大體積混凝土溫度裂縫的成因及預防措施

陳漢清廈門中宸集團有限公司（361000）

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大體積混凝土溫度裂縫的成因及預防措施

陳漢清
廈門中宸集團有限公司（361000）

摘要:首先簡要介紹了大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機理、預防措施，然后結(jié)合工程實例重點闡述了通水冷卻溫差控制措施并評價其效果，最后總結(jié)了大體積混凝土施工溫度裂縫控制要點，希望能供業(yè)內(nèi)同行參考。

關(guān)鍵詞:大體積混凝土；水化熱；溫度應力；溫度裂縫

1大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機理

大體積混凝土在施工過程中產(chǎn)生裂縫的原因有很多，包括表面收縮、內(nèi)外溫差、外部荷載、鋼筋銹蝕等，其中，溫度裂縫是大體積混凝土裂縫控制的重點，下面主要闡述溫度裂縫產(chǎn)生的原因。

1.1水泥的水化熱

大體積混凝土由于水泥水化時會放出大量的水化熱，而混凝土自身體積較厚，表面直接和空氣接觸，散熱條件較好，熱量可以向大氣中散發(fā)，表面溫度上升較少。混凝土自身導熱性較差，水泥水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，溫度會上升較多這樣就會形成外低內(nèi)高的溫差，產(chǎn)生溫度應力，若溫度應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產(chǎn)生裂縫。

1.2內(nèi)外約束條件

基礎(chǔ)混凝土一般與地基整體澆筑在一起，當溫度變化時，由于外部約束和內(nèi)部約束的存在，混凝土不能自由變形?；炷翝仓笤缙跍囟壬仙龝r，產(chǎn)生的膨脹變形受到地基土約束面產(chǎn)生壓應力，此時混凝土的彈性模量很小，徐變和應力松弛卻較大，與基層連接也不太牢固，從而壓應力較小?；炷帘砻鏈囟认陆递^快，受溫差產(chǎn)生的溫度應力和內(nèi)部約束的影響，混凝土表面會產(chǎn)生很大的拉應力。因此，混凝土內(nèi)部熱量積聚產(chǎn)生熱膨脹，靠近中心產(chǎn)生壓應力，遠離中心產(chǎn)生拉應力，若產(chǎn)生的拉應力超過混凝土的抗拉強度，會出現(xiàn)垂直裂縫。當內(nèi)外溫差小于25℃，產(chǎn)生的裂縫幾率較低[1-2]。因此，降低混凝土內(nèi)外溫差和改善約束條件，是防止混凝土產(chǎn)生裂縫的重要措施。

1.3外界氣溫引起的變化

混凝土在澆筑過程中產(chǎn)生的溫度與外界氣溫的變化有著直接的關(guān)系，澆筑產(chǎn)生的溫度同時也影響混凝土內(nèi)部溫度。文獻[3]中提到：當大體積混凝土的澆筑溫度升高時，水泥的水化速度加快，混凝土內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)時間提前。如果外界氣溫下降，特別是氣溫驟降，會加大混凝土的溫度梯度，致使溫度應力增大。此時，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，外部產(chǎn)生拉應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土的表面就會出現(xiàn)裂縫。

2大體積混凝土溫度裂縫的預防措施

2.1科學選用材料，適當使用外加劑

1）科學選用水泥

優(yōu)先選擇中低水化熱硅酸鹽水泥或低水化熱礦渣硅酸鹽水泥，如復合水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥等優(yōu)質(zhì)水泥，有利于降低混凝土溫度梯度。水泥水化熱的指標應滿足: 3 d的水化熱不宜大于240 kJ/kg，7 d的水化熱不宜大于270 kJ/kg[4]。

2）骨料控制

細骨料宜采用細度模數(shù)大于2.3的中砂,含泥量不應大于3%。粗骨料宜選用連續(xù)級配，粒徑5～31.5 mm，含泥量不應大于1%。一方面應盡量使用高強度骨料，另一方面砂率和坍落度應盡量選用較小數(shù)值，以減小孔隙率，避免裂縫產(chǎn)生。

3）摻合料與外加劑

第一，可適當?shù)脑诨炷林屑尤肽芙档退療岬姆勖夯?，粉煤灰除了能改善混凝土性能外，還能減少水泥用量，節(jié)省成本。第二，添加UEA。在水泥硬化過程中，UEA能補償冷縮與干縮，從而降低裂縫發(fā)生的可能性。

2.2降溫處理

在混凝土內(nèi)部預埋水管，當大體積混凝土澆筑后，通過冷水進出，可有效降低混凝土內(nèi)部溫度。冷卻水管通常采用鋼管、鋁管、聚乙烯塑料管等比較耐熱耐腐蝕的材料。施工單位應結(jié)合實際條件，選擇合適的降溫水管。在混凝土澆筑之前，為了防止出現(xiàn)意外情況，先進行通水試壓，管道顯示密閉良好，通水順暢，再進行下一步工序。大體積混凝土對溫度很敏感，混凝土澆筑之后要密切關(guān)注混凝土溫度變化情況，將混凝土實際溫度控制在合理范圍之內(nèi)。冷卻水在混凝土澆筑至水管高程后立即循環(huán)，混凝土內(nèi)外溫差控制在25℃內(nèi)，水溫3～4 h監(jiān)測一次，測量進、出水口溫度，一般出水口溫度較進水口溫度高5～6℃，應持續(xù)到澆筑完7 d以后。指派專業(yè)技術(shù)人員，設(shè)置溫度檢測點，做好標記方便以后使用，收集混凝土溫度變化數(shù)據(jù)，將檢測的數(shù)據(jù)繪制成溫度變化曲線進行對比，以便采取有效措施，降低或保護混凝土溫度。冷卻完畢后，冷卻管壓入同強度的水泥漿，水泥漿中加入微膨脹劑。

2.3加強養(yǎng)護

混凝土二次抹平之后，應及時養(yǎng)護并覆蓋毛毯及塑料薄膜保溫，防止水分過分蒸發(fā)，造成表面裂縫。將混凝土每天降溫速率控制在2.0℃/d范圍內(nèi)，混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃，保濕養(yǎng)護的持續(xù)時間不得少于14 d。墻、電梯基坑等位置，安裝豎向模板保持混凝土形狀，成形7天以后拆模，注意檢查整個混凝土成形的情況，查看是否有裂縫和歪斜情況出現(xiàn)。

3工程案例

3.1工程概況

城建大廈工程位于廈門市海滄區(qū)南海三路南側(cè)。地下2層，地上25層，建筑高度99.9 m。主樓采用筏板基礎(chǔ)，尺寸46.3 m×36.4 m，厚度為2.2 m，采用密實級配抗?jié)B防水混凝土C35，抗?jié)B等級P8。經(jīng)過測算得出，混凝土澆筑總量約3 900 m3，屬大體積混凝土類型，必須一直連續(xù)澆筑。本工程大體積混凝土內(nèi)部采用預埋冷卻水管進行循環(huán)通水降溫，表面采用覆蓋毛毯進行保溫。

3.2冷卻水管與測溫管布置

3.2.1冷卻水管布置

循環(huán)冷卻水管采用DN50的鍍鋅鋼管，分上、中、下三層錯開布置，每層對稱布設(shè)，采用中間注入冷卻水的方式，縮短冷卻水循環(huán)路徑，提高冷卻效果，有利于減小內(nèi)外溫差。冷卻水管水平間距為2 500 mm，垂直間距為600 mm，距混凝土上、下表面各為500 mm，距離混凝土側(cè)面為1 000 mm。循環(huán)冷卻水共設(shè)置6個獨立循環(huán)系統(tǒng),分別是上部、中部和下部以及電梯井上部、中部和下部?；炷翝仓晾鋮s水管高程后立即通水循環(huán)，及時帶走混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，避免產(chǎn)生較大的溫差。

3.2.2測溫管布置

測溫管采用DN20鍍鋅鋼管。為準確掌握大體積內(nèi)部混凝土溫度變化,本工程共對稱布設(shè)80組間距為5 m的測溫點，每組測溫點包括上、中、下三個測點，上、下測點各距板面100 mm。

3.3循環(huán)冷卻、測溫管理

3.3.1循環(huán)冷卻

當混凝土澆至冷卻水管高程時，立即通水冷卻，控制進水口流量并隨時監(jiān)測進、出口水溫差。當進、出口水溫差超過10℃時，應立即采取措施加大進口水流速和流量，將溫差控制在10℃以內(nèi)，提高冷卻水吸收混凝土水化熱的能力，避免混凝土內(nèi)部升溫過高，造成內(nèi)外溫差超過規(guī)范要求而產(chǎn)生溫差裂縫。

3.3.2測溫管理

采用電子測溫儀，直接讀出各測溫點的實際溫度。在澆筑后3～4 d內(nèi)混凝土水化熱最大，因此在混凝土澆注5 d之內(nèi)，每2～4 h測一次，以后6～15 d內(nèi)每4～8 h測一次，并作好測溫記錄。室外溫度及周圍環(huán)境溫度,每晝夜至少定時定點測量4次，并把測溫記錄及時反饋給技術(shù)人員，以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采取相應的技術(shù)措施。當觀測每一個測點時，對環(huán)境溫度與對應測點處的實際溫度進行詳細記錄，及時整理日報表，繪制溫度變化曲線。同時，還應該充分了解溫度變化的具體情況，按照現(xiàn)場溫差的實際數(shù)據(jù)采取相關(guān)的措施，如發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)外溫差大于25℃，應立即采取有效措施，增加表面保溫層厚度和加大循環(huán)水的流速等。

3.4溫度曲線及分析

3.4.1溫度變化與極值

表1最高溫度及其出現(xiàn)時刻匯總

根據(jù)每組測溫點的測溫記錄，可以繪制出溫度隨時間的變化曲線。本工程筏板基礎(chǔ)具有對稱性,因此選取4組具有代表性測溫點進行分析，分別是1、15、19、36四組基本成對角線的測溫點，每組測溫點混凝土上部、中部和底部的溫度隨時間的變化關(guān)系如圖1～4所示，最高溫度及其出現(xiàn)時刻匯總見表1。

由圖1～4可以看出，同一組測溫點處筏板混凝土底部和中部的溫度明顯高于上部的溫度，其主要原因為混凝土上表面與環(huán)境空氣間熱傳導對混凝土溫度影響較大。本工程大體積混凝土施工前在底板所做的防水層、保護層顯著降低了筏板底板向下的熱傳導率，因此造成底部溫度較高?；炷羶?nèi)部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后72～96 h,也就是3～4 d,這與參考文獻[3]中提到的混凝土內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后3～4 d相符。

圖1測點1溫度變化曲線

圖2測點15溫度變化曲線

圖3測點19溫度變化曲線

圖4測點36溫度變化曲線

3.4.2混凝土表面與大氣溫差

通過測點1、15筏板上部混凝土溫度與毛毯下溫度曲線（見圖5～6）的對比可以看出，12月廈門市平均氣溫12～19℃，毛毯下溫度低于混凝土上部溫度，所有溫差最大不超過20℃，滿足大體積混凝土施工規(guī)范的要求[4]。

圖5測點1上部溫度與毛毯溫度對比

圖6測點15上部溫度與毛毯溫度對比

3.4.3混凝土內(nèi)部溫度變化率

圖7、8分別給出了測點1、15處筏板大體積混凝土的溫度變化隨時間的變化。從圖中可以看出，在澆筑完成24 h內(nèi)，混凝土內(nèi)部溫度變化率較大，之后趨于平穩(wěn)。內(nèi)部溫度約在澆筑完成86 h后達到峰值，然后開始降溫，降溫速率均小于2℃/h。在混凝土外表面加強保濕和保溫措施，能使溫度下降速率控制在2℃/d，滿足大體積混凝土施工規(guī)范要求[4]。

圖7測點1溫度變化率曲線

圖8測點15溫度變化率曲線

4結(jié)語

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工時應對混凝土的材料選擇、溫度和養(yǎng)護等方面進行控制，大體積混凝土的施工質(zhì)量除了必須滿足強度、耐久性、防水性等要求外，主要應對溫度變化和收縮引起的裂縫進行預防和控制。本文根據(jù)大體積混凝土的實際特點,總結(jié)了溫度裂縫形成的原因和常用的預防措施，結(jié)合工程實例對通水冷卻等溫差控制措施進行了詳細介紹,并根據(jù)實測的溫度曲線分析了其降溫效果。結(jié)果表明，這些措施可以有效地控制大體積混凝土在施工過程中產(chǎn)生的裂縫，并且應在大體積混凝土施工過程中對溫度進行實時監(jiān)控，及時掌握溫度變化情況，并采取相應的措施。

參考文獻:

[1]譚維祖.混凝土收縮、開裂及其評價與防治[J].混凝土, 2001.

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社.

[3]澆筑溫度對大體積混凝土溫度應力的影響[J].長安大學學報（自然科學版）,2011（09）.

[4] GB 50496- 2009,大體積混凝土施工規(guī)范[S].中華人民共和國國家標準.