大體積混凝土溫度場及裂縫控制研究

李澤宇 代禮平

中建二局第一建筑工程有限公司 北京 100000

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)會標準（JAS－SA）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)物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計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)一量化標準。但是，基本都從溫度變化和收縮裂縫方面進行了定義和闡述，強調(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[1]。

2 強化大體積混凝土施工管理的必要性分析

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，傳統(tǒng)的多、高層建筑已無法滿足人們生活、辦公的需要，超高層建筑得到越來越廣泛的應(yīng)用。超高層建筑的地下室底板較厚、體積較大，通常采用大體積混凝土施工技術(shù)完成地下室底板的澆筑。然而，大體積混凝土對比普通體量的混凝土結(jié)構(gòu)斷面尺寸更大，導(dǎo)熱性能更差，聚集在混凝土內(nèi)部的熱量更不容易散發(fā)；混凝土表面散熱較快，內(nèi)部散熱慢，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部和表層溫差越來越大，進而導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)產(chǎn)生不均勻的溫度變形和溫度應(yīng)力，當其溫度拉應(yīng)力超過極限抗拉強度時，混凝土就會產(chǎn)生裂縫。因此，如何有效降低大體積混凝土的水化熱，避免其因升溫、降溫產(chǎn)生裂縫，從而保證大體積混凝土的施工質(zhì)量是大體積混凝土施工技術(shù)的重點和難點。為避免大體積混凝土由于溫差導(dǎo)致的裂縫，以實際過程為例，分析了大體積混凝土產(chǎn)生溫差的原因，并根據(jù)原因提出了大體積混凝土裂縫控制措施，以此為相似工程提供借鑒。

3 溫度裂縫成因

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)部降溫速度遠遠低于表層，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]。最后，混凝土兩面的溫度也是不同的，一般來說，靠建筑內(nèi)部較近的混凝土的熱量不容易釋放，而外側(cè)的則較容易，因此內(nèi)側(cè)可能會出現(xiàn)持續(xù)膨脹的情況，最終導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

4 大體積混凝土溫度控制方法

4.1 合理控制原材料、優(yōu)化配合比

混凝土配合比設(shè)計的原則是在保證混凝土抗壓強度滿足要求的前提下，盡量提高其抗拉性能?；炷恋脑牧吓c配合比要經(jīng)試驗室試配，檢查合格后方可采用。為降低混凝土水熱化，對混凝土配合比進行優(yōu)化時，需要在保證混凝土強度等級的基礎(chǔ)上，盡可能減少水泥用量。為了使混凝土具有較大的抗裂能力，在施工之前，由項目部牽頭組織拌和站，對混凝土的原材料以及配合比方面進行控制。合理選擇原材料及優(yōu)化配合比，使混凝土絕熱溫升減小，提升抗拉強度及極限拉伸變形能力，減小混凝土熱強比及膨脹系數(shù)。第一，水泥的品種與用量是影響混凝土力學(xué)性能與混凝土溫度變形的重要因素。在選擇水泥時，應(yīng)從水泥的標號、熟料的礦物組成、細度等方面進行綜合考慮。考慮到現(xiàn)場工期、地理位置及氣候條件影響，為提升混凝土抗裂性能及強度，采用低熱礦渣水泥、較高標號中熱硅酸鹽水泥，并摻入一定的粉煤灰，以增強耐磨性及抗蝕性。第二，在混凝土內(nèi)摻入一定數(shù)量的粉煤灰，以改善混凝土的黏塑性，降低混凝土水化熱。粉煤灰摻到混凝土中后，能降低水化熱，減少干收縮，改善新拌混凝土的和易性。但考慮到其早期強度較低，項目最終決定選用性能良好、各項指標符合國家標準、CaO含量不超過10%的二級粉煤灰。第三，考慮到現(xiàn)場工期及惡劣天氣的影響，在與拌和站協(xié)商后，決定使用外加劑來增強混凝土的早期抗裂性能，例如，減水劑、引氣劑、膨脹劑及早強劑等。①減水劑是最常用、最重要的外加劑，具有減水增塑的作用，能夠在保持混凝土坍落度及強度不變的前提下，減少水的用量、水泥用量，并降低混凝土的絕熱升溫。②引氣劑的作用是通過在混凝土中產(chǎn)生大量微小氣泡的原理來提高混凝土的抗凍融耐久性，主要用于極寒天氣。③在混凝土中添加膨脹劑，膨脹劑會與混凝土中的氫氧化鈣發(fā)生反應(yīng)，生成鈣礬石結(jié)晶顆粒，使混凝土產(chǎn)生適度膨脹，在內(nèi)外約束條件下產(chǎn)生一定的內(nèi)壓應(yīng)力，與收縮產(chǎn)生的應(yīng)力相互抵消，建立混凝土內(nèi)部平衡。④混凝土早強劑是指能提高混凝土早期強度，并且對后期強度無顯著影響的外加劑。早強劑的主要作用在于能加速水泥水化的速度，促進混凝土早期強度的發(fā)展，既具有早強功能，又具有一定減水增強功能。第四，優(yōu)化配合比設(shè)計，嚴格控制砂石骨料的含泥量。選擇粗骨料時，從粗骨料的品種、級配、顆粒形狀和大小等方面綜合考慮，層層篩選，最終選取5～40mm連續(xù)級配花崗巖碎石粗骨料；選擇細骨料時，從細骨料的平均粒徑、顆粒級配與砂率等進行綜合考慮，并最終選用石英含量高，顆粒形狀渾圓、潔凈，具有平滑篩分線，平均粒徑為3.8mm，含泥量小于1.5%、泥塊含量小于0.5%的中粗砂[3]。

4.2 運輸過程控制

運輸過程中宜采取以下措施：①高溫天氣，為混凝土運輸車設(shè)置隔熱遮陽布，有效降低運輸過程中的混凝土溫度回升；②混凝土運輸、澆筑器具，如混凝土泵、振搗棒等提前澆水冷卻或采取遮陽措施；③合理安排澆筑倉位，盡量縮短混凝土的運輸時間；④合理組織施工，混凝土運輸至現(xiàn)場盡快入倉，混凝土入倉后及時進行平倉振搗，加快覆蓋速度，盡量縮短混凝土的暴露時間。

4.3 澆筑過程控制

澆筑過程中，應(yīng)注意以下要點：①混凝土澆筑盡量避開白天高溫時段施工；②混凝土入模溫度宜控制在25℃以下；③混凝土分層澆筑時，嚴格按照設(shè)計要求執(zhí)行，不得任意改動混凝土澆筑層厚。底板混凝土澆筑鋪料方法采用臺階法鋪料，臺階寬1.6m，高30cm，臺階法鋪料從澆筑塊體短邊一端向另一端鋪料，采用邊前進、邊加高的方法，逐步向前推進并形成明顯的臺階，直至把整個倉位澆筑至收倉高程。在這過程中，由于混凝土泵所在位置較低并朝向相反方向進行平行澆筑作業(yè)。當下層混凝土出現(xiàn)凝固狀態(tài)時便可對上層進行混凝土澆筑作業(yè)，這種澆筑方式有利于減少出現(xiàn)裂縫問題，從而保障混凝土澆筑質(zhì)量較好。在實際混凝土澆筑施工中，需要保證混凝土自吊斗距澆筑區(qū)域距離小于2m，如果現(xiàn)場空間條件有限，存在澆筑高度過高的情況，則可以利用溜管、串桶進行輔助澆筑。然后，根據(jù)鋼筋疏密程度及混凝土結(jié)構(gòu)特征，對澆筑層厚度進行合理控制。

4.4 混凝土振搗

在進行混凝土振搗施工的過程中，應(yīng)采用自上而下的振搗作業(yè)方式。盡最大可能保障插入和拔出的速度一致，再根據(jù)插拔速度和位置來明確插拔區(qū)間。通常情況下，采用并列插入方式和交錯插入方式，施工人員可根據(jù)具體實際情況選擇相應(yīng)的插入方式。這類方式有助于降低混凝土當中出現(xiàn)氣泡保障混凝土質(zhì)量。施工人員在施工設(shè)計階段就要分析出混凝土澆筑和振搗施工的需求量。根據(jù)需求量的大小對使用泵設(shè)備進行合理配置，從而保障混凝土施工質(zhì)量全面提升。為了保障混凝土在出料的過程中振搗施工起到相應(yīng)作用，提升振搗密實度，便可在每個混凝土出料口位置設(shè)置多個振搗棒。在澆筑施工的第一階段，施工人員可以將振搗棒，放置在出料口位置，從而讓混凝土出料快速并自然形成流淌坡狀態(tài)。在第2階段過程中，便會形成多角狀態(tài)，要在混凝土下部進行施工。在第3階段過程中，施工人員便要將振搗棒放在中間傾斜位置，從而讓振搗作業(yè)滿足澆筑過程中的技術(shù)需求。

4.5 混凝土養(yǎng)護控制

混凝土初凝與完成凝結(jié)之間存在著較長的時間間隔，如果不能夠科學(xué)養(yǎng)護，將會降低混凝土質(zhì)量，甚至還需要返工處理。在混凝土養(yǎng)護過程中，首先要對混凝土施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問題進行修復(fù)，如振搗環(huán)節(jié)內(nèi)沒有及時消滅氣泡，或泌水率與規(guī)范標準不相適應(yīng)等。模板拆除掉后，作業(yè)人員要對混凝土仔細檢查，保證混凝土質(zhì)量與標準所符合。如有問題出現(xiàn)，則需結(jié)合實際情況，采取針對性的修整修復(fù)措施。如有開裂問題出現(xiàn)于混凝土部分位置，作業(yè)人員可在開裂位置粘貼纖維布，對開裂部位進行填充和修復(fù)。其次，作業(yè)人員要將現(xiàn)場環(huán)境條件納入考慮范圍，采取澆水、覆蓋、涂抹養(yǎng)護劑等養(yǎng)護措施，養(yǎng)護工作要在拆除模板后的12個小時內(nèi)進行。如果于冬季開展混凝土施工活動，更是要養(yǎng)護管理混凝土。若環(huán)境溫度在-10攝氏度以下，需將暖棚法運用過來，科學(xué)處理25mm以上直徑的鋼筋。且對混凝土灌注溫度嚴格控制，盡量不要低于5攝氏度。細薄截面灌注時，則要保持10攝氏度以上的溫度。施工過程中，要分層持續(xù)開展混凝土灌注工作，按照20mm以上標準控制混凝土厚度。

4.6 溫度監(jiān)測控制

通過溫度監(jiān)測，掌握天氣變化規(guī)律、原材料溫度情況、混凝土出機口溫度、混凝土澆筑溫度、澆筑塊內(nèi)部溫度變化等，并分析隨時調(diào)整溫度控制措施。①施工現(xiàn)場值班室設(shè)置水銀溫度計進行日常氣溫觀測，并隨時做好記錄。②項目部質(zhì)檢部、試驗室在混凝土澆筑前采用溫度計及時對混凝土原材料及混凝土出機口溫度進行溫度監(jiān)測，并做好記錄，依此調(diào)整溫控措施。③混凝土澆筑每4h檢測一次出機口溫度，入模溫度測量，每臺班不應(yīng)少于2次。④對于敷設(shè)冷卻水管的底板，測試澆筑體里表溫差、降溫速率及環(huán)境溫度，每晝夜不應(yīng)少于4次。⑤大體積混凝土澆筑體內(nèi)溫度檢測點布置采用埋設(shè)測溫線，通過電子測溫儀進行測量，具體布置方式如下：如，每100m2倉面面積不少于1個測點，沿混凝土澆筑體厚度方向按表層、底層和中心溫度測點進行布置，共3個點，則底板共布置15個測溫監(jiān)測點。其次，混凝土澆筑體表層溫度測點宜埋設(shè)在冷卻水管與混凝土上表面1/2處；再次，混凝土澆筑體底層溫度宜在混凝土澆筑體底面以上與冷卻水管距離1/2處；最后，混凝土澆筑體中心溫度測點宜在混凝土澆筑體中心冷卻水管左側(cè)10cm處[5]。

5 結(jié)束語

綜上所述，大體積混凝土的溫度控制是裂縫控制的關(guān)鍵一環(huán)，通過對具體大體積混凝土工程實例澆筑后溫度變化情況的研究，確定了大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑后極易產(chǎn)生裂縫的原因，并據(jù)此提出了可行的裂縫控制措施。①結(jié)合《大體積混凝土施工標準》與對實際工程實例的研究，造成大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因，一是混凝土內(nèi)外溫差超過25℃；二是溫度下降速率超過2℃/d。②在混凝土澆筑前期、混凝土澆筑過程以及混凝土澆筑完成后可以通過降低水化熱的產(chǎn)生、加速水化熱的彌散以及做好混凝土的養(yǎng)護等措施，以降低水化熱對大體積混凝土的影響，從而達到裂縫控制的目的。