大體積混凝土溫度裂縫的分析與控制

大體積混凝土溫度裂縫的分析與控制【摘要】大體積混凝土工程由于結(jié)構(gòu)截面大，混凝土澆注后，水泥放出大量水化熱，混凝土溫度升高，而且混凝土導(dǎo)熱不良，相對(duì)散熱較小。因此，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。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土施工；裂縫；溫度應(yīng)力；測(cè)溫

1.前言

近幾年來，全國各地工程規(guī)模日趨擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)形式日益復(fù)雜，工業(yè)與民用建筑中對(duì)大體積混凝土需求越來越多。由于其體積大，表面小，水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部溫升比較快，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差較大時(shí)，會(huì)使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用，所以必須從根本上分析它，來保證施工的質(zhì)量。

2.裂縫成因分析

大體積混凝土一般是指實(shí)體截面最小尺寸大于或等于1m的混凝土構(gòu)件。它的表面系數(shù)比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部溫升比較快。混凝土內(nèi)外溫差較大時(shí)，會(huì)使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用

混凝土裂縫分為以下幾種類型：彎距剪力等外力荷載引起的裂縫；干燥收縮引起的裂縫；混凝土自身收縮引起的裂縫；溫度裂縫。

大體積混凝土工程，水泥用量多，結(jié)構(gòu)截面大，因此，混凝土澆注后，水泥放出大量水化熱，混凝土溫度升高。由于混凝土導(dǎo)熱不良，體積過大，相對(duì)散熱較小。因此，混凝土內(nèi)部水化熱積聚不易散發(fā)，外部則散熱較快，依據(jù)熱脹冷縮的原理，結(jié)構(gòu)自身約束由伴隨溫度變化引起的建筑物體積變化產(chǎn)生應(yīng)力，一但拉伸應(yīng)力＞抗拉強(qiáng)度則混凝土產(chǎn)生裂縫。

故控制大體積混凝土開裂必須從兩方面入手。一方面，提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，使其足夠大，大到各種因素引起的開裂應(yīng)小于它，另一方面，控制溫度應(yīng)力，使其盡可能小，永遠(yuǎn)小于混凝土的抗拉強(qiáng)度。

3.裂縫控制手段

要避免混凝土裂縫的產(chǎn)生需從材料、設(shè)計(jì)、施工上來進(jìn)行控制。

3.1材料控制

(1)水泥：使用水化熱較低的水泥以及盡量降低單位水泥用量；水泥在水化過程中要釋放出一定的熱量，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚，表面系數(shù)相對(duì)較小，所以水泥發(fā)生的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失。這樣混凝土內(nèi)部的水化熱無法及時(shí)散發(fā)出去，以至于越積越高，使內(nèi)外溫差增大。單位時(shí)間混凝土釋放的水泥水化熱，與混凝土單位體積中水泥用量和水泥品種有關(guān)，并隨混凝土的齡期而增長(zhǎng)。由于混凝土結(jié)構(gòu)表面可以自然散熱，普通混凝土內(nèi)部的最高溫度，多數(shù)發(fā)生在澆筑后的最初3~7天。

(2)摻合料和外加劑：在混凝土中摻入水泥用量0.25%的減水劑，可同時(shí)減少10%的水泥用量，從而降低水化熱的產(chǎn)生；在混凝土中摻入粉煤灰，不僅可代替水泥用量，而且可大大改善混凝土的可泵性和工作性，從而降低水化熱的產(chǎn)生；在混凝土中摻入膨脹劑，混凝土在硬化過程中產(chǎn)生體積膨脹，可以部分或全部補(bǔ)償硬化過程中冷縮和干縮，減免混凝土的開裂。

(3)粗細(xì)骨料：在鋼筋間距和泵車輸送管的允許下，盡量選用粒徑大的骨料，一般中、粗砂比使用細(xì)砂每平方米混凝土減少用水量20~25Kg左右，水泥相應(yīng)也減少28~35Kg,從而降低混凝土的干縮，條件允許的情況下，可以采用設(shè)計(jì)毛石大體積混凝土基礎(chǔ)。

(4)石子級(jí)配：石子級(jí)配對(duì)節(jié)約水泥及保證具有良好的和易性關(guān)系很大,大體積混凝土宜采用連續(xù)級(jí)配。

(5)水：水源對(duì)大體積混凝土的影響主要是在攪拌溫度控制上，大體積混凝土攪拌時(shí)必要時(shí)采用冰水混合攪拌，以降低混凝土入模溫度。

3.2設(shè)計(jì)控制

(1)合理的平立面設(shè)計(jì)：采用合理的平面的立面的設(shè)計(jì)，避免截面突變，從而減小約束應(yīng)力；

(2)合理使用鋼筋：合理布置分布鋼筋，盡量采用小直徑，密間距。全截面配筋率不小于0.3%，應(yīng)在0.3%~0.5%之間。

(3)混凝土的選定：避免采用高強(qiáng)混凝土，盡可能選用中、低強(qiáng)度的混凝土。

(4)設(shè)置滑動(dòng)層：考慮到基礎(chǔ)同時(shí)受到地基和樁基的約束，在基礎(chǔ)的下底面設(shè)置滑動(dòng)層來減小其約束，降低混凝土內(nèi)部的約束應(yīng)力。

3.3施工控制

(1)混凝土的供料：為使混凝土澆筑工作順利進(jìn)行,必須根據(jù)混凝土方量計(jì)算確定泵車臺(tái)數(shù)及攪拌站生產(chǎn)能力,在澆筑前，攪拌站配備足夠的原料，特別是水泥的備料，確保同一廠家，同一批次，符合同一混凝土配比的水泥，必要時(shí)準(zhǔn)備2-3個(gè)攪拌站同時(shí)備料。

(2)混凝土的運(yùn)料：為使混凝土的運(yùn)輸不至于影響混凝土的澆筑，車行路線必須要要提前考察，特別是在大中城市，對(duì)于堵車、限行等必須提前預(yù)控。

(3)混凝土的澆筑：大體混凝土澆筑主要有三種方式：其一，分層平行推進(jìn)；其二，分層斜面推進(jìn)；其三，分層交錯(cuò)推進(jìn)方式。需要根據(jù)混凝土澆筑量、構(gòu)件形式、混凝土澆筑方式等進(jìn)行確認(rèn)。分層澆筑可以增大散熱面積，保證施工質(zhì)量。

(4)混凝土的振搗：實(shí)行快插慢拔、分層振搗的振搗方法。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力；

(5)混凝土的收壓：在混凝土初凝之前二次用力搓平并將表面拉毛，拉毛必須保證紋路均勻順直。條件允許時(shí)最好采用滾筒碾壓數(shù)遍,并用木蟹打磨壓實(shí),以閉合收縮裂縫。

(6)混凝土的養(yǎng)護(hù)：混凝土澆筑后，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以通過降低混凝土內(nèi)外溫度差和減慢降溫速度來達(dá)到降低塊體自約束應(yīng)力和提高混凝土抗拉強(qiáng)度，以承受外約束應(yīng)力時(shí)的抗裂能力。

(7)混凝土的監(jiān)測(cè)：混凝土澆筑前，在混凝土內(nèi)部布設(shè)傳感器或設(shè)置溫度測(cè)量孔，使內(nèi)外溫度直接顯示出來，方便將內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)。

(8)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。(9)混凝土的蓄熱養(yǎng)護(hù)：混凝土澆筑完成后，可以采用草簾被或水進(jìn)行蓄熱，以限制混凝土表面的溫度散發(fā)過快造成溫度裂縫，使內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)。(10)澆筑溫度：大體積混凝土澆筑宜避開炎熱的夏季，這樣可有利于減小溫差，進(jìn)而減小溫度應(yīng)力；

4.混凝土裂縫控制設(shè)計(jì)

4.1工程概況。

本工程為金融街F1大廈，總建筑面積122458m2，位于金融街F1地段，四周臨近城市道路?；A(chǔ)部分最大厚度為2400mm，獨(dú)立基礎(chǔ)部分最大厚度為1200mm，混凝土采用C40S8防水混凝土，底板劃分為六個(gè)施工段區(qū)域，混凝土量最大區(qū)域4162m3。

大體積混凝土工程全部采用商品混凝土，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及混凝土工程量分布，結(jié)合拖式泵的輸送能力，混凝土澆筑主要采用拖式泵和汽車泵配合完成，泵管用架子管頂牢并加固，并由塔吊配合找平。

因現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，混凝土罐車在現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)不能錯(cuò)車及停滯時(shí)間過長(zhǎng)，所以，在混凝土澆筑施工時(shí)，必須合理安排，派專人負(fù)責(zé)疏導(dǎo)車輛進(jìn)出場(chǎng)，保證混凝土連續(xù)澆筑。

施工中從商品混凝土的原材料、配合比、水灰比、和易性、坍落度、運(yùn)輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)到施工縫處理等各個(gè)程序入手，嚴(yán)格按照施工規(guī)范要求操作，以確?；炷潦┕べ|(zhì)量。

混凝土施工采取散熱、保溫、及溫度監(jiān)測(cè)等相應(yīng)措施以控制混凝土溫升和溫降速度，避免底板出現(xiàn)溫度裂縫和較強(qiáng)溫度應(yīng)力。

根據(jù)施工工序及工期安排，混凝土澆筑盡量不擾民，安排在方便施工及交通狀況較好條件下，各專業(yè)有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及施工人員跟班作業(yè)，同時(shí)做好各方協(xié)調(diào)工作。4.2控制手段

4.2.1混凝土原材料預(yù)控。

混凝土所使用的原材料水泥必須有產(chǎn)品合格證、出廠檢驗(yàn)報(bào)告和進(jìn)場(chǎng)復(fù)驗(yàn)報(bào)告，必須符合《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》GB50204-2002中的要求。底板混凝土使用的水泥強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于42.5MPa；同時(shí)由于設(shè)計(jì)對(duì)耐久性的要求：基礎(chǔ)部分的砼最小水泥用量為275Kg/m3，最大水灰比為0.55，最大氯離子含量為0.2%，最大堿含量為3.0Kg/m3。選用高標(biāo)號(hào)普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），質(zhì)量符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》（GB175）。

混凝土中摻用的粉煤灰的級(jí)別不應(yīng)低于二級(jí)，質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596-2005等的規(guī)定。摻合料的摻量應(yīng)通過試驗(yàn)確定，摻量不宜大于20％。

石子優(yōu)先選用抗壓強(qiáng)度高的粗骨料，粒徑5-40mm，泵送時(shí)其最大粒徑應(yīng)為輸送管徑的1／4，其它要求應(yīng)符合國家現(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）的規(guī)定，石子含泥量小于1%。

砂宜采用中粗砂，其它要求應(yīng)符合國家現(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）的規(guī)定。

宜使用飲用水拌制混凝土，并符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拌合用水》（JGJ63）的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。

加入緩凝型復(fù)合高效減水劑，延長(zhǎng)水化熱釋放時(shí)間，降低水泥用量，減低混凝土的峰值溫度及延緩峰值出現(xiàn)；

同時(shí)應(yīng)添加UEA建設(shè)部認(rèn)可的砼膨脹劑，并應(yīng)由生產(chǎn)廠家做技術(shù)質(zhì)量保證，添加劑量應(yīng)由設(shè)計(jì)單位和生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員共同商定，且須有該生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員指導(dǎo)施工。

4.2.2大體積混凝土裂縫預(yù)控計(jì)算。

為確保溫度在可控制的范圍內(nèi)，進(jìn)行大體積混凝土溫度計(jì)算，施工溫度計(jì)算如下：

混凝土配合比（由攪拌站提供28天混凝土強(qiáng)度等級(jí)符合圖紙要求C40S8）：水泥：293Kg/m3；砂：728Kg/m3；石：1027Kg/m3；水：175Kg/m3

外加劑高效膨脹減水劑：13.1Kg/m3；膨脹劑：26Kg/m3；

粉煤灰：50Kg/m3高爐礦渣粉：50Kg/m3

大氣溫度：18℃混凝土入模溫度：20℃

由于地下部分第二段澆注面積，混凝土量均為最大，故以第二部分進(jìn)行計(jì)算：初定養(yǎng)護(hù)方式：下面鋪一層塑料布，上面鋪兩層草袋進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。(1）最大絕熱溫升：Th=mc×Q/c×ρ（1-e-mt）=47.2℃

(2）混凝土中心計(jì)算溫度：T1(t)=Tj+Th×ξ（t）=50.7℃

(3）混凝土表面溫度:T2(t)=Tq+4?h’(H-h’)〔T1(t)-Tq〕/H2=42.4℃

(4）混凝土內(nèi)平均溫度：Tm(t)=（T1(t)+T2(t)）/2=46.5℃

經(jīng)計(jì)算混凝土表層溫度與中心溫度之差為：50.7-42.4=8.3℃符合規(guī)范所規(guī)定要求。

(5）應(yīng)力：σ=E(t))×α×ΔT×S(t)×R/1-ν=1.497N/mm2＜ft=1.80N/mm2

(6）安全系數(shù)：K=ft/σmax=1.80/1.497=1.20≥1.15安全儲(chǔ)備量滿足要求。

在混凝土施工過程中及時(shí)按照施工時(shí)大氣溫度及混凝土入模溫度進(jìn)行測(cè)控計(jì)算，使得整體施工過程在可控制的范圍內(nèi)。

4.2.3混凝土運(yùn)送計(jì)算。

澆灌混凝土?xí)r分層厚度為400mm～500mm，下層混凝土初凝之前必須澆筑完上一層混凝土，按一層計(jì)算，混凝土澆筑厚度0.5m。

以基礎(chǔ)底板Ⅰ區(qū)2段底板混凝土澆灌量最大，厚度以此部位混凝土最大厚度為2400mm以其計(jì)算；

分層澆注時(shí)，分層最大一次混凝土方量為：

37.2×5×2.4=446.4m3；

混凝土初凝時(shí)間考慮外加劑調(diào)整不小于8小時(shí)左右，考慮到公路運(yùn)送時(shí)間、人為因素影響等，要求按照5小時(shí)進(jìn)行計(jì)算。則要求最低運(yùn)送量為；446.4/5=89.28m3/h。

計(jì)算過的實(shí)際排量：

型號(hào)為HBT80的混凝土輸送泵理論最大輸出量為80m3，由于工程實(shí)際情況，如；混凝土的和易性、坍落度及天氣等對(duì)混凝土輸送泵的實(shí)際輸出量有很大影響，按下式計(jì)算：

Q1=Qmax×α1×η=80×0.85×0.7=47.6m3；

施工中采用兩臺(tái)型混凝土泵，此時(shí)泵送力為95.2m3>89.28m3；

故選擇兩臺(tái)HBT80型混凝土輸送泵能滿足施工要求。同時(shí)為防止意外事故的發(fā)生要求現(xiàn)場(chǎng)組織準(zhǔn)備一臺(tái)備用HBT80型混凝土輸送泵或一臺(tái)汽車泵。

需配備混凝土運(yùn)輸車輛數(shù)計(jì)算：

N1＝Q1/（60V1）×(60×L1/S0+T1)=15.8臺(tái)次；

故澆注此段混凝土至少需配備32臺(tái)運(yùn)輸車以保證混凝土供應(yīng)量。

4.2.4澆筑和振搗要求。

每一流水段內(nèi)混凝土連續(xù)澆筑，如必須間隔，間隔時(shí)間盡量縮短，并在下層混凝土初凝前將上層混凝土澆筑完畢。

澆筑混凝土?xí)r為防止混凝土分層離析，混凝土由料斗、泵管內(nèi)卸出時(shí)，其自由傾澆高度不得超過2m，超過時(shí)采用串筒或斜槽下落，出料管口至澆筑層的傾斜自由高度不應(yīng)大于1.5m，混凝土澆筑時(shí)不得直接沖擊模板。

澆筑混凝土?xí)r設(shè)專人看模，經(jīng)常觀察模板、支架、鋼筋、預(yù)埋件、預(yù)留孔洞、鋼筋保護(hù)層的情況，當(dāng)發(fā)生變形移位時(shí)立即停止?jié)仓⒃谝褲仓幕炷脸跄靶拚旰谩?/p>

使用30或50棒插入式振搗棒要快插慢拔，插點(diǎn)呈梅花形布置，按順序進(jìn)行，不得遺漏。移動(dòng)間距不大于振搗棒作用半徑的1.5倍，振搗時(shí)間以混凝土表面出現(xiàn)浮漿及不出現(xiàn)氣泡、下沉為宜，實(shí)行快插慢拔、分層振搗的振搗方法。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。

4.2.5混凝土澆筑。

混凝土澆筑采用分層分段滾漿澆注、推進(jìn)施工，底板振搗從一側(cè)開始，成階梯狀往前推進(jìn)，階梯設(shè)置長(zhǎng)度不得大于5000mm，分層推進(jìn)澆筑厚度400～500mm，分別同步加以振搗密實(shí)，先將集水坑底部澆筑到比集水坑模板下口高50～100mm，然后澆筑平板，斜面由泵送混凝土自然流淌而成，坡度控制在1：5左右。詳見下圖。在坑底混凝土初凝之前澆筑坑側(cè)，坑側(cè)澆筑時(shí)四周均勻布料，避免因混凝土從一側(cè)擠壓導(dǎo)致集水坑模板或鋼筋移位。

混凝土初凝時(shí)間不小于8h（在商品混凝土供應(yīng)合同中明確），在下層混凝土初凝前1h內(nèi)必須將上層混凝土澆筑完畢。

混凝土澆筑方向按照先施工深基礎(chǔ)底板，后施工淺基礎(chǔ)的原則

混凝土澆注產(chǎn)生的泌水容易使混凝土表面水泥砂漿層過厚，致使混凝土強(qiáng)度不均產(chǎn)生收縮裂縫；澆筑過程及時(shí)處理掉，施工時(shí)通過后澆帶處的鋼筋與模板之間的縫隙將泌水排至后澆帶，泌水沿后澆帶排至集水井內(nèi)，用水泵抽走。

基坑四周防水導(dǎo)墻混凝土用鐵鍬鏟入模板內(nèi)，不得直接用泵管放料。泵車送料速度須以施工操作面的需求速度隨時(shí)加以調(diào)整，另一面嚴(yán)格控制混凝土入模溫度，盡可能降低最高溫升值。

每臺(tái)輸送泵不少于2臺(tái)振搗器，及時(shí)將輸送到基坑的混凝土振搗密實(shí)，不得漏振、過振。

混凝土澆筑標(biāo)高拉線控制，用4m刮杠刮平大面，用木抹子搓抹平整，在混凝土初凝之前二次用力搓平并將表面拉毛，拉毛必須保證紋路均勻順直。

4.2.6溫度測(cè)試。

防止大體積混凝土裂縫的主要措施是減少溫度梯度和濕度梯度，加強(qiáng)測(cè)溫、養(yǎng)護(hù)工作，應(yīng)加強(qiáng)測(cè)溫和溫度監(jiān)測(cè)與管理，實(shí)行信息化控制，隨時(shí)控制混凝土內(nèi)的溫度變化，內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)，及時(shí)調(diào)整保溫和養(yǎng)護(hù)措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不致過大，以有效控制有害裂縫的出現(xiàn)。

根據(jù)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、表面，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，控制指標(biāo)如下：

基面溫差和混凝土中心溫差均控制在20℃以內(nèi)

混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃；

降溫速度不大于1.5～2℃／d；

控制混凝土出罐和入模溫度；

如若混凝土的內(nèi)外溫差不滿足要求，必須及時(shí)增加覆蓋層數(shù)，防止混凝土“感冒”并產(chǎn)生裂縫。

4.2.7混凝土養(yǎng)護(hù)。

混凝土澆筑后，及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以通過降低混凝土內(nèi)外溫度差和減慢降溫速度來達(dá)到降低塊體自約束應(yīng)力和提高混凝土抗拉強(qiáng)度，以承受外約束應(yīng)力時(shí)的抗裂能力。

混凝土養(yǎng)護(hù)采用一層塑料布上加兩層草簾子，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)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫結(jié)果，必要時(shí)采取蓄水方式進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。

底板大體積混凝土在澆筑完畢12h內(nèi)，開始進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，當(dāng)日平均大氣溫度超過+5℃時(shí)，采取澆水或保溫養(yǎng)護(hù)，低于+5℃時(shí)不得澆水。養(yǎng)護(hù)期限根據(jù)混凝土測(cè)溫記錄確定。

5.結(jié)束語

大體積混凝土施工質(zhì)量的好壞，最重要的準(zhǔn)備工作，從設(shè)計(jì)、原材料、攪拌