高温低湿环境下混凝土裂缝的控制措施!
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李晓红1，刘辉2，杨建宁3
摘要：混凝土施工是核电站土建施工技术的关键，必须对其可能产生的裂缝进行有效地控制。本文结合巴基斯坦恰希玛核电站二期工程阐述了在高温低湿的恶劣环境下采取的混凝土裂缝主要控制措施，为类似的核电站工程提供借鉴。
关键词：高温低湿；裂缝；控制措施
1 概述
恰希玛核电站地处巴基斯坦境内，属亚热带气候，空气干燥，每年12月和1月为其冬季，且早晚温差较大，可达15℃以上，最低气温出现在1月份达0℃，偶尔有霜冻。每年2月气温开始回升，4月至10月为其夏季，气候炎热，最高气温可达50℃以上，大都出现在5月底6月初。夏季一般温度在45℃左右，空气湿度在30%左右。恰希玛核电站二期工程（简称：C2工程）混凝土种类多，工程量大，现场夏季时间长，气温非常高、湿度非常小，对混凝土裂缝的控制非常不利，而且由于核电安全的特殊性，对混凝土裂缝的控制因此显得尤为重要。
2 高温低湿环境下混凝土裂缝产生的原因分析
混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料。由于混凝土施工和本身变形、约束等一系列问题，硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝，正是由于这些初始缺陷的存在才使混凝土呈现出一些非均质的特性。近代科学研究和大量的混凝土工程实践证明，在混凝土工程中裂缝问题是不可避免的，但在施工中应尽量采取有效措施控制裂缝产生，使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度，尤其要尽量避免有害裂缝的出现，从而确保工程质量。
C2工程由于特殊的高温低湿环境，混凝土容易出现如下类型裂缝：干缩裂缝、塑性收缩裂缝、温度裂缝等。
（1）干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇注完毕后的一周左右。水泥浆中水分的蒸发会产生干缩，且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果：混凝土受外部条件的影响，表面水分损失过快，变形较大，内部湿度变化较小变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，产生较大拉应力而产生裂缝。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生，在空气相对湿度低(30-50%)的干燥环境中最为显著。
（2）塑性收缩是指混凝土在凝结之前，表面因失水较快而产生的收缩。塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现，裂缝多呈中间宽、两端细且长短不一，互不连贯状态。较短的裂缝一般长20-30cm，较长的裂缝可达2-3m，宽1-5mm。其产生的主要原因为：混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小，或者混凝土刚刚终凝而强度很小时，受高温或较大风力的影响，混凝土表面失水过快，造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩，而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩，因此产生龟裂。
（3）温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。
3 混凝土基本抗裂措施
目前，在工程界各方专家对混凝土裂缝控制提出许多技术措施：在我国《钢筋混凝土裂缝控制指南》中提出：应采取防、放、抗的综合措施。结合现场高温低湿的特殊施工环境，针对容易出现裂缝类型，制定采取的基本抗裂措施主要是降低混凝土的温差收缩，辅以合理的构造配筋与施工段，加强混凝土的二次振捣和养护。C2工程为防止混凝土的裂缝，主要采取以下措施:
3.1温度控制
C2工程温度控制的措施如下：在搅拌站混凝土制作过程中，为满足现场恶劣的高温低湿的环境，现场为混凝土搅拌站配备一套生产能力为制5℃冷水11m3/h、1.5mm片冰1.87t/h、冰库容量75t的专业制冷设备，从而保证在最恶劣的条件下混凝土出机温度不超过25℃；同时通过提前采购水泥，延长水泥储存时间，降低水泥温度、并对运输车采取隔热和保温等措施，有效降低了混凝土的入模温度，降低了混凝土内部最大温升，缩小混凝土内外温差，控制了有害温度裂缝的产生。
3.2原材料及配合比的控制措施：
为了使大体积混凝土达到设计要求的强度，同时尽可能减少水泥用量，降低水化热，通过混凝土配合比试验选用优化的配合比，是混凝土施工链上一项非常关键的工作。现场按《核安全有关混凝土结构施工规定》、《C-2工程预应力混凝土安全壳施工规定》和《普通混凝土配合比设计技术规程JGJ55-2000》要求，编制了《C-2混凝土配合比试验方案》，并严格按方案进行试验。并对混凝土原材料进行了严格的筛选：①现场选用巴基斯坦P.042.5枫叶牌水泥，要求生产商在其性能上特别是水化热方面作了较大改善；②外加剂试验选用富斯乐SP420作为混凝土外加剂，该外加剂除了满足国标GB8076《混凝土外加剂》的技术要求外，结合现场高温低湿的气候特点，在下列技术指标方面有所改进：减水率提高到20%以上，减少了单方的水泥用量，有利于大体积混凝土水化热的控制；将混凝土凝固时间延后5～6小时，有利于延迟混凝土早期发热，减小温度应力；收缩率经权威机构检测，远低于限值，这也为防止裂缝的产生创造了条件。③石粉的使用。根据施工经验，在设计混凝土配合比时在水泥中掺入适量的石粉代替一部分水泥，以C35配合比为例，单方混凝土用石粉50Kg，从而达到降低水化热、抑制混凝土收缩的目的。④现场共进行配合比试验8组，通过对比分析，采用90d龄期强度，单方混凝土用水泥最大差值65Kg，，以降低水化热，避免混凝土内外温差过大产生温度裂缝。
3.3分缝分段施工
在大体积混凝土施工中，为改善约束条件，削减温度应力，采取分缝分段浇筑，合理设置水平或垂直施工缝，或在适当位置设置后浇缝，以放松约束程度，增加散热面，同时合理安排混凝土的浇筑顺序，采用薄层连续浇筑，以减少内外温差，防止水化热的过大积聚，减少温度应力。混凝土温度应力计算包括①混凝土绝热温升值；②混凝土各龄期的中心温度；③混凝土各龄期的表面温度；④混凝土各龄期的内外温差；⑤混凝土各龄期的弹性模量；⑥混凝土温度收缩应力；⑦混凝土平均整浇长度。
现场施工的大体积混凝土，还有贮水池等特殊要求混凝土，因其块体大、对裂缝要求高，必须分层分段施工。现场根据温度收缩应力的计算，用于确定分段的大小。理论上，在不超过收缩应力计算得出的最长边的限值的提前下，浇注块体越大越好，但同时必须考虑由混凝土搅拌站的生产能力、现场布料能力以及现场资源、工人的劳动强度等因素共同作用的混凝土浇注强度的大小，避免混凝土产生“冷缝”。
3.4合理的构造配筋
为控制裂缝的产生，C2工程将表面未配置受力钢筋的大体积混凝土表面设置抗裂构造钢筋，以通过混凝土握裹力使钢筋抵抗混凝土温度收缩应力，同时减小被约束体与约束体之间的相对温差，减少混凝土收缩，提高混凝土抗拉强度等，以抵抗温度收缩变形和约束应力，防止混凝土产生温度裂缝、干缩裂缝及塑性收缩裂缝。核岛底板混凝土设计强度等级为C30（采用90天混凝土强度），属于大体积混凝土施工。经专题研究，对部分区段增加抗裂钢筋，以底板为例，底板大体积混凝土厚度2300mm，根据分段施工方案，水平方向分A、B、C三段施工，其中B段是A段与C段之间的填充层，其表面没有受力钢筋，为控制裂缝的产生，经研究在B层表面设置了双向双层间距200mm直径为12mm的螺纹钢。通过浇筑完成后一定时期的观察，此法有效抑制了混凝土裂缝的产生，达到了预想的结果。
3.5加强二次振捣
对浇筑后的混凝土，在振动界限以前给予二次振捣，能排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋的握裹力，防止因混凝土沉落而出现的裂缝，减小内部微裂，增加混凝土密实度，使混凝土的抗压强度提高10～20％左右，从而提高抗裂性。
混凝土二次振捣的恰当时间是指混凝土经振捣后尚能恢复到塑性状态的时间，一般称为振动界限。掌握二次振捣恰当时间的方法—般有以下两种：
(1)将运转着的振动棒以其自身的重力逐渐插入混凝土中进行振捣，如果混凝土仍可恢复塑性的程度使振动棒小心拔出时混凝土仍能自行愈合，而不会在混凝土中留下孔穴，这样就认为该时所施加的二次振捣是适宜的。
（2）为了准确地判定二次振捣的适宜时间，国外一般采用测定贯入阻力值的方法进行判定。即当标准贯入阻力值达到350N/cm2以前进行二次振捣是有效的，不会损伤已成型的混凝土。根据有关试验结果，当标准贯入阻力值为350N/cm2时，对应的立方体试块强度约为25N/cm2，对应的压痕仪强度值为27N/cm2。
由于采用二次振捣的最佳时间与水泥品种、水灰比、塌落度、气温和振捣条件有关。为最后确定二次振捣时间，在C2工程混凝土施工前现场实验室依据第二种方法进行了充分的实验，确定了大体积混凝土的二次振捣时间。同时考虑技术上的合理，又要满足分层浇筑、循环周期的安排，在操作时间上做了相应的调整，确定初次振捣过后1.5～2.0小时开始进行二次振捣，最终结果达到了预想的要求。同时鉴于第一种方法为定性分析，对施工人员操作性要求较高，不容易进行控制，经过研究，决定以第一种方法作为现场监督混凝土二次振捣的辅助检查方法。
3.6加强混凝土的养护
工程实践证明，混凝土常见的裂缝，大多是不同深度的表面裂缝，其主要原因是混凝土表面温度梯度下降太快。而混凝土养护尤其是早期养护，主要的目的在于保持适宜的温度、湿度，以达到两方面的效果：一方面，使混凝土免受不利温度、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩；另一方面，使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿条件是相互关联的，混凝土的保温措施也常常有保湿的效果。根据巴基斯坦现场高温低湿的特点，混凝土浇筑后，表面水分蒸发过快，极易产生干缩裂缝，因此养护工作显得更为重要。在C2工程混凝土浇筑后，及时用湿润的草帘、麻袋片等覆盖，并不间断进行洒水养护，保证混凝土表面持续保持湿润状态，同时适当延长养护时间，使得保湿养护时间不得低于14天。为此C2工程专设保湿班30人两班倒，管理人员和质量监督人员不断进行巡回监督。
3.7控制混凝土裂缝的其它措施
（1）选用含泥量小，级配较好的砂子和石子
（2）混凝土终凝前，进行多次抹压，消除表面塑性裂缝
（3）控制模板的拆除时间
4 结语
C2工程在如此高温低湿的恶劣环境中，通过上述措施，保证了现场施工的混凝土质量。根据后期混凝土裂缝观测结果，大体积混凝土（共29000m3）共产生11条裂缝，裂缝宽度均在0.2mm以内、非贯穿；其它混凝土干缩、塑性收缩等表观裂缝也大大减少。依据相关规定、经验书籍，这些裂缝均为无害裂缝，而且定期观测数据表明这些裂缝呈自愈趋势，取得了良好的控制效果。
混凝土结构的耐久性与裂缝控制有密切关系，虽然混凝土裂缝控制是工程界的难题，但只要从实际工程分析裂缝的产生原因，并采取相应的针对性措施，裂缝的控制可以达到预期的效果。而且随着我们对混凝土耐久性研究的不断深入，材料科学的不断发展和建筑技术水平的不断提升，混凝土的裂缝问题在不久的将来应该可以得到圆满的解决。
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