淺談大體積混凝土溫度裂縫成因及預(yù)防對策

(天津市建筑工程職工大學(xué)，天津 300074)

1.大體積混凝土的定義

目前，對于大體積混凝土的定義，國內(nèi)外都有相應(yīng)的解釋。國外方面，日本建筑學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)(JASSA)最早提出了定量化的表述：“結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80cm以上，水化熱引起的混凝土內(nèi)的最高溫度與外界氣溫之差，預(yù)計(jì)超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土”；而其他美國、德國、法國等國家都只在規(guī)范中定性地進(jìn)行了描述，如美國混凝土學(xué)會(ACI)指出：“體積大到必須對水泥的水化熱及其帶來的相應(yīng)體積變化采取措施，才能盡量減少開裂的一類混凝土”。

我國針對大體積混凝土的定義主要來源于規(guī)范，GB50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》定義為：“混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土”；JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》則定義為“體積較大的，可能由膠凝材料水化熱引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致有害裂縫的結(jié)構(gòu)混凝土”。

對比國內(nèi)外文獻(xiàn)可知，目前關(guān)于“大體積混凝土”尚未有幾何尺寸的統(tǒng)一量化標(biāo)準(zhǔn)。但是，基本都從溫度變化和收縮裂縫方面進(jìn)行了定義和闡述，強(qiáng)調(diào)了大體量水化熱造成的內(nèi)外溫度差問題必須采取措施予以處理。

2.溫度裂縫成因及預(yù)防對策

2.1 裂縫成因

從微觀上看，作為組成大體積混凝土的主要材料，水泥在大體積、大尺量的施工中會積聚大量水化熱，造成內(nèi)部溫度的升高。升溫過程中大量的水化熱不能有效地釋放、傳遞到表層，而降溫過程中混凝土的保溫性能又使得內(nèi)部降溫速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于表層，導(dǎo)致內(nèi)部溫度應(yīng)力集中；從宏觀上看，大體積混凝土強(qiáng)度具備抵抗破壞約束的能力，內(nèi)部溫度應(yīng)力和外部抗拉約束應(yīng)力兩方面相互抗衡。當(dāng)內(nèi)部溫度應(yīng)力超過混凝土能夠承受的約束拉力極限時，造成溫度裂縫的出現(xiàn)。

2.2 預(yù)防對策

實(shí)踐表明，如果對于大體積混凝土溫度裂縫不采取有效的處理措施，不僅會影響到建筑物(構(gòu)筑物)的整體美觀和安全耐久，甚至?xí)霈F(xiàn)受力隱患。因此，對溫度裂縫的預(yù)防控制應(yīng)從“防”入手，在材料、設(shè)計(jì)、施工等方面采取控制手段，盡力避免或?qū)⒘芽p控制在許可范圍之內(nèi)，最大程度減少溫度裂縫的危害和使用缺陷，達(dá)到溫度裂縫“治”的目的。

2.2.1 選擇適宜的原材料

要保證大體積混凝土施工質(zhì)量，首先必須從組成混凝土的原材料質(zhì)量抓起。普通混凝土是由水泥、水、粗細(xì)骨料、外加劑、礦物質(zhì)摻合料，按比例配制，經(jīng)過振搗密實(shí)成型、養(yǎng)護(hù)硬化而成的人工石材。

(1)水泥。作為拌制混凝土的主要原材料，水泥的品質(zhì)、用量與水泥水化熱、堿骨料反應(yīng)密切相關(guān)。在工程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用要求、強(qiáng)度、環(huán)境條件選擇水泥品種和標(biāo)號，在保證強(qiáng)度的前提下優(yōu)先選用低水化熱水泥。嚴(yán)格控制水泥進(jìn)場檢查和保管儲存，防止水泥受潮。

(2)骨料?；炷林械拇帧⒓?xì)骨料是有效抵抗水泥石收縮裂縫的主要成分之一。粗骨料主要在粒徑和體量方面對水泥石收縮產(chǎn)生約束和阻力，粒徑和體量越大，混凝土收縮越小；細(xì)骨料則從顆粒級配、砂率、細(xì)度模數(shù)等因素直接或間接影響混凝土拌制的工作性和收縮性。另外，粗細(xì)骨料的含泥量都會影響混凝土的干縮性，減少骨料的含泥量也能夠有效預(yù)防混凝土裂縫的產(chǎn)生。所以在使用中，盡可能選用粒徑較大、級配良好、含泥量少的骨料，對裂縫進(jìn)行一定的控制。

(3)水。從混凝土拌合開始，到澆筑凝結(jié)硬化，水的作用都非常重要。單位體積用水量和水灰比是影響混凝土工作性能和裂縫控制的兩個非常重要的指標(biāo)。在施工中，應(yīng)該嚴(yán)格控制水的質(zhì)量、用量和比例。混凝土的拌制及養(yǎng)護(hù)宜采用飲用水，不得使用未經(jīng)檢測和處理的地表水、地下水。

(4)外加劑和摻合料?；炷镣饧觿┢贩N眾多，常用于大體積混凝土的有減水劑、緩凝劑、引氣劑等，摻量都非常小。適宜的外加劑不僅能夠有效降低水泥水化熱，而且可以增強(qiáng)混凝土的抗裂性能，提高澆筑質(zhì)量。使用時應(yīng)特別注意外加劑的添加劑量和時間，以適應(yīng)施工工藝的要求。摻合料，常用的有粉煤灰、礦粉、硅灰等，這類礦物粉末通過顆粒之間的“滾珠軸承”效應(yīng)，增加拌合物之間的潤滑，起到替代部分水泥的作用。粉煤灰等摻合料在與減水劑的共同作用下，還能改善混凝土的工作性、耐久性，顯著降低大體積混凝土的水化熱。

2.2.2 按設(shè)計(jì)進(jìn)行配比

在保證混凝土原材料質(zhì)量和用量的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行配制是大體積混凝土溫度裂縫控制的關(guān)鍵。混凝土配合比應(yīng)按照國家現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)程和技術(shù)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，我國現(xiàn)行常用的規(guī)范包括《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》、《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》等?，F(xiàn)場試配時，還應(yīng)根據(jù)砂石原料的級配、品質(zhì)、所添加的外加劑和摻合料進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證混凝土的坍落度能夠滿足工作性和使用要求。

2.2.3 嚴(yán)格控制施工方法與工藝

(1)混凝土的澆筑與振搗。大體積混凝土普遍體量大，對整體性要求高。施工時應(yīng)遵循“分層定點(diǎn)、薄層澆筑、循序漸進(jìn)”的原則，根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和面積不同，通?？刹捎萌娣謱?、分段分層以及斜面分層的方法。第二層混凝土應(yīng)在第一層初凝之前及時澆筑，過程中注意對澆筑時間、速度、溫度進(jìn)行控制，澆筑后進(jìn)行二次振搗。對于不同深度的梁、板等構(gòu)件，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)設(shè)置施工縫。合理的分層分縫施工方法不僅能夠縮短澆筑時間，減少混凝土暴露面積，同時給內(nèi)部水化熱留出釋放時間，避免大量積聚產(chǎn)生裂縫。

(2)混凝土的養(yǎng)護(hù)與拆模?；炷翝仓笠皶r進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可以表面覆蓋草簾、麻袋、棉被等灑水保溫保濕，延緩降溫速度，防止表層溫度驟降形成過大的內(nèi)外溫差。終凝后還應(yīng)持續(xù)澆水保證混凝土一直處于濕潤養(yǎng)護(hù)狀態(tài)。普通硅酸鹽水泥拌制的混凝土至少養(yǎng)護(hù)14天，礦渣、火山灰水泥等拌制的混凝土至少養(yǎng)護(hù)21天。養(yǎng)護(hù)過程中密切關(guān)注溫差降和氣溫變化，隨時增減保護(hù)層厚度。嚴(yán)格按施工規(guī)范、時間和強(qiáng)度要求把握拆模時間，過早拆模會導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度不足，容易引發(fā)裂縫發(fā)展。

(3)混凝土的測溫與監(jiān)控。大體積混凝土在澆筑振搗時，早期水化熱大量積聚，使得塊體內(nèi)部中心位置形成持續(xù)的高溫區(qū)；而拆模之后，保溫層的去除又會讓表面溫度受到環(huán)境溫度的影響而下降。為了及時掌握大體積混凝土的溫度變化，澆筑之前要預(yù)先埋設(shè)測溫監(jiān)控點(diǎn)，密切關(guān)注溫差波動，以更好的指導(dǎo)混凝土的養(yǎng)護(hù)工作。測溫點(diǎn)的布控一般是每個平面設(shè)置一組，至少包括混凝土內(nèi)頂部、中心、底部3個。同時在混凝土表面留設(shè)測溫傳感器，用以監(jiān)測養(yǎng)護(hù)層內(nèi)空氣溫度。測溫和養(yǎng)護(hù)工作設(shè)專人負(fù)責(zé)，每天依據(jù)實(shí)測溫度和氣象資料進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，比較基礎(chǔ)里表溫差和降溫速率，及時進(jìn)行保溫調(diào)整。保證養(yǎng)護(hù)期間混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃，降溫梯度不超過超過2℃/d。升溫及降溫階段，嚴(yán)禁隨意揭開養(yǎng)護(hù)材料，至混凝土內(nèi)部溫度與環(huán)境溫差值恒小于 20℃時停止測溫工作。

3.工程實(shí)例分析

3.1 工程概況

福建某儲罐工程建設(shè)2臺160000m3的LNG預(yù)應(yīng)力混凝土全容罐。儲罐基礎(chǔ)為鋼筋混凝土灌注樁，在承臺與樁基礎(chǔ)間采用直徑1.5m樁帽連接。工程承臺底板面積約6000，混凝土量約6032m3；共分8次澆筑成型，其中中心區(qū)承臺半徑30.55m，剩余為圓弧段。承臺板面面積大，表面平整度、澆筑時間不易控制，混凝土澆筑施工質(zhì)量要求高。

3.2 工程抗裂預(yù)防對策

3.2.1 原材料選擇

水泥選定為水化熱比較低的標(biāo)號42.5級普通硅酸鹽水泥，3天及7天水化熱分別為227J/g、277J/g；摻合料選擇S95?；郀t礦渣粉和II級粉煤灰，替代部分水泥用量，降低單位體積用水量和水灰比；外加劑采用高效緩凝減水劑，延緩凝結(jié)速度和時間；骨料的選擇滿足工程要求和GB/T14685-2011的有關(guān)規(guī)定，粗骨料選用粒徑5-25mm級配連續(xù)、含泥量小于0.5%的非堿活性的碎石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.3-3.0，含泥量小于2%，泥塊含量不大于0.5%的中砂。

3.2.2 配合比設(shè)計(jì)

混凝土配合比嚴(yán)格按照福建建筑工程質(zhì)量檢測中心設(shè)計(jì)完成并確認(rèn)。

3.2.3 施工技術(shù)措施

圖1 推移式連續(xù)澆筑

(1)斜面分層推移式澆筑法。儲罐底板混凝土澆筑采用斜面分層推移法(圖1)，厚度控制在每層400～500mm，以混凝土自動流淌面為攤鋪坡度進(jìn)行斜坡推進(jìn)，確保第二層混凝土在第一層初凝之前進(jìn)行澆筑?；炷岭S澆隨搗，振搗時快插慢拔，至表面水泥漿均勻且不再冒泡時停止。對于邊緣混凝土用直徑為Φ30的小振搗棒在模板與鋼筋之間進(jìn)振搗，趕盡聚積在模板上的氣泡。澆筑過程中每個階段采用四臺以上振動棒將混凝土振搗密實(shí)，嚴(yán)防漏振，同時用海綿等物及時去除泌水產(chǎn)生的表面浮漿；澆筑完成后進(jìn)行兩次抹面，降低表面形成收縮裂縫的幾率。

(2)保溫保濕養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓戤吅螅皶r進(jìn)行妥善的保溫、保濕養(yǎng)護(hù)。采用灑水濕潤的土工布+塑料薄膜+保溫棉被三層覆蓋，同時在最外側(cè)保溫棉被上再加一層厚塑料薄膜用木方壓住，予以隔絕空氣、蓄熱保溫?；炷帘３诌B續(xù)養(yǎng)護(hù)至少14天，根據(jù)天氣條件及溫差情況適當(dāng)調(diào)整養(yǎng)護(hù)材料厚度，特殊要求部位適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時間。

(3)信息化測溫監(jiān)控。為做好溫控措施，現(xiàn)場采用兩臺JDC-2型測溫儀(一臺備用)進(jìn)行溫度監(jiān)測。預(yù)先將溫度傳感器埋設(shè)在基礎(chǔ)承臺中心、距上下表面各50mm處，另外在空氣和保溫層中各埋設(shè)一個測溫點(diǎn)，監(jiān)測環(huán)境溫度和保溫層內(nèi)溫度?？紤]到大體積混凝土的分層推移式澆筑，以中心區(qū)和核心區(qū)為重點(diǎn)在各區(qū)域內(nèi)均勻布置。將測溫儀與電腦連接，匯總各測點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，繪制實(shí)際溫度、溫差以及環(huán)境溫度的升降曲線。隨時把控混凝土里表溫差、表面溫差、降溫梯度和降溫速率，超過控制要求時立即采取措施。

3.3 工程效果

通過對大體積混凝土采取有效預(yù)防措施，從原材料、設(shè)計(jì)和施工三方面進(jìn)行裂縫控制，實(shí)際工程取得了較好效果。合理的材料選擇、設(shè)計(jì)配比和適宜的施工方法使得大體積混凝土內(nèi)部水化熱得到了有效控制，基礎(chǔ)表觀檢查平整，超聲探測檢驗(yàn)沒有超出允許范圍的無法控制裂縫，混凝土強(qiáng)度滿足工程要求，項(xiàng)目質(zhì)量得以保證。

4.結(jié)論

大體積混凝土溫度裂縫問題普遍存在，不妥善處理將會嚴(yán)重影響施工質(zhì)量和工程效果。以上對施工中溫度裂縫的預(yù)防控制對策，很多已在工程實(shí)踐中得到驗(yàn)證。實(shí)例中選取的數(shù)據(jù)希望能為后續(xù)施工提供一定參考和佐證，以促進(jìn)大體積混凝土設(shè)計(jì)配比和施工環(huán)節(jié)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)從源頭開始預(yù)防，保證大體積混凝土的施工質(zhì)量。