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?！按蟆敝钙鋷缀纬叽绱笥?00mm,“ 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)境溫度之差預計超過25℃”;“難”,指其裂縫解決是一道絞人腦汁的技術難題。因為“難”, 美國混凝土學會才既“硬性又橡皮”地規(guī)定: 其水化熱及隨之引起的體積變形問題“必須解決”而解決的程度則只要求“以最大限度地減少開裂影響”。
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。引起建筑物開裂的原因是極其復雜的。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, 因為國內(nèi)外大量調(diào)查結(jié)論說明: 由于“ 變形荷載”引起的裂縫占到兩大類作用裂縫總計的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)生的拉應力當超過混凝土抗壓強度時, 就會導致混凝土裂縫。另一種是在拆模前后, 表面溫度降低很快, 造成了陡降, 也會導致裂縫產(chǎn)生。第三種是: 當混凝土內(nèi)部溫度高達峰值后, 熱量逐漸散發(fā)而達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。這三種溫差都會產(chǎn)生裂縫, 但最最嚴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,塑性收縮會加劇進行。因為這時混凝土的泌水明顯減少, 表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充, 尚處于塑性狀態(tài)的混凝土, 稍微受到一點拉力, 其表面就會出現(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)進一步加大, 于是裂縫進一步擴展。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, 越容易開裂,裂縫越寬、越密; ②基底對結(jié)構(gòu)的約束作用越大, 越容易開裂; ③溫度梯度越大, 承受均勻溫差收縮的厚度越小, 越容易開裂; ④在一般情況下, 結(jié)構(gòu)的幾何尺寸越大, 越容易開裂。
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意見:
1. 走出采用高早強水泥的誤區(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見表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: ①水化熱: 一年內(nèi)五個齡期都是: C3A > C3S + C2S +C4AF; C3S 在28 天內(nèi)的三個齡期也是C2S的數(shù)倍; ②收縮率也是C3A> C3S+ C2S+C4AF。據(jù)此可以斷定: 采用高早強水泥對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)與能源技術中心( CANMET) 自1985 年以來, 進行了深入而廣泛的研究. 它以水泥150kg/m3、粉煤灰200/m3, 通過高效減水劑將水膠比降0.3 左右, 所配的混凝土抗壓強度: 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成功,使得在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達實驗室利用CANMET 了一個重達360 噸的混凝土平臺。為了降低水化熱, 以Ⅱ型( 低熱) 水泥、粉煤灰、粗細骨料、高效減水劑混合配制。平臺的尺寸是7 ×8m , 平均厚度2.25m, 在多個充氣圓柱體上, 因此其震動與地面分離。由于粉煤灰混凝土高性能品質(zhì), 發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會引起平臺共振。隨著齡期增大, 平臺混凝土的共振頻率以每年0.5Hz 的速度增大, 質(zhì)量越來越好。在該平臺上成功的發(fā)射了愛那克依火箭的事實雄辯地證明: 粉煤灰混凝土可以看作真正的太空時代的建筑材料。
