大体积混凝土温度裂缝的成因及控制技术
【关键词】大体积混凝土施工；裂缝；温度控制；施工技术措施
一.前言
由于大体积混凝土体积大，表面小，水泥水化热释放比较集中，内部温升较快，当混凝土内外温差较大时，导致混凝土产生温度裂缝，严重影响结构安全和建筑物正常使用，因此必须从根本上掌握大体积混凝土温度裂缝的产生及控制，确保工程质量。
二.大体积混凝土裂缝产生分析
国际上对大体积混凝土定义的标准：指实体截面最小尺寸≥1m的混凝土构件。它的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温度上升较快。当混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝。
大体积混凝土工程，水泥用量多，结构截面大，因此，混凝土浇注后，水泥放出大量水化热，混凝土温度升高。由于混凝土导热不良，体积过大，相对散热较小。因此，混凝土内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快，根据热胀冷缩的原理，结构自身约束由伴随温度变化引起的建筑物体积变化产生应力，一但拉伸应力＞混凝土抗拉强度则产生裂缝。
因此控制大体积混凝土开裂必须着重考虑两个因素。一）提高混凝土的抗拉强度，保证其能克服各种因素引起的开裂应力：二）控制温度应力＜混凝土的抗拉强度。
三、裂缝控制手段
要控制混凝土裂缝的产生必须从原材料、结构设计、施工组织安排三个方面着手。
3.1原材料的控制。
3.1.1水泥：在选择水泥时，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。
3.1.2在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。石子级配：大体积混凝土宜采用连续级配。
3.1.3砂除满足骨料规范要求外，应适当放宽石粉或细粉含量，有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密实性、耐久性和抗裂性。
3.1.4掺合料和外加剂：
3.1.4.1粉煤灰只要细度与水泥颗粒相当，烧失量小，含硫量和含碱量低，需水量比小，均可掺用在混凝土中使用。
3.1.4.2高效减水剂和引气剂复合使用对减少混凝土单位用水量和胶凝材料用量，提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用。
3.1.5水：水源对大体积混凝土的影响主要是在搅拌温度控制上。
3.2混凝土配合比控制
混凝土配合比设计时，应尽可能的降低混凝土的单位用水量，采用低砂率、低坍落度、低水灰比，掺高效减水剂和高性能引气剂，高粉煤灰掺量的设计准则，生产出高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉的抗裂混凝土。
3.3设计控制
3.3.1采用合理的平面和立面设计，避免截面突变，从而减小约束应力；
3.3.2合理布置分布钢筋，尽量采用小直径，密间距。全截面配筋率不小于0.3%，应在0.3%~0.5%之间。
3.3.3避免采用高强混凝土，尽可能选用中、低强度的混凝土。
3.4施工控制
3.4.1供料：在浇筑前，搅拌站配备足够的原料，特别是水泥确保同一厂家，同一批次，符合同一混凝土配比的水泥。
3.4.2运料：为使混凝土的运输不至于影响混凝土的浇筑，行车路线必须要要提前考察。
3.4.3浇筑：根据混凝土浇筑量、构件形式、混凝土浇筑方式等进行确认。分层浇筑可以增大散热面积，保证施工质量。
3.4.4振捣：实行快插慢拔、分层振捣的振捣方法。
3.4.5养护：混凝土浇筑后，及时进行养护，以通过降低内外温度差和减慢降温速度来达到降低块体自约束应力和提高混凝土抗拉强度。
3.4.6监测：混凝土浇筑前，在混凝土内部布设传感器或设置温度测量孔，使内外温度直接显示出来，方便将内外温差控制在25℃以内。3.4.7内部降温：在混凝土内部敷设循环冷却水管以降低混凝土内部温度。
3.4.8蓄热养护：混凝土浇筑完成后，可以采用草帘被或水进行蓄热，以限制混凝土表面的温度散发过快造成温度裂缝，使内外温差控制在25℃以内。
3.4.9浇筑温度：大体积混凝土浇筑宜避开炎热的夏季，这样可有利于减小温差，进而减小温度应力。
四、混凝土裂缝控制设计实例
工程实例:××厂易地技术改造项目中烟1#桥墩直径为1.6m，混凝土及其原材料各种原始数据及参数为：C30混凝土采用P.S42.5矿渣硅酸盐水泥,其配合比为（单位kg）=水158：水泥297：砂717：石子1254：粉煤灰67(每立方米混凝土质量比),砂、石含水率分别为Ps2%、Pg1%,混凝土容重为2480kg/m3。各种材料的温度及环境气温：水Tw22℃，砂、石子Tc、Ts21℃，水泥Tg26℃、粉煤灰Tf23℃，环境气温TQ21℃。
4.1混凝土温度计算
4.1.1拌和温度计算:
公式T0=∑TimiCi/∑miCi可转换为:T0=[0.9(mcTc+msTs+mgTg+mfTf)+4.2Tw(mw-Psms-Pgmg)+C1(PsmsTs+PgmgTg)-C2(Psms+Pgmg)]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf)]
式中:T0为拌和温度;
mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰单位用量(kg);
C1、C2—水的比热容(KJ/Kg•K)及溶解热(KJ/Kg)。
当骨料温度>0℃时,C1=4.2,C2=0;
当骨料温度＜0℃时C1=2.1,C2=335。
本实例中拌和温度为:T0=22.14℃。
4.1.2出机温度计算:
按公式T1=T0-0.16(T0-Ti)式中:T1—出机温度(℃);Ti—搅拌棚内温度(℃)。本例中,T1=22.6℃。
4.1.3混凝土浇筑温度计算:
按公式TJ=T1-(α•τn+0.032n)•(T1-TQ)式中:TJ—浇筑温度(℃);τn—开始运输至浇筑完成时间(h);n—混凝土运转次数。α—温度损失系数(/h)本例中,若τn取1/3,n取1,α取0.25,则:
TJ=22.42℃＜30℃
4.1.4绝热温升计算
Th=W0•Q0/(C•ρ)
式中:W0—每立方米混凝土中的水泥用量(kg/m3);Q0—每公斤水泥的累积最终热量(KJ/kg);C—混凝土的比热容取0.97(KJ/kg•k);ρ—混凝土的质量密度(kg/m3)
Th=41.1℃
4.1.5内部实际温度计算
Tm=TJ+ξ•Th
式中:Th—混凝土最终绝热温升;ξ—温降系数查建筑施工手册,若混凝土浇筑厚度3.4m。则:ξ3取0.704,ξ7取0.685,ξ14取0.527,ξ21取0.328。
本例中:Tm(3)=51.35℃;
Tm(7)=50.57℃;
Tm(14)=44.08℃;
Tm(21)=36.23℃。
4.1.6表面温度计算
Tb(τ)=Tq+4h’(H-h’)ΔT(τ)/H2式中:Tb(τ)—龄期τ时混凝土表面温度(℃);Tq—龄期τ时的大气温度(℃);H—混凝土结构的计算厚度(m)。按公式H=h+2h’计算,h—混凝土结构的实际厚度(m);h’—混凝土结构的虚厚度(m):h’=K•λ/βK—计算折减系统取0.666,λ—混凝土导热系数取2.33W/m•K。β—模板及保温层传热系数(W/m2•K):β值按公式β=1/(∑δi/λi+1/βg)计算,δi—模板及各种保温材料厚度(m);λi—模板及各种保温材料的导热系数(W/m•K);βg—空气层传热系数可取23W/m2•K。ΔT(τ)—龄期τ时,混凝土中心温度与外界气温之差(℃):
ΔT(τ)=Tm(τ)-Tq,
若保护层厚度取0.04m,混凝土灌注高度为7m,则:
β=1/(0.003/58+0.04/0.06+1/23)=1.41
h’=K•λ/β=0.666×2.33/1.41=1.1
H=h+2h’=9.2(m)
若Tq取21℃,则:
ΔT(3)=30.35℃
ΔT(7)=29.57℃
ΔT(14)=23.08℃
ΔT(21)=15.23℃
则:Tb(3)=33.78℃
Tb(7)=33.45℃
Tb(14)=30.72℃
Tb(21)=27.41℃
4.1.7内部与表面温差计算
ΔT(τ)s=Tm(τ)-Tb(τ)
本工程实例中:
ΔT(3)s=17.57(℃)
ΔT(7)s=17.12(℃)
ΔT(14)s=13.36(℃)
ΔT(21)s=8.82(℃)
4.2大体积混凝土施工技术措施
4.2.1原材料预控。
4.2.1.1水泥必须有产品合格证、出厂检验报告和进场复验报告。混凝土使用的水泥强度等级不应低于42.5MPa；同时由于设计对耐久性的要求：砼最小水泥用量为275Kg/m3。选用高标号普通硅酸盐水泥（P.O42.5）。
4.2.1.2粉煤灰的级别不应低于二级，质量应符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596-2005等的规定。掺量≤20％。加入缓凝型复合高效减水剂，延长水化热释放时间，降低水泥用量。添加UEA建设部认可的砼膨胀剂，并应由生产厂家做技术质量保证和施工指导。
4.2.1.3石子优先选用抗压强度高的粗骨料，粒径5-40mm，符合国家现行标准《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》（JGJ53）的规定，石子含泥量＜1%。
4.2.1.4砂宜采用中粗砂，其它要求应符合国家现行标准《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》（JGJ52）的规定。
4.2.1.5使用饮用水拌制混凝土，并符合国家现行标准《混凝土拌合用水》（JGJ63）的规定标准。
4.2.2浇筑和振捣要求。
每一段内混凝土连续浇筑，并在下层混凝土初凝前将上层混凝土浇筑完毕。
浇筑混凝土时设专人看模，经常观察模板、支架、钢筋、预埋件、预留孔洞、钢筋保护层的情况，当发生变形移位时立即停止浇筑，并在已浇筑的混凝土初凝前修整完好。
使用30或50棒插入式振捣棒要快插慢拔，插点呈梅花形布置，按顺序进行，不得遗漏。移动间距不大于振捣棒作用半径的1.5倍，振捣时间以混凝土表面出现浮浆及不出现气泡、下沉为宜，实行快插慢拔、分层振捣的振捣方法。振捣上一层时插入下一层混凝土5cm以消除两层间的接缝。
4.2.3浇筑。
混凝土浇筑采用分层分段浇注施工。混凝土初凝时间不小于8h（在商品混凝土供应合同中明确），在下层混凝土初凝前1h内必须将上层混凝土浇筑完毕。
浇注产生的泌水容易使混凝土表面水泥砂浆层过厚，致使混凝土强度不均产生收缩裂缝；浇筑过程及时处理掉。
及时将输送到模板内的混凝土振捣密实，不得漏振、过振。
4.2.3温度测试。
加强测温和温度监测与管理，随时控制内外温差在25℃以内，及时调整保温和养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不致过大。
根据混凝土温度应力和收缩应力的分析，采用电子测温仪测控温度，具体做法是预埋测温探头进行测温，测温探头的位置应具有代表性，同时根据温度对称分布的特点，按浇筑高度，分布在底、中、表面，按平面尺寸分边缘和中间两种，对桥墩布点测温，控制指标如下：底部温差和混凝土中心温差均控制在20℃以内
混凝土内外温差不大于25℃；
降温速度不大于1.5～2℃／d；
控制混凝土出罐和入模温度；
4.2.4混凝土养护。
混凝土浇筑后，及时进行养护。
混凝土养护采用一层塑料布上加两层草帘子，在现场另准备一层塑料布和一层草帘子，据测温记录确定是否需盖草帘子，依据现场测温结果，必要时采取蓄水方式进行保温养护。
在浇筑完毕12h内，开始进行养护，当日平均大气温度超过+5℃时，采取浇水或保温养护，低于+5℃时不得浇水。养护期限根据混凝土测温记录确定。
5.结束语
大体积混凝土施工质量的好坏，最重要的准备工作，从设计、原材料、搅拌、运输、浇筑、振捣、养护、测温等过程进行预控制，提前进行混凝土配比的确定、浇筑前热功计算、编制合理的实施计划以及浇筑后裂缝控制计算、保温材料的选择及厚度计算。因而，在大体积混凝土的施工过程中，大体积混凝土施工方案的成功与否，将直接影响大体积混凝土施工质量。