浅谈大体积混凝土温度裂缝及控制措施-建筑设计论文

浅谈大体积混凝土温度裂缝及控制措施
陈志明
摘要：本文通过对大体积混凝土的概念及温度裂缝控制的重要性进行了分析,总结出大体积混凝土温度裂缝防治和控制的措施。并提出了大体积混凝土施工过程中温度控制的措施，给相关工程技术人员提供了有价值的参考。
关键词：大体积混凝土；温度裂缝；控制措施
前言：
我国国民经济的高速增长,带动了建筑业的快速、持续的发展。由于高层建筑、高耸结构物和大型设备基础大量的出现,大体积混凝土也被广泛采用,大体积混凝土结构的温度裂缝日益成为建筑工程技术人员面临的技术难题。本文从分析大体积混凝土温度裂缝产生的原因入手,试图找出影响裂缝大小的因素,总结出有价值的控制措施,给工程技术人员提供了有益的参考。
1、大体积混凝土的概念及温度裂缝控制的重要性
什么是大体积混凝土？目前尚无统一定义。美国混凝土学会有过规定:“任何就地浇筑的大体积混凝土,其尺寸之大,必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题, 以最大的限度减少开裂”。日本建筑学会(JASSS)标准的定义是: “ 结构断面最小尺寸在80cm 以上, 同时水化热引起的混凝土内最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土称之为大体积混凝土”。这些定义比较具体,也便于应用,但作为定义是不够严谨的。
大体积混凝土尺寸厚大，水泥水化热散发困难，使得混凝土浇筑后温度升高幅度大，出现比较大的膨胀量，到了后期降温阶段，又会出现相应的比较大的温度收缩。若温度收缩过大过快、使混凝土中出现严重的贯穿性裂缝，就会大大降低大体积混凝土的强度、整体性、抗渗能力等。
2、大体积混凝土温度裂缝产生的影响因素
（1）大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝, 是其内部矛盾发展的结果。一方面是温度变化引起的应力和应变，另一方面是混凝土自身的强度和抵抗变形的能力,混凝土温度变化产生的变形受到混凝土内部或外部的约束后, 将产生很大的应力。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时,即会出现裂缝。
（2）温度裂缝产生的主要原因：一是由于温差较大引起的，砼结构在硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，使砼表面和内部温差较大，砼内部膨胀高于外部，此时砼表面将受到很大的拉应力，而砼的早期抗拉强度很低，因而出现裂缝。这种温差一般仅在表面处较大，离开表面就很快减弱，因此裂缝只在接近表面的范围内发生，表面层以下结构仍保持完整。二是由结构温差较大，受到外界的约束引起的，当大体积砼浇筑在约束地基（例如桩基）上时，又没有采取特殊措施降低，放松或取消约束，或根本无法消除约束，易发生深进，直至贯穿的温度裂缝。
2.1 水泥水化热是大体积混凝土产生温度裂缝的主要因素
水泥水化过程是大体积混凝土中的主要温度因素。水泥在水化过程中要发出一定的热量,而大体积混凝土结构物一般断面较厚,水泥发出的热量聚集在结构物内部不易散失。通过实测,水泥水化热引起的温升,而在建筑工程中一般为20℃～30℃,甚至更高。由于混凝土的导热性能较差,浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低,对水化热引起的急剧温升约束不大,相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长,弹性模量的增高,对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大,以致产生很大的拉应力。
2.2 外界气温变化的影响
大体积混凝土在施工期间，外界气温变化的影响很大。混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的解热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和，外界气温愈高，混凝土的结构温度也愈高，如外界温度下降，会增加混凝土的降温幅度，特别是在外界气温骤降时，会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度。温度应力是由温差引起的变形造成的，温差愈大，温度应力也愈大。在高温条件下，大体积混凝土不宜散热，混凝土内部的最高温度可达60～65℃，并且有较大的延续时间。在这种情况下研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力显得更为重要。
2.3 混凝土的收缩变形
由于泵送混凝土的流动性与抗裂的要求相互矛盾，故应选取在满足泵送的塌落度下限条件下尽可能降低水灰比。因为水越多，开裂可能越大，随着混凝土施工厚度增高，混凝土浮浆增多，因此严格控制砂、石骨料和含水率，并进行计算机处理，自动调整配料的水灰比，必要时调整水泥水灰比，进一步减少用水量。对于控制混凝土的收缩和提高抗裂性是必要的。混凝土在水泥水化过程中产生的体积变形，多数是收缩变形，少数为膨胀变形。由于混凝土收缩变形引起的温度应力是不可忽视的。
3、大体积混凝土温度裂缝的控制
大量的研究表明,大体积混凝土结构物中的温度裂缝是不可避免的,重要的是采用合理的措施来防治和控制裂缝的发展。防止大体积混凝土出现温度裂缝应从两方面出发, 一方面应从控制温度、改善约束, 即从减小温度应力着手，另一方面应尽可能设法提高混凝土抗裂能力,改善混凝土自身性能,但这些措施不是孤立的,而是相互联系、相互制约的,必须结合实际,全面考虑, 合理采用。
3.1 合理选择原材料, 优化混凝土配合比
选择混凝土原材料,优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较强的抗裂能力,具体来说,就是要求混凝土的绝热温升较小,抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小,自生体积变形最好是微膨胀,至少是低收缩。
3.2 合理进行温度控制
对于大体积混凝土的温度控制, 主要考虑三个特征值: 入模温度、最高温度及养护温度。入模温度控制：混凝土的入模温度取决于各种原材料的初始温度,主要方法是施工时加冰冷却拌合水、骨料、水泥, 尽量选择较低气温时段浇筑砼，在混凝土运输工具上覆盖麻袋, 并经常喷洒冷水降温。最高温度控制：在混凝土内部预埋水管,利用冷却水管内流通的制冷水带走大体积混凝土内部积聚的水泥水化热, 削减浇筑层水化热温升。这种方法因具有适用性和灵活性,以及能够控制整个结构物内部温度, 所以在国内外得到广泛应用。养护温度控制：大体积混凝土的裂缝,特别是表面裂缝,主要是由于混凝土中产生了温度梯度。为了使大体积混凝土的内外温差降低,可采用混凝土表面保温的方法,使混凝土内外温差降低。
3.3 分缝分块浇筑
分缝分块有两方面的目的:一是为了便于施工,将庞大的坝体逐块逐层地进行浇筑同时为了防止裂缝,减小基础块的尺寸,增加散热面,从而降低施工期间的温度应力,以减小产生裂缝的可能性。
3.4 加强施工温度监测
对大体积混凝土内部各部位进行温度跟踪监测,可以及时准确地掌握混凝土各个部位的温度变化,以便采取处理措施降低内部温度,保证工程质量。混凝土温升最快的阶段在浇筑后的1～5d,在这段期间, 宜每30 min 读取数据一次,以后数据的读取时间可以延长,建议在混凝土浇注后的6～20d,每3 h读取一次数据, 浇注后的21～30 d,每6h 读取一次数据。
3.5 采用先进的施工技术
在加强混凝土质量控制的同时,应积极推广新技术、新材料与新工艺的应用,以减少混凝土的开裂。
3.6 合理组织施工
在施工过程中精心安排混凝土施工时间,在高温季节施工时,混凝土浇筑时间尽量安排在16 时至翌日上午10 时前进行, 以减少混凝土温度回升。新旧混凝土浇筑间隔时间为5～7d,相邻浇筑坝块高差控制在8 m 以内。
4、大体积混凝土施工温度控制措施
（1）散热孔法。因设备基础混凝土厚度较大，在基础钢筋绑扎时，设置散热孔、孔沿基础厚度方向竖向排列，散热孔的采用Φ50钢管，水平面间距1000mm，梅花形布置，钢管直接插入基础底部、钢管上部高出基础上表面100mm，沿钢管高度方向每间距500 打Φ20的孔，以便于传热。
（2）水冷法。在基础内部沿水平方向每1 米（梅花形）预埋￠20的焊管，利用冷却水管内流通的制冷水带走大体积混凝土内部积聚的水泥水化热, 削减水化热温升。这在个别有条件的基础施工中进行了采用，效果良好。
（3）基础混凝土内掺入毛石。部分设备基础混凝土浇灌中，加入了混凝土总量15%—20%的毛石，这样可减少混凝土用量，减少水泥水化热。毛石的掺量要控制好，一般不要超过混凝土总体积的20%，若掺多了，会降低混凝土强度。施工中需注意毛石投放要均匀、分散。
（4）设置构造钢筋。对于基础深度超过3 米的，施工时采用基础沿水平面在基础中部设置Φ12@200（双向）的构造钢筋，以增强混凝土的抗拉性能。
（5）螺栓孔内蓄水降温。因大型设备基础内有一定数量的预留螺栓孔洞，基础浇灌完成后，在螺栓孔内蓄满水，以达到降温的目的。
（6）分层浇灌法。混凝土浇灌时，分层浇灌、每层厚度控制在500—600mm。