面层钢筋HRB400φ20@200，保护层厚度40mm；底板所处环境为Ⅱ-a，混凝土强度等级C40，抗渗等级P8。

2施工过程2.1工程采用的原材料本工程选用42.5普通水泥，并进行了水泥性能复试。

复试项目包括密度、比表面积、标准稠度用水量、凝结时间、安定性和胶砂强度。

复试报告结果满足GB175《硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥》要求，合格；细骨料为中砂，细度模数2.9，级配区为Ⅱ区；粗骨料为二级配碎石，粒径范围5~16、16~25，满足JGJ52《普通混凝土用砂、石质量的检验方法标准》；粉煤灰为F类Ⅰ级，各项检测结果满足GB1596，合格；矿粉S-95级，各项检测结果满足GB/T18046，合格；减水剂为PC缓凝型，减水率、含气量、常压泌水率比、压力泌水率比和抗压强度比等指标满足GB8076《混凝土外加剂》、GB50119《混凝土外加剂应用技术规范》要求，合格。

2.2本工程的配合比根据混凝土结构设计规范中有关耐久性设计要求，本工程配合比设计应满足表1：配合比设计要求表1强度等级环境类别等级抗渗等级电通量要求拌合及捣实方法C40 1-C P8 ≤1000 C 机械振捣塌落度mm 胶结材料用量限值最大水胶比限值标准差MPa最大用量最小用量180±20 450（Kg/m3）320（Kg/m3）0.45 5.0按《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55-2000确定的配合比见表2。

每立方米混凝土用料量（kg/m3）表2水泥粉煤灰矿粉砂碎石外加剂拌合水胶材总量293 90 67 714 1079 4.5 162 450按《普通混凝土拌合物性能试验方法》GB/T50080、《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T5081-2002对混凝土性能测试，其拌合物性能、硬化后性能见表3和表4，满足设计要求。

混凝土拌合物性能测试结果表3表观密度初始塌落度初始扩展度初始含气量停放30min塌落度2420 200 525 3.0 /停放30min扩展度停放30min含气量停放60min塌落度停放60min扩展度停放60min含气量/ / 180 500 3.0泌水率压力泌水率初凝时间终凝时间/ 28 10h30min 14h30min硬化混凝土性能测试结果表4电通量(C) 抗压强度(MPa) 抗裂性抗渗等级总碱含量Kg/m3 氯离子含量%28d 56d 3d 7d 28d 56d/ 353 26.6 39.5 51.3 63.8 无裂纹P8 2.456 0.036122.3浇筑过程①保护层为控制保护层厚度，施工中底板上部钢筋支架采用HRB400φ25钢筋竖杆，水平焊接HRB400φ25钢筋，竖杆间距2m，混凝土浇筑前检查保护层厚度40~60mm；②混凝土浇筑混凝土采用泵送施工，3台泵同时开始浇筑，由一侧向另一侧平行推进，斜面分层浇筑。

③养护混凝土浇筑完成，表面收面后即铺设一层塑料薄膜、一层土工布，浇水养护时间为14d。

④后浇带设置用800mm宽后浇带将整个底板划分为24个区，最大区块为60.62m×65.2m，最小区块为29.98m×65.186m⑤施工期间环境混凝土浇筑期间，气温在20℃—27℃，风力3级。

⑥浇筑强度50m3/h2.4浇筑过程中发现的问题①商品混凝土塌落度不稳定，部分混凝土塌落度偏大，达到230mm，部分偏小，仅140mm；②浇筑过程中布料机和地泵管放置部位有部分钢筋被压低，造成混凝土保护层偏大；③施工过程中有堵管现象，中断浇筑时间1~2h。

④二次收面的时间掌握不到位；混凝土浇筑完成后收面不及时，收面较晚；⑤在养护过程中塑料薄膜覆盖不严，浇水不及时；3裂缝分析3.1裂缝分布及类型底板混凝土在浇筑后即发现微细裂缝，可判定属于非荷载作用下的早期裂缝。

3~5天后发生扩展，经过一个多月的观察，裂缝未进一步发展和扩散，也未产生新的裂缝，裂缝趋于稳定。

监理组织施工单位相关人员对底板裂缝情况进行了统一检查，按缝宽、缝深、缝长、混凝土保护层厚度等做了统计分析。

统计结果表明：混凝土裂缝达18处，在各个分区内均有裂缝分布，开裂情况较严重。

普遍呈现东西走向，垂直于结构底板长度方向，即底板温度收缩主拉应力方向。

裂缝长度在1.6~5.6m之间；宽度普遍在0.1~0.4mm之间，少部分达0.7mm，超过设计限制的最大裂缝宽度0.2mm；深度普遍在40~80mm之间，属于表面裂缝；个别裂缝深度达到140mm，属于浅裂缝；混凝土保护层厚度实测值在50~80mm 之间，超过设计值10~40mm不等。

3.2 混凝土收缩变形机理【4】混凝土的收缩变形包括干缩、塑性收缩、化学收缩、自收缩以及温度变形。

其收缩机理及影响因素如下：3.2.1塑性收缩塑性收缩是指混凝土硬化前由于表面的水分蒸发速度大于混凝土内部向外的泌水速度而发生的收缩。

塑性收缩发生在硬化前，在终凝前比较明显。

3.2.2化学收缩又称水化收缩。

指的是水泥水化过程中，水化产物的体积小于反应前水泥与水的体积之和而引起的收缩，即固相体积增加，但水泥-水体系的绝对体积减小。

影响化学收缩的因素主要有水泥的组成成分、水泥分解与水化的时间、矿物掺合料以及骨料的含量等。

3.2.3温度收缩又称冷缩。

主要是指混凝土内部温度由于水泥水化反应而升高，最后又冷却到环境温度时产生的收缩。

其大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高的温度和降温速率等因素有关。

混凝土硬化初期，水泥水化释放出热量，致使混凝土中心温度高，表面温度低，内外形成温度梯度，造成温度变形和温度应力，内部膨胀和外部收缩相互制约，在外表混凝土中将产生很大拉应力导致混凝土出现裂缝。

3.2.4干燥收缩干燥收缩指的是混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔水、凝胶孔水及吸附水而发生的长度或体积的减少，是一种不可逆收缩，它不同于干湿交替引起的可逆收缩。

干燥收缩主要是由于半径小于100 nm 的毛细孔失去水分而产生毛细孔压力产生的收缩。

影响干燥收缩的主要因素有：水灰比、骨料、构件的尺寸以及外部的温湿度环境等。

3.2.5自收缩自收缩是指混凝土在不与外界发生水分交换条件下，因水泥水化消耗浆体内部的水分，使自身相对湿度减少而引起的收缩。

自收缩存在于任何混凝土中，水灰比较高时，自收缩不是混凝土收缩的主要方面，然而随着混凝土水灰比的不断降低，自收缩在混凝土收缩中的权重越来越大。

自收缩的根源在于水泥硬化后未水化水泥继续水化引起绝对体积的减缩，其形成的直接原因在于无外界水源或水泥水化引起的耗水速率大于外界水的迁移速率。

高性能混凝土的水胶比低，混凝土自收缩大。

在上述各种变形中，所有的胶凝材料水化以后都存在化学减缩作用。

导致混凝土早期开裂的主要是温度变形，其次是自收缩，干缩较小【2】。

3.3 混凝土裂缝成因一般认为，当拉应力（p σ）大于抗拉强度（p f ）时，混凝土开裂。

p f E εσ=p （1）或者说，当混凝土抗拉强度高到足以承受收缩应力时，混凝土就不易开裂；（1）式的另外一种变形：E f pε （2）在混凝土水化和硬化过程中，p f 和E （混凝土弹性模量）各以自己的速率增长，各种混凝土在硬化期的抗裂性不仅取决于p f ，而是取决于E f p。

当然，还取决于收缩变形（ ）的大小。

因此，引起混凝土早期开裂的原因不仅是收缩值大小和由混凝土水化引起的温度增高值，更确切地说，混凝土开裂是混凝土内部的湿度梯度和温度梯度【1】。

高性能混凝土选用的水泥性能上表现为早期水化快，水化热发展快；同时，施工单位和建设单位为加快工程进度，要求较高的早期强度，为了满足早期强度的需要，配合比设计中28天强度超标相当普遍；泵送混凝土施工需要较高的流动性。

因此，泵送施工的高性能混凝土的单方混凝土的水泥用量大、水灰比小，在早期不仅收缩较大，且内部结构形成的速率大于抗拉强度的增长率，E的增长比f增长快，所以高性能混凝土的早期抗裂性差。

p表面系数大的超长结构构件，虽然其中心温度不是很高，但混凝土表面水的蒸发速率大于泌水的速率，水分得不到及时补充，表面产生很大的湿度梯度和温度梯度，更加速了混凝土的早期开裂。

4早期裂缝的控制措施本工程所处环境为Ⅱ-a，设计限定的最大裂缝宽度为0.2mm。

根据专家论证意见，确定了裂缝处理措施。

对于不超过0.2mm裂缝，采用环氧树脂封闭，对于大于0.2mm的表面裂缝及浅层裂缝，采取化学压力灌浆处理。

后续混凝土板施工中采取如下措施来控制早期裂缝。

4.1按大体积混凝土组织混凝土施工大体积混凝土指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土【3】。

本工程属于超长混凝土结构，厚度800mm，虽未达到1m，但其体量足够大，必须采用相应的技术措施妥善处理混凝土表面与中心的温度差值，是大体积性的混凝土。