胡章貴 畢節(jié)學(xué)院

大體積混凝土溫度裂縫的成因與控制

胡章貴 畢節(jié)學(xué)院

眾所周知，大體積混凝土內(nèi)部水化熱積聚不易散發(fā)，外部則散熱較快，很容易由于溫度的不均衡分布產(chǎn)生應(yīng)力，故而產(chǎn)生溫度裂縫。本文詳細(xì)地介紹了大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的機(jī)理，并從材料、設(shè)計(jì)、施工方面提出控制手段，引用具體實(shí)例進(jìn)行論證。

大體積混凝土；溫度裂縫；溫度應(yīng)力；控制

一、前言

混凝土的裂縫是個(gè)非常復(fù)雜的問題。特別是大體積混凝土，由于其強(qiáng)度高、體積大，表面小，水泥水化熱釋放比較集中（主要集中在澆筑后的7天左右），內(nèi)部溫度升高比較快，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差較大時(shí)，會(huì)使混凝土產(chǎn)生溫度拉伸應(yīng)力，當(dāng)拉伸應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用。所以必須對(duì)其原因進(jìn)行分析，并制定相應(yīng)控制措施，以確保大體積混凝土的施工質(zhì)量。

二、溫度裂縫產(chǎn)生的原因

通常情況下混凝土裂縫分為以下幾種類型：彎矩等外力因素引起的裂縫；溫度裂縫；干燥收縮及塑性收縮引起的裂縫。

大體積混凝土澆筑后，水泥會(huì)釋放出大量水化熱，混凝土溫度升高。由于混凝土本身為不良導(dǎo)體，混凝土內(nèi)部水化熱積聚不易散發(fā)，外部則散熱較快。根據(jù)熱脹冷縮原理，在受到基礎(chǔ)或表面已經(jīng)凝固的混凝土的約束情況下，溫度變化引起的建筑物體積變化將產(chǎn)生拉應(yīng)力，如果該拉伸應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，則混凝土將產(chǎn)生裂縫。

三、溫度裂縫控制手段

1、從設(shè)計(jì)方面，對(duì)高強(qiáng)度大體積混凝土進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化

(1)盡可能選用中、低強(qiáng)度的混凝土；

(2)合理分縫分塊，避免基礎(chǔ)過大起伏，在基礎(chǔ)下底面設(shè)置滑動(dòng)層降低結(jié)構(gòu)的約束度；

(3)合理布置分布鋼筋，盡量采用小直徑，密間距。裂縫易發(fā)生部位加強(qiáng)構(gòu)造措施：如孔洞周圍以及轉(zhuǎn)角處布置一些斜筋；

(4)鋼筋保護(hù)層應(yīng)盡量取較小值。

2、從材料方面，合理的選用熱量低、放熱慢的材料，并結(jié)合外加劑的使用，是控制裂縫的重要措施

(1)骨料控制：科學(xué)設(shè)計(jì)配合比，在保證強(qiáng)度的前提下，選取粒徑大強(qiáng)度高級(jí)配好的骨料，確定適當(dāng)?shù)乃冶取⑺嘤昧?、砂率，坍落度不宜過大，這樣可以獲得較小的空隙率及表面積，從而減少水泥的用量，降低水化熱，減少干縮，減小混凝土裂縫的開展；

(2) 合理的選用水泥，減少用量：使用水化熱較低的水泥以及盡量降低單位水泥用量，降低混凝土內(nèi)溫度梯度。大體積混凝土因結(jié)構(gòu)斷面較厚，表面系數(shù)相對(duì)較小，所以水泥發(fā)生的熱量聚集在混凝土內(nèi)部不易散失。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣（C3A），其他是硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）和鐵鋁酸四鈣（C4AF）。因此我們?cè)诖篌w積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥等低熱水泥；

(3)摻和料和外加劑：在混凝土中摻入粉煤灰，不但可以減少水泥用量，而且可有效降低水化熱的產(chǎn)生，并改善混凝土的可泵性和工作性；在混凝土中摻入適當(dāng)用量的減水劑，可有效減少水泥用量，從而降低水化熱的產(chǎn)生；在混凝土中摻入U(xiǎn)EA，混凝土在硬化過程中產(chǎn)生體積膨脹，可以部分補(bǔ)償硬化過程中冷縮和干縮，減免混凝土的開裂；

(4)水溫控制：如有需要可采用冰水混合攪拌，以降低混凝土入模溫度。

3、從施工角度控制，制定合理的施工方案，加強(qiáng)施工管理

(1)混凝土的配料：嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)室簽發(fā)的配料單進(jìn)行配料，水、水泥、砂、石子均應(yīng)以重量計(jì)，不得以車、锨數(shù)計(jì)量。稱量偏差控制在允許偏差范圍內(nèi)。拌和程序和拌和時(shí)間應(yīng)通過試驗(yàn)決定，并嚴(yán)格控制。

(2)混凝土的澆筑：大體混凝土澆筑方式主要有三種：分層平行推進(jìn)、分層斜面推進(jìn)、分層交錯(cuò)推進(jìn)方式。應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、澆筑量確定相應(yīng)的分層澆筑方式，以盡可能增大散熱面積，減少溫度應(yīng)力。宜合理安排施工工序，避免過大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露，調(diào)整施工進(jìn)度，避免在夏季或冬季的極端氣候時(shí)進(jìn)行澆筑。

（3)混凝土的振搗：實(shí)行分層振搗、快插慢拔的振搗方法。振搗上一層時(shí)插入下一層混凝土5cm以消除兩層間的接縫。通過二次振搗可以使混凝土更加密實(shí)，對(duì)提高混凝土的抗拉能力很有幫助。

(4)混凝土的二次抹壓：大體積混凝土壓面要兩遍木抹子搓平，還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，壓面至壓不動(dòng)時(shí)為止。此工作對(duì)混凝土表層裂縫控制起到關(guān)鍵作用，必須設(shè)專人反復(fù)碾壓。

(5)混凝土的養(yǎng)護(hù)：混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。當(dāng)混凝土溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮推遲拆模時(shí)間，以免引起混凝土表面的早期裂縫。由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，此時(shí)表面溫度亦較氣溫高，此時(shí)拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力疊加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋一輕型保溫材料，對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。冬季澆筑混凝土拆模時(shí)間不宜過短，一般在5d左右，拆模后應(yīng)立即對(duì)混凝土面進(jìn)行保溫，防止混凝土突然暴露在寒冷的空氣中產(chǎn)生溫度裂縫。

(6)混凝土的監(jiān)測(cè)：混凝土澆筑前，在各控制點(diǎn)布設(shè)傳感器或設(shè)置溫度測(cè)量孔，以便將內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)。

(7)混凝土的內(nèi)部降溫：在混凝土內(nèi)部敷設(shè)循環(huán)冷卻水管以降低混凝土內(nèi)部溫度。

四、大體積混凝土裂縫控制設(shè)計(jì)案例

1、工程概況

本工程為貴陽(yáng)市帝璟佳苑1#、2#、3#高層住宅，層數(shù)28層，總建筑面積78170m2，基礎(chǔ)形式為筏板、孔樁、獨(dú)立柱基復(fù)合基礎(chǔ)，持力層為中風(fēng)化白云巖。其塔樓核心筒基礎(chǔ)為大體積混凝土筏板基礎(chǔ)，尺寸為10m×10m×1.5m 。工程全部采用商品混凝土，混凝土等級(jí)C40，由拖式泵輸送澆筑。

2、控制手段

（1）原材料控制

a、 粗骨料選用抗壓強(qiáng)度高的碎石，粒徑15～40mm，質(zhì)量符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》（JGJ53-92）的規(guī)定。

b、砂采用中粗砂，其質(zhì)量符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》（JGJ52-92）的規(guī)定。

c、水泥為高標(biāo)號(hào)普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），其出廠檢驗(yàn)報(bào)告、產(chǎn)品合格證及進(jìn)場(chǎng)復(fù)驗(yàn)報(bào)告齊全，質(zhì)量符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204-2002）及《通用硅酸鹽水泥》（GB175-2007）的規(guī)定。

d、混凝土拌制水為飲用水，符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拌合用水》（JGJ63-2006）的規(guī)定。

e、摻用的粉煤灰質(zhì)量符合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）的規(guī)定，摻和量不大于20%。

f、添加緩凝型復(fù)合高效減水劑，減少水泥用量，延長(zhǎng)水化熱釋放時(shí)間，降低水化熱的峰值溫度。

g、添加混凝土膨脹劑UEA，具體添加劑量由生產(chǎn)廠家和設(shè)計(jì)單位現(xiàn)場(chǎng)共同確定。

3、以第1# 樓核心筒筏板基礎(chǔ)為對(duì)象進(jìn)行大體積混凝土裂縫控制計(jì)算；

1混凝土配合比如表1。

(1）最大絕熱溫升（7天）：Th=mc·Q/c·ρ（1-e-mt）

=（295+25）×375/（0.97×2400）×0.921=47.5℃

(2）混凝土中心計(jì)算溫度：T1(t)=Tj+Th·ξ（t）=20+47.5×0.46=41.9℃

(3）混凝土表面溫度:T2(t)=Tq+4·h’( H- h’) ·〔T1(t)-Tq〕/ H2

=20 +4×0.56×（2.62-0.56）×(41.9-20)/2.622=34.7℃

(4）混凝土內(nèi)平均溫度：Tm(t)=（T1(t)+ T2(t)）/2=38.3℃

經(jīng)計(jì)算混凝土表層溫度與中心溫度之差為：41.9-34.7=7.2℃＜25℃，符合規(guī)范所規(guī)定要求。

(5）混凝土由于溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力：

σ= E(t)×α×ΔT×S(t)×R/（1-μ）

=1.52×104×1.0×10-5×16.26×0.52×1.0/（1-0.15）=1.51 MP <1.8MP

(6）安全系數(shù)：K= 1.80/1.517 =1.19≥1.15，故安全儲(chǔ)備滿足要求。

4、混凝土澆筑后養(yǎng)護(hù)和溫度測(cè)試

混凝土養(yǎng)護(hù)采用一層草簾并在其上下各鋪一層塑料薄膜，防止混凝土脫水龜裂，同時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)另準(zhǔn)備一層塑料布和一層草簾子，據(jù)測(cè)溫記錄確定是否需蓋草簾子，當(dāng)發(fā)現(xiàn)溫差超出規(guī)定值時(shí)，及時(shí)加蓋養(yǎng)護(hù)。

根據(jù)大體積混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的分析，采用電子測(cè)溫儀測(cè)控溫度，具體做法是預(yù)埋測(cè)溫探頭進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫探頭的位置具有代表性，同時(shí)根據(jù)溫度對(duì)稱分布的特點(diǎn)，按澆筑高度，分布在底、中、表三個(gè)面，同時(shí)按平面尺寸分邊緣和中間兩種，對(duì)基礎(chǔ)底板布點(diǎn)測(cè)溫，每段基礎(chǔ)底板設(shè)置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，測(cè)溫點(diǎn)距邊角和表面150mm。

經(jīng)連續(xù)觀測(cè)，混凝土中心與表面溫差始終滿足規(guī)范控制要求，同時(shí)也無(wú)明顯溫度裂縫。

表 1 單位 Kg/ m3

五、結(jié)論

1、高強(qiáng)度大體積混凝土裂縫控制，應(yīng)從控制溫度差的角度出發(fā)，防止產(chǎn)生溫度裂縫

2、嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量是避免大體積混凝土裂縫的關(guān)鍵；

3、控制水泥用量，合理?yè)接梅勖夯液偷V粉，選用合理外加劑等方法是降低水化熱的有效途徑；

4、混凝土澆筑完畢后，應(yīng)及時(shí)用保溫材料覆蓋以控制溫差；

5、混凝土配合比及溫差計(jì)算方法在控制高強(qiáng)度大體積混凝土裂縫中起著較好的指導(dǎo)作用。

[1]朱伯芳.大體積混凝土的溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國(guó)電力出版社

[2]建筑施工手冊(cè)(第四版)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2003

[3]劉秉京.混凝土技術(shù)[M].北京：人民交通出版社.2004

[4]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社.1997

It is well known that the Mass concrete hydration heat build-up is not easy dissemination of internal and external is cooling rapidly, it is easy because of the uneven distribution of temperature cause stress and therefore produce temperature cracks.This article describes in detail cracks in mass concrete mechanism, and from materials, design,construction and put forward controls, citing specific examples to demonstrate.

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.040