大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)應(yīng)用進(jìn)展

李凌旭+馬明昌+李水茜

摘要：近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，綜合國力的提升和城市建設(shè)越發(fā)加快，高層建筑、大跨度橋梁結(jié)構(gòu)、大壩結(jié)構(gòu)等隨處可見，而在這些重要的大型混凝土工程中，混凝土溫度裂縫控制問題一直是工程界重視的問題之一，所以對大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理及其控制措施的運(yùn)用研究顯得至關(guān)重要。本文在分析大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生主要原因——溫度應(yīng)力的基礎(chǔ)上，對大體積混凝土溫度裂縫的主要控制措施-材料控制、冷卻水管、設(shè)置永久變形縫、設(shè)置溫度后澆帶、跳倉施工法等技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)展。

Abstract： In recent years， with the rapid economic growth， the improvement of overall national strength and the acceleration of urban construction， high-rise buildings， long-span bridge structures and dam structures can be seen everywhere. In these important large-scale concrete projects， crack control has always been one of the most important issues in engineering. Therefore， it is very important to study the mechanism of mass concrete temperature cracks and its control measures. Based on the analysis of temperature stress， which is the main cause of temperature cracks in mass concrete， this paper analyzes application progress of the main control measures of temperature cracks in mass concrete， such as material control， cooling water pipe， permanent deformation joint， temperature post-cast strip and sequence method construction method and other technologies.

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度裂縫；控制技術(shù)；進(jìn)展

Key words： mass concrete；temperature crack；control technology；progress

中圖分類號：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0113-03

0 引言

近年來，城市土地資源的稀缺和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，超高層建筑在我國不斷出現(xiàn)，工程建設(shè)的規(guī)模也逐漸朝著大型化、綜合化和復(fù)雜化方向發(fā)展，為了建筑安全性考慮，建筑物基礎(chǔ)底板的尺寸均比上不結(jié)構(gòu)的平面尺寸要大很多，這些結(jié)構(gòu)都比較厚實(shí)、現(xiàn)澆工程量大、水化熱多導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫度梯度大，極其容易產(chǎn)生溫度裂縫。當(dāng)然，在建造和使用過程中，只能要求盡量不出現(xiàn)和少出現(xiàn)有害裂縫，完全杜絕裂縫是不可能實(shí)現(xiàn)的。

大體積混凝土開裂的影響因素（材料、入模溫度、內(nèi)外約束條件、降溫措施等）有很多，很復(fù)雜，往往不是單一因素造成的，采取措施減低裂縫的開展實(shí)際上就是裂縫控制工程，這是一項(xiàng)龐大的系統(tǒng)工程。混凝土結(jié)構(gòu)開裂會(huì)影響結(jié)構(gòu)耐久性并影響其正常使用，所以采取相應(yīng)的技術(shù)措施去處理和解決溫度應(yīng)力、并按裂縫開展去處理以最大限度地減少混凝土開裂顯得尤其重要。

1 溫度應(yīng)力與溫度裂縫

1.1 溫度應(yīng)力的定義

對于大體積混凝土的定義，迄今為止尚無統(tǒng)一的說法。美國混凝土學(xué)會(huì)（ACI）、日本建筑學(xué)會(huì)、大體積混凝土施工規(guī)范（GB50496—2009）》[1][2]均根據(jù)自己的研究成果對其進(jìn)行了定義，但由于闡述側(cè)重點(diǎn)不一樣，導(dǎo)致定義不是很全面。僅用混凝土的幾何尺寸來定義和用混凝土內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度之差達(dá)到某規(guī)定值來定義大體積混凝土，也是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。所以綜合闡述，從幾何尺寸、溫度差導(dǎo)致溫度應(yīng)力、裂縫控制措施等三方面去定義較為全面，即：大體積混凝土結(jié)構(gòu)為現(xiàn)場澆筑的幾何尺寸較大，且采取了相應(yīng)的技術(shù)措施去處理溫度差值、解決溫度應(yīng)力，最大限度地減少混凝土開裂的混凝土結(jié)構(gòu)[3]。

從上述對大體積混凝土定義的闡述可知，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，裂縫的產(chǎn)生大都與溫度應(yīng)力有關(guān)[4]?；炷翜囟葢?yīng)力一般約為30天。該階段混凝土的絕熱溫升與混凝土單位體積中水泥用量和水泥使用品種有關(guān)，并隨混凝土的齡期按指數(shù)關(guān)系遞增，該階段彈性模量隨混凝土齡期的增長而逐漸增高。中期應(yīng)力為自早期結(jié)束至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，該階段混凝土性能趨于穩(wěn)定，其彈性模量變化不大。晚期應(yīng)力為中期結(jié)束至后期使用階段，這時(shí)溫度應(yīng)力主要是由于外界氣溫和水溫的變化所引起。上述各個(gè)階段的溫度應(yīng)力均為該階段產(chǎn)生的溫度應(yīng)力與前期階段殘余應(yīng)力疊加之結(jié)果。溫度應(yīng)力之和結(jié)果是產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，便開始出現(xiàn)溫度裂縫。

1.2 溫度應(yīng)力的危害

混凝土為脆性材料，抗拉強(qiáng)度只是抗壓強(qiáng)度的1/10～1/20左右，其拉伸能力也很小，在短期加載過程中的極限拉伸變形更加小，所以大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力[6]，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)基本不配置鋼筋的，或僅僅在其表面或孔洞位置處配置少量鋼筋，所以一旦出現(xiàn)了拉應(yīng)力（水化熱溫度應(yīng)力）就只能依靠混凝土自身來承受，抗拉性能差的脆性混凝土很容易產(chǎn)生裂縫。endprint

混凝土結(jié)構(gòu)開裂不僅直接影響結(jié)構(gòu)外觀，還會(huì)造成鋼筋銹蝕、混凝土碳化、降低強(qiáng)度，縮短結(jié)構(gòu)耐久性，影響其正常使用，所以采取相應(yīng)的技術(shù)措施去處理和解決溫度應(yīng)力、并按裂縫開展去處理以最大限度地減少混凝土開裂顯得尤其重要。

2 溫度裂縫控制方法

2.1 材料控制方法

根據(jù)影響大體積混凝土開裂的因素，逐個(gè)分析裂縫產(chǎn)生原因，然后提出確實(shí)可行的一套裂縫緩解技術(shù)方法是重要的。溫度裂縫控制首要應(yīng)該從基礎(chǔ)方法-材料的選擇方面去考慮。由前可知，大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生大都與溫度應(yīng)力過大有關(guān)，而溫度應(yīng)力主要來源于水泥水化熱，所以：①合理選用低或者中水化熱的水泥，以降低混凝土溫度峰值；②在混凝土中添加適當(dāng)?shù)幕旌喜牧希ㄖ饕欠勖夯遥┛梢詼p少水泥的用量，降低混凝土的絕熱溫升；③在混凝土材料中摻加緩凝劑或高效減水劑，減少拌合混凝土?xí)r的用水量和減少水泥用量；④選擇粒徑較大、顆粒形狀較好、熱學(xué)性能好且級配良好的骨料。例如，王嘉楊[7]在參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出材料控制方法為：適當(dāng)選擇降低混凝土水化熱的材料，降低混凝土成型時(shí)的溫度，在混凝土拌合物中添加纖維的措施來提高混凝土的抗裂性，達(dá)到阻止混凝土裂縫發(fā)展的目的。劉偉[8]通過試驗(yàn)對摻加粉煤灰、乳化瀝青和聚丙烯纖維等改性材料混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，對多摻改性材料大體積混凝土抵抗溫度應(yīng)力的能力進(jìn)行了驗(yàn)證。

2.2 水管冷卻法

由于水泥用量大，水泥水化時(shí)大量的熱量匯集導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度急劇上升（內(nèi)部溫度可達(dá)60～90℃左右），而混凝土是熱的不良導(dǎo)體，自身溫降速度較慢，為了保證工程質(zhì)量，加快工程施工進(jìn)度，冷卻水管法是大體積混凝土溫控常用措施之一，即：在混凝土中預(yù)埋一些網(wǎng)狀水管，利用管中循環(huán)冷水（可用地下水、江、河、湖泊、自來水等各種水源）的流動(dòng)來降低混凝土內(nèi)部的溫度。20世紀(jì)中期，美國設(shè)計(jì)的胡佛壩為當(dāng)時(shí)世界上最高的混凝土壩體，就選用了水管冷卻降溫的方法，進(jìn)行了現(xiàn)場大量試驗(yàn)，表明水管冷卻對混凝土壩體降溫效果十分明顯，由此成為大體積混凝土溫控方面的一項(xiàng)重要的措施[9]。

在我國，朱伯芳院士早年就研究了大壩混凝土中冷卻水管方面的計(jì)算問題，并運(yùn)用積分變換法對大體積混凝土有熱源平面問題的進(jìn)行了嚴(yán)格的詳細(xì)的解答[10]，同時(shí)他對非金屬聚乙烯水管的降溫方法進(jìn)行討論并對計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究，建立了水管冷卻等效熱源傳導(dǎo)方程[11]。在熱-流耦合算法溫度場計(jì)算方面，劉杏紅[12]等在通用有限元軟件ABAQUS平臺上，開發(fā)熱流耦合用戶子單元，以官地碾壓混凝土重力壩某一澆筑塊為例驗(yàn)證熱流耦合算法和用戶子單元的可靠性和合理性；段寅[13]等并采用等效算法和精細(xì)法對某混凝土壩的幾個(gè)澆筑塊進(jìn)行分析，并對比了它們的計(jì)算結(jié)果。

2.3 設(shè)置永久變形縫

為了降低地基不均勻沉降、地震作用以及溫度應(yīng)力和收縮變形等因素對建筑物的影響，在建造建筑物之前預(yù)先將變形敏感部位的結(jié)構(gòu)斷開，留出一定變形縫，以保證各部分建筑物相互之間有足夠的寬度而在變形過程中降低建筑破壞的可能性。大體積混凝土地下室永久變形縫的設(shè)置，一般要求整個(gè)結(jié)構(gòu)體系在設(shè)縫處完全脫開，特別要使高層與裙房徹底脫開，防止各自沉降對整體結(jié)構(gòu)變形產(chǎn)生較大的影響。因地下室深埋在土中，變形縫構(gòu)造設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于確保防潮、防水，在實(shí)際過程中，地下室變形縫通常有止水帶內(nèi)埋式構(gòu)造和可卸式構(gòu)造。

2.4 跳倉施工技術(shù)

基于“抗與放”的原則，我國“跳倉法”由裂縫控制專家王鐵夢教授提出，施工時(shí)將大體積混凝土施工面劃分成若干區(qū)域，按照“分層澆筑、隔塊施工、整體成型”的原則進(jìn)行分布施工。經(jīng)過短期的溫度應(yīng)力釋放，再把若干個(gè)小塊體連成整體，達(dá)到依靠混凝土自身的抗拉強(qiáng)度抵抗下一段混凝土所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力的目的。跳倉法施工原理示意圖如圖1所示[14]。近年來，“跳倉法”被廣泛運(yùn)用于地下室底板等大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，李棟[15]等將“跳倉法”運(yùn)用于超長、超寬、超深混凝土地下結(jié)構(gòu)-北京藍(lán)色港灣工程基礎(chǔ)底板施工中；林沛華[16]等將跳倉法施工技術(shù)運(yùn)用于廣州世紀(jì)云頂雅苑工程地下室超長、超寬底板大體積混凝土中。

跳倉施工技術(shù)對大體積混凝土澆筑起到很好的抗?jié)B、抗裂作用，施工時(shí)應(yīng)注意相鄰兩塊之間的間隔時(shí)間不少于 7天。但其有對混凝土澆筑時(shí)間控制和大體積混凝土接縫應(yīng)力處理方面的缺點(diǎn)。[6]

3 結(jié)論

本文以大體積混凝土的概念、溫度應(yīng)力的發(fā)生和發(fā)展、溫度應(yīng)力的危害為基礎(chǔ)，詳細(xì)闡述了溫度裂縫的主要五種控制措施-材料控制、冷卻水管、設(shè)置永久變形縫、設(shè)置溫度后澆帶、跳倉施工法等技術(shù)的運(yùn)用進(jìn)展。

①材料控制方法作為一種基礎(chǔ)的裂縫控制方法，通過選用低或者中水化熱的水泥、添加適當(dāng)?shù)姆勖夯?、摻加緩凝劑或高效減水劑、選擇性質(zhì)合適且級配良好的骨料等手段，可以有效減少水或水泥的用量、降低混凝土的絕熱溫升，降低裂縫的開展。

②冷卻水管、設(shè)置永久變形縫、設(shè)置溫度后澆帶、跳倉法為傳統(tǒng)和新興的施工控制技術(shù)，同樣為大體積混凝土在施工和使用過程中起到了較好的抗裂作用。

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