控制筏板基礎(chǔ)大體積混凝土溫度裂隙的技術(shù)研究

焦明

摘要：建筑大體積結(jié)構(gòu)會(huì)因水泥水化熱的作用而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫縮拉應(yīng)力，若采取的施工控制技術(shù)不當(dāng)就會(huì)產(chǎn)生危害性裂縫。本項(xiàng)目在大體積筏板基礎(chǔ)施工時(shí)，采取使用低水化熱水泥、摻入外加劑降低水泥用量、提高混凝土抗裂性能、采用施工新工藝、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等綜合措施，避免了溫度裂隙的產(chǎn)生。

Abstract： The large-scale structure of a building will cause temperature shrinkage tensile stress in the concrete due to the effect of cement hydration heat. If the construction control technology is adopted improperly， it will cause hazardous cracks. During the construction of large-scale raft foundations， comprehensive measures such as the use of low-hydration thermal cement and the addition of admixtures are adopted to reduce the amount of cement， improve the crack resistance of concrete， adopt new construction techniques， strengthen maintenance and avoid the occurrence of temperature cracks.

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;溫縮應(yīng)力分析;降溫措施;溫控監(jiān)測(cè)

Key words： mass concrete;temperature shrinkage stress analysis;cooling measures;temperature control monitoring

中圖分類號(hào)：TU755? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）03-0266-03

0? 引言

隨著建筑物向更大面積及更高方向發(fā)展，工業(yè)與民用大體積混凝土結(jié)構(gòu)日漸常見。因混凝土在凝固硬化過程中釋放出大量的水化熱，而大體積結(jié)構(gòu)厚重，熱量積蓄在混凝土內(nèi)部難以散失，使混凝土內(nèi)部溫度峰值很高，當(dāng)混凝土完成凝固后，熱量逐漸消散，大體積混凝土因降溫而收縮，再疊加混凝土失水干縮，是促使大體混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的主要原因。產(chǎn)生的裂縫及其帶來的病害對(duì)結(jié)構(gòu)的安全使用造成嚴(yán)重危害。因此，對(duì)大體積混凝土因溫縮產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行預(yù)防及控制是我們需解決的重大課題。

1? 工程簡(jiǎn)介

綠地·香湖灣10號(hào)地塊位于鄭州航空港區(qū)經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)黃海路北側(cè)。占地69484.52m2，共設(shè)13棟單體建筑，總建筑面積227499.82m2。建筑類別為一類高層居住建筑和大型地下車庫。

地上建筑以30～33層為主，采用筏板基礎(chǔ)，筏板基礎(chǔ)厚度1.2～2.5m，強(qiáng)度等級(jí)為C35，抗?jié)B等級(jí)為級(jí)P6。本工程筏板基礎(chǔ)的底板為大體積混凝土構(gòu)件，施工時(shí)需采取有效的技術(shù)減少水熱化，并控制養(yǎng)護(hù)期間筏板各部位的溫差不超過規(guī)范規(guī)定，以避免混凝土溫縮應(yīng)力、干縮應(yīng)力產(chǎn)生裂縫給結(jié)構(gòu)的安全使用帶來不良影響。

2? 因溫差而產(chǎn)生裂縫的機(jī)理

大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫縮裂縫由表面裂縫和貫穿裂縫兩種類型構(gòu)成。

2.1 表面裂縫

當(dāng)大體積混凝土澆筑完成后，隨著水泥水化反應(yīng)釋放出大量熱量使混凝土溫度升高，因混凝土表面熱量能得到良好散發(fā)而溫度增高不多;但混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量散發(fā)困難，其溫度增長(zhǎng)相對(duì)混凝土表面要高出不少;造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)、外溫度不同，構(gòu)成了溫度梯度，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)中心部位出現(xiàn)壓應(yīng)力，而混凝土結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。如果混凝土極限抗拉強(qiáng)度小于此表面拉應(yīng)力時(shí)，表面混凝土被拉裂，即產(chǎn)生表面裂縫。即使表面裂縫不屬于結(jié)構(gòu)性裂縫，但當(dāng)后期混凝土收縮時(shí)，易在表面裂縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致裂縫得以進(jìn)一步發(fā)展，形成影響結(jié)構(gòu)正常安全使用的病害，故也需采取措施控制表面裂縫的生成。

2.2 貫穿裂縫

大體積混凝土達(dá)到一定齡期后，水泥基本全部完成水化反應(yīng)，水化熱釋放已近尾聲。混凝土結(jié)構(gòu)整體從較高溫度降溫至與外界常溫相近。降溫意味著體積收縮，同時(shí)疊加了混凝土中多余水分蒸發(fā)產(chǎn)生的干縮。因大體積混凝土結(jié)構(gòu)往往受到邊界條件的約束而不能自由收縮，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土極限抗拉強(qiáng)度不足抵抗此拉應(yīng)力時(shí)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)貫穿裂縫，此裂縫不僅貫通結(jié)構(gòu)的厚度方向，還通常在整個(gè)截面上切斷了結(jié)構(gòu)。使得結(jié)構(gòu)整體遭到破壞，嚴(yán)重破壞了結(jié)構(gòu)整體的防水性、安全性和耐久性。故需采取一切措施避免出現(xiàn)貫通裂縫。

3? 混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的分析

通常大體積混凝土內(nèi)部絕熱溫升很高，齡期3d時(shí)達(dá)到峰值，然后為降溫收縮，由于基礎(chǔ)及基底結(jié)構(gòu)等的約束，底板出現(xiàn)溫縮拉應(yīng)力，如果混凝土的極限抗拉強(qiáng)度小于此拉應(yīng)力時(shí)，則導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫。因此，本項(xiàng)目需對(duì)底板的溫縮應(yīng)力及干縮應(yīng)力進(jìn)行核算，以便明確在擬采用的材料、施工工藝及養(yǎng)護(hù)條件下，評(píng)估大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的可能性，從而根據(jù)分析、評(píng)估結(jié)論采取針對(duì)性的技術(shù)措施，確保大體積混凝土結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)有害裂縫。以下以本項(xiàng)目厚度最大（2.5m）筏板基礎(chǔ)為例說明分析及評(píng)估方法，以及為避免產(chǎn)生裂縫而采取的技術(shù)措施。

3.1 計(jì)算時(shí)的參數(shù)條件

本項(xiàng)目筏板基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度等級(jí)C35，抗?jié)B等級(jí)為P8。采用商品混凝土，根據(jù)商品混凝土生產(chǎn)企業(yè)提供的混凝土配合比采用P.O.42.5水泥，其發(fā)熱量為375kJ/kg，每立方混凝土的水泥使用量為356kg。

進(jìn)行此部分筏板基礎(chǔ)施工的時(shí)間為7月中至8月初，施工期間的外界環(huán)境最高溫度估計(jì)可超過35℃，但在正常施工條件下，入模的混凝土溫度控制不超過30℃。

3.2 混凝土溫度應(yīng)力分析

3.2.1 大體積混凝土的最大絕熱溫升計(jì)算

計(jì)算水化熱完全不散失的情況下，該混凝土內(nèi)部溫升值。此值計(jì)算式如下：

式中：Th—絕對(duì)隔熱時(shí)混凝土內(nèi)部最大溫升（℃）;mc—混凝土拌和料中水泥（含膨脹劑）摻量（kg/m3）;Q—所用水泥28d內(nèi)釋放的水化熱（kJ/kg），按375kJ/kg;c—混凝土構(gòu)件比熱容，按0.97[kJ/（kg·K）];ρ—混凝土構(gòu)件密度，按2400kg/m3;е—常數(shù)值，為2.718;t—混凝土澆注的齡期（d）;m—與澆筑時(shí)混凝土拌和料溫度有關(guān)的系數(shù)，本項(xiàng)目按30℃查表得m=0.406。

3.2.2 在當(dāng)前施工條件下混凝土中心計(jì)算溫度

因?qū)嶋H施工時(shí)，混凝土構(gòu)件的水化熱處于散發(fā)狀態(tài)，在當(dāng)前施工條件下，混凝土內(nèi)部溫升值按下式進(jìn)行計(jì)算：

T1（t）=Tj+Th·ξ（t）（2）

式中T1（t）—t齡期時(shí)構(gòu)件中心混凝土計(jì)算溫度（℃）;Tj—澆筑時(shí)混凝土拌和料溫度，取30℃;Th—絕對(duì)隔熱時(shí)混凝土內(nèi)部最大溫升;ξ（t）—t齡期降溫系數(shù)，按表1取值。

按式（2）計(jì)算得各齡期底板混凝土中心計(jì)算溫度，列于表2。

3.2.3 混凝土溫縮應(yīng)力

本工程地下室底板按外約束為二維時(shí)的溫縮應(yīng)力（包括干縮應(yīng)力）來進(jìn)行計(jì)算，不同齡期混凝土拉應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度及抗裂安全度計(jì)算結(jié)果見表3。

大體積混凝土防裂安全系數(shù)K為1.15，由表2可知，在底板齡期9d前，不能滿足抗裂要求，故需改變混凝土配比及施工方案，以降低底板內(nèi)部最大溫升值，以防止產(chǎn)生裂縫。

4? 采取的控制溫升的技術(shù)措施

能起到釜底抽薪作用的措施無疑是降低水泥水化熱，故以降低水泥水化熱為主要目標(biāo)，本項(xiàng)目采取的綜合技術(shù)措施如下。

4.1 改用低水化熱水泥

因水泥水化熱是大體積混凝土溫升的原因，采用水化熱低水泥從源頭上控制溫升。本項(xiàng)目改用礦渣42.5水泥，其發(fā)熱量為334kJ/kg，降低水化熱10.9%。

4.2 合理摻入外加劑

如果單純?cè)黾訂挝凰嘤昧恳詽M足混凝土泵送所需的坍落度。則水化熱增加，混凝土降溫收縮加劇，更是促進(jìn)了混凝土開裂。因此摻入適當(dāng)外加劑獲得混凝土的施工性能。

①減水劑：摻高效減水劑的混凝土可大幅減小水灰比，且能使混凝土拌合物中水泥顆粒分布更為均勻，明顯改善混凝土中的空、孔隙分布情況，本項(xiàng)目在混凝土中摻入木鈣減水劑（即木質(zhì)素磺酸鈣），摻入量為水泥重量0.25%。實(shí)踐證明，明顯改善了混凝土和易性，減少拌和用水約10%的同時(shí)也減少水泥用量約10%。

②膨脹劑：本項(xiàng)目還摻入了36kg/m3的UEA混凝土膨脹劑，其使混凝土硬化時(shí)產(chǎn)生微量體積膨脹，能夠?qū)炷恋臏乜s及干縮進(jìn)行部分或是全部補(bǔ)償，有效減少或避免混凝土產(chǎn)生裂縫。

③粉煤灰：在混凝土中摻入125kg/m3的Ⅰ級(jí)粉煤灰，其膠凝、減水作用不僅改善了混凝土和易性，也能替代部分水泥而降低水灰比，使溫度峰值顯著降低，并推遲溫度達(dá)到峰值時(shí)間，減少了溫縮應(yīng)力及干縮應(yīng)力。

4.3 嚴(yán)控粗細(xì)骨料質(zhì)量

粗骨料采用自然連續(xù)級(jí)配，其拌制的混凝土和易性較好，可降低拌合水及水泥的用量，并獲是較高的抗壓強(qiáng)度。確保級(jí)配良好的情況下盡可能選用大粒徑碎石，因使用大粒徑粗集料亦可降低拌合水及水泥的用量，泌水隨之減少。從而使水泥水化熱減小，最終降低了混凝土的溫升。

國(guó)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)粗細(xì)集料含泥量過多時(shí)，不僅會(huì)促進(jìn)混凝土的收縮，也導(dǎo)致混凝土抗拉強(qiáng)度的降低，對(duì)混凝土抗裂產(chǎn)生不利影響。本項(xiàng)目將粗集料的含泥量控制在1%以內(nèi)，細(xì)集料砂的含泥量控制在2%以內(nèi)。

4.4 施工技術(shù)措施

①為能降低混凝土的總溫升，減少混凝土內(nèi)外溫差，對(duì)混凝土拌和物出機(jī)溫度及澆筑溫度進(jìn)行控制是關(guān)鍵的措施。經(jīng)分析，碎石及拌和水對(duì)混凝土的出機(jī)溫度影響最大，然后是砂，水泥的影響較小。因此，采取了拌和水中加冰，砂石料設(shè)遮陽棚覆蓋等降溫技術(shù)措施。

②要求商品混凝土生產(chǎn)廠家改進(jìn)混凝土攪拌工藝，同時(shí)要求施工現(xiàn)場(chǎng)采用振搗新工藝。即采用“二次投料”、“二次振搗”的新工藝，以增加混凝土強(qiáng)度，提高抗裂性能。

③大體積混凝土盡量采用分層連續(xù)澆筑法，對(duì)于混凝土數(shù)量很大底板，澆筑能力不足時(shí)，采用了分段、分層，踏步式推進(jìn)的澆筑方法。

④在側(cè)模的上留置孔洞，將振搗混凝土?xí)r出現(xiàn)的泌水排出。

4.5 抗裂安全系數(shù)計(jì)算

經(jīng)采取上述技術(shù)措施后，水泥用量為283kg/m3，計(jì)算得混凝土中心最高溫度為53.9℃，不同齡期的抗裂安全系數(shù)均大于1.15。

5? 混凝土的保溫和養(yǎng)護(hù)

澆筑不久的混凝土抗拉強(qiáng)度低，一旦出現(xiàn)不利的溫濕度情況，在混凝土表面易發(fā)生溫縮和干縮裂縫。故需采取保溫措施，以減少混凝土中心與表面的溫差、混凝土表面溫度梯度，避免混凝土裂縫產(chǎn)生。采取表面覆蓋草簾等保溫材料進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。以保持表面混凝土溫度，并控制混凝土內(nèi)外溫差及混凝土降溫速率滿足規(guī)范要求。

按下式計(jì)算所需保溫層厚度：

式中：？啄—保溫層厚度（m）;λx—采用的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)W/（m·K），草簾按0.14W/（m·K）;T2—大體積構(gòu)件表面溫度（℃），T2=Tmax-25℃=53.9-25℃=28.9℃;Tq—養(yǎng)護(hù)期內(nèi)外界平均氣溫，取24℃;λ—混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，按2.33W/（m·K）;Tmax-計(jì)算所得的混凝土內(nèi)部最高溫度，53.9℃;Kb—傳熱系數(shù)的修正值，按2.0;h—底板厚度，2.5m。

由式（3）計(jì)算結(jié)果可知，草簾覆蓋厚度需大于29mm，故養(yǎng)護(hù)里先采用一層塑料膜進(jìn)行保濕，然再覆蓋2層草簾，草簾總厚度為52mm。能夠確保底板中心與表面的溫差不超過規(guī)范要求的25℃。

6? 混凝土溫度控制

測(cè)溫點(diǎn)分別為距底板頂面10cm、中間均布、距底面10cm（如圖1所示）;此外基坑上、保溫層還各設(shè)一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，以準(zhǔn)確、全面量測(cè)整個(gè)相關(guān)聯(lián)的各部位及外部環(huán)境溫度變化情況。

完成混凝土澆筑12h開始后開始測(cè)溫，前5d測(cè)溫頻率為1次/2h;5～10d時(shí)可延長(zhǎng)到1次/4h;10d后可延長(zhǎng)至1次/6h。當(dāng)混凝土表面溫度接近外界環(huán)境氣溫，且混凝土中心溫度與環(huán)境氣溫的溫差小于25℃時(shí)，可以停止測(cè)溫工作，并移除保溫層。

圖2為筏板中心處的表面、中部、底表溫度監(jiān)測(cè)所得的溫度—時(shí)間關(guān)系曲線圖，筏板中部在齡期80h時(shí)量測(cè)得51.9℃最高溫度，避免了在養(yǎng)護(hù)期間出現(xiàn)混凝土裂縫。由圖2可知，在溫度監(jiān)測(cè)期間，中部與表面、底面之間溫差也控制在規(guī)范要求的范圍內(nèi)?？梢姳卷?xiàng)目采取控溫綜合措施是科學(xué)有效的。

7? 結(jié)束語

保溫養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土溫控的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以確保降低大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差值，提高結(jié)構(gòu)承受溫縮應(yīng)力時(shí)的抗裂能力，達(dá)到防止或控制溫縮裂縫的目的。溫控時(shí)也要監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)的降溫速率，并對(duì)溫測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)處理和分析，從而根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整保溫養(yǎng)護(hù)措施以滿足溫控目標(biāo)的要求。

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