探讨混凝土施工中温度计算与控制及裂缝形成原因和控制措施

探讨混凝土施工中温度计算与控制及裂缝形成原因和控制措施
郑文培
摘要：本文就几个主要受力部位在混凝土施工中的温度计算与控制以及容易产生裂缝的原因进行了分析，并从设计与施工两方面提出裂缝的控制措施。
关键词：混凝土　温度计算与控制裂缝分析裂缝控制；
前言：混凝土裂缝，一直是困扰我们建筑界的一大难题。混凝土裂缝的出现，有很多方面的原因，但从实践中来看，施工不当（包括材料的选用、施工工艺的选择、成品的保护等）是造成混凝土出现裂缝的主要原因。混凝土工程中材料的特性决定了结构较易产生裂缝，相当一部分裂缝对建筑物的受力及正常使用无太大的危害，但裂缝的存在会影响到建筑物的整体性、耐久性，会对钢筋产生腐蚀，是受力使用期应力集中的隐患，应当尽量在各方面给予重视，以避免裂缝的出现或把裂缝控制在许可的范围之内。
1. 混凝土温度计算与控制（工程实例）
1.1工程概况
一高层建筑地下室底板工程用C30P8混凝土。坍落度140-160mm，共18000m3，分五块浇筑。最多一次连续浇筑4000m3，混凝土底板厚度达1.4m。浇筑时间为3-4月份，平均气温23℃。
1.2配合比设计及选材
1.2.1配合比
通过试验，我们选用了如下配合比：
水泥：水：砂子：石子：粉煤灰：膨胀剂：减水剂=270：170：777：1073： 80：30：7.7
1.2.2选材
水泥选用普通硅酸盐42.5水泥，减水剂采用LS-400高效缓凝减水剂，减水率18%，缓凝时间8-10h。粗骨料级配为5—31.5mm，细骨料采用中砂，粗细骨料含泥量低于规范要求。膨胀剂采用UEA。
1.2.3混凝土温度计算
(1)混凝最终绝热温升
Tmax=WQ / Cρ+FA / 50
=(270×461)/(0.97×2400)+80 /50
=55.1℃
式中：Tmax——混凝最终绝热温升；
W——混凝土中水泥用量，kg/m3；
Q——水泥水化热量kJ/kg
C——混凝土的比热0.97kJ/kg•℃;
ρ——混凝土的容重2400 kg/m3；
(2)混凝土拌合物温度
Tc=∑(T×W×C)/ ∑( W×C)
=23.6℃ （式中各符号见表2）
表2

材料名称重量W
/kg 比热C
/ kJ/kg•℃ W×C
/ kJ/℃ 材料温度
/℃ T×W×C
/ kJ
水泥 270 0.84 226.8 50 11340.0
水 170 4.2 714.0 21 14994.0
砂 777 0.84 652.7 21 13706.3
石 1073 0.84 901.3 21 18927.7
粉煤灰 80 0.84 67.2 23 1545.6
UEA 30 0.84 25.2 23 579.6
合计 2584.2 61093.2

(3)混凝土出机温度
Tm=TC—0.16（TC-Td）
=23.6-0.16×(23.6-23)=23.5℃
式中Td——搅拌楼温度，取23.0℃
(4)混凝土浇筑温度
Tj= Tm +（Tq-Tm）（A1+A2+A3）=23.5+(23-23.5)×(0.032×3+25×0.0042+0.003×20)
=22.7℃
式中Tq——室外温度，取23.0℃
A1——混凝土装卸温度损失系数。第次取0.032，混凝土出机到浇筑共3次；
A2——混凝土运输时温度损失系数。搅拌车运输混凝土时的温度损失系数取0.0042，运输时间为25min；
A3——混凝土浇筑温度损失系数，A3=0.003t，t为浇筑时间，取20min；
(5)混凝土内部实际最高温度
Tmax’=Tj+ Tmaxξ=22.7+55.1×0.68
=60.2℃
式中ξ——不同浇筑厚度的温度系数，承台最深厚度为3米，取0.68；
(6)混凝土结构物表面计算温度
Tb（τ）=Tq+4h´（H-h′）δT（τ）/H2
式中Tb（τ）——龄期为τ时，混凝土的表面温度，℃；
Tq——龄期为τ时，大气的平均温度，℃；
H——混凝土的计算厚度，m，H=h+2 h′
h——混凝土的实际厚度，m；
h′——混凝土的虚厚度，m，h′=kλ/β
δT（τ）——龄期为τ时，混凝土中心温度与外界温度之差，℃；
k——计算折减系数，取0.666
λ——混凝土的导热系数，取2.3w/（m•k）；
β——混凝土模板及保温层的传热系数，w/（m2•K）；
β=1/（∑δi/λi+1/βq）
式中δi——各种保温材料的厚度，m；
λi——各种保温材料的导热系数；
βq——空气的传热系数，23w/（m2•K）；
本工程采用麻包袋覆盖,
取λ=0.14
δi=0.03m
β=1/（0.03/0.14+1/23）=3.88
h′=kλ/β=(0.666×2.3)/3.88
=0.4
H=h+2 h′=3.0+2×0.4=3.8
δT（τ）=60.2-23=37.2℃
Tb（τ）=23+〔4×0.4×(3.8-0.4) ×37.2〕/3.82=37.1℃
由此混凝土的内外温差:60.2-37.1=23.1℃,混凝土的内外温差小于25℃,能满足施工要求。
1.2.4混凝土强度
按规定取样的混凝土抗压试块，28天强度均达到设计要求。平均值为39.1Mpa，最大值44.2 Mpa。抗渗等级均达到抗渗S8要求。
通过与施工单位的大力配合，对混凝土施工各个环节进行控制，在混凝土浇筑完成之后，在10000m2的地下室底板上，没有出现混凝土裂缝。地下室使用至今两年多，也没出现渗漏现象，取得了较好的效果。
2 地下室混凝土施工中两个特殊部位的裂缝分析
2.1大体积基础混凝土板
　　国内外大量实践证明，各种大体积混凝土裂缝主要是温度变化引起。大体积混凝土浇筑后在升温阶段由于体积大，集聚在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高，这样在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，由于此时混凝土的强度低，有可能产生表面裂缝。在降温阶段新浇混凝土收缩因存在较强的地基或基础的约束而不能自由收缩。升温阶段快，混凝土弹性模量低，徐变的影响大，所以降温时产生的拉应力大于升温时产生的压应力。差值过大时，将在混凝土内部产生裂缝，最后有可能形成贯穿裂缝。为解决上述二类裂缝问题，必须进行合理的温度控制。
　　混凝土温度控制的主要目的是使因温差产生的拉应力小于同期混凝土抗拉强度的标准值，并有一定的安全系数。为计算温差，就要事先计算混凝土内部的最高温度，它是混凝土浇筑温度、实际水化热温升和混凝土散热温度的总和。混凝土内部的最高温度大多发生在浇筑后的3～7天。混凝土内部的最高温度Tmax可按下式计算：
　　 Tmax＝To+(WQ)/(Cr)ξ+(F)/(5O) (1)
式中：T0——混凝土的浇筑温度(℃)
W——每m3混凝土中水泥(矿渣硅酸盐水泥)的用量(kg/m3)
F——每m3混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)
Q——每kg水泥水化热(J/kg)
C——混凝土的比热
r——混凝土的密度
ξ——不同厚度的浇筑块散热系数　　
不同厚度的浇筑块散热系数
　厚度(m) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ＞4.0
ξ 0.23 0.35 0.48 0.61 0.73 0.83 0.95 1.0
　实测资料显示，当基础板厚大于2米时，上述公式的相对误差在0.1%～1.3%之间，在计算温差后，即可计算出降温阶段混凝土内部的温度应力σ(2)xmax
　　σxmax＝Eα△T(1-(1)/(cosh βL/2))H(t,τ).........(2)
　　式中：E——混凝土的弹性模量(N/mm2)
α——混凝土的线膨胀系数(10-5/℃)
△T——温差(℃)
L——板长(mm)
β＝Cx／HE
H——板厚(mm) H＞0.2L时，取H＝0.2L
Cx——地基水平阻力系数(N/mm3)
H(t，τ) ——考虑徐变后的混凝土松驰系数，
其中，t——产生约束应力时的龄期，
τ——约束应力延续时间。
　　注意同期内由于混凝土收缩引起的应力应转化为当量温差，计入△T一并计算σxmax。
　　由(1)、(2)分析可知：为避免裂缝出现，主要是减少△T。可采用合理选用材料，降低水泥水化热，优化混凝土集料的配合比，控制水灰比，减少混凝土的干缩，具体控制措施见后。如有可能，减少浇筑长度L，增加养护时间减少降温速率以相应减少松驰系数对控制贯穿裂缝也有一定的意义。
2.2 地下室混凝土墙板及楼板
　　地下室墙板的裂缝产生与基础大体积混凝土裂缝产生的原因有相同之处，即混凝土在硬化过程中由于失水会产生收缩应变，在水泥水化热产生的升温达到最高点以后的降温过程会产生温度应变。但又有其特点：一是墙板受到基础、外围楼板受到地下室外墙的极大约束，这种约束远大于桩基对基础的约束，产生贯穿裂缝的机率大。二是内墙板及楼板受环境温度影响较大。三是内外温差小，产生表面裂缝的机率小。四是养护困难，散热快、降温速率大，混凝土的松驰徐变优势难以利用，在气温骤变季节尤应注意。
　　在计算板内最大拉应力时仍可利用公式(2)，但有以下几点应注意：
　　1)H取0.2L，L为整浇长度；
　　2)Cx取值应大于1.5N/mm3因为连接部位有较强钢筋约束；
　　3)计算温差△T时，要考虑底板及外墙(兼作围护情况下)紧靠土体，受环境温差小，而被它们约束的墙板及周边楼板在施工过程中基本同外界温度同步变化。
　　4)若底板墙板施工间隔过长、外墙兼作围护时，则在计算混凝土收缩时应注意约束体与被约束体的收缩期不同，收缩量也不相同。
3 裂缝的控制措施
3.1 设计措施
　　1)增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3%～0.5%之间。
　　2)避免结构突变产生应力集中，在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。
　　3)在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。
4)在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，在正常施工条件下，后浇缝间距20～30m，保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。
3.2 施工措施
　　1)严格控制混凝土原材料的质量和技术标准，选用低水化热水泥，粗细骨料的含泥量应尽量减少(1%～1.5%以下)。
　　2)细致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，减少混凝土的坍落度，合理掺加塑化剂和减少剂。
　　3)浇筑时间尽量安排在夜间，最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置，或用湿麻袋覆盖，必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时，在水平及垂直泵管上加盖草袋，并喷冷水。
　　4)根据工程特点，可以利用混凝土后期强度，这样可以减少用水量，减少水化热和收缩。
　　5)加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。
　　6)混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上，混凝土的现场试块强度不低于C5。
　　7)采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。
　　8)根据具体工程特点，采用UEA补偿收缩混凝土技术。
　　9)对于高强混凝土，应尽量使用中热微膨胀水泥，掺超细矿粉和膨胀剂，使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰，掺量15%～50%。
4 结语
虽然现在混凝土裂缝控制措施越来越多，效果也越来越好，但与其事后补过还不如事前做好预防工作。通过现场实践，总结出几点预防混凝土裂缝的体会：
（1）设计单位应该提出混凝土施工温度控制的具体要求和混凝土施工养护的基本要求，确定外加剂的品种和掺量，确保混凝土收缩与膨胀相抵消；
（2）混凝土配合比控制要严格，计量要准确，坍落度抽检工作要加强，不能流于形式；
（3）混凝土振捣要密实，拆模后须挂草帘或麻布浇水养护保持湿润状态两天；
（4）施工过程中应经常观察模板的位移和混凝土浇捣的密实情况，不能漏振、过振，且在第一次振捣后要进行第二次振捣；
（5）配置大体积混凝土宜使用低水化热水泥，如矿渣水泥，此外可掺加膨胀剂，同时要采用塑料薄膜和草袋覆盖以确保混凝土内外温差小于25℃；
（6）对于商品混凝土，则要在满足其可泵性、和易性的其那体下尽量减小出机时的塌落度、降低砂率、并严格控制骨料的含泥量等。
总之，只要工程参建各方认真负责，严格按规定要求施工，正确选用施工材料，合理选择施工工艺，适时做好成品保护，就能最大限度地降低混凝土裂缝的产生。