大体积混凝土温度裂缝控制技术研究

(1.中冶东方工程技术有限公司；2.包头市诚信达监理公司，内蒙古  包头    014010)
摘 要：文章 分析了大体积混凝土结构温度裂缝产生的主要原因，并从结构设计 、混凝土制备、施工等各个环节提出了预防大体积混凝土温度裂缝的相应技术措施 ，以达到控制混凝土温度裂缝的目的。
关键词：大体积混凝土；温度裂缝；控制技术
中图分类号：TU755.7  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2010)02—0112—02

随着社会经济的迅猛发展，大体积混凝土结构在现代工程建设中已广泛应用，工业建筑中的 大型设备基础，大型构筑物的基础，高层、超高层和特殊功能建筑的箱型基础，有较高承载 力的桩基厚大承台、设备基础等都是体积较大的钢筋混凝土结构。

大体积混凝土在连续浇筑和硬化过程中，水泥水化反应产生大量水化热，由于混凝土截面尺 寸大，热阻很大，内部水化热量聚集不易散发，水化升温高，而表面散热较快，混凝土内部 和表面形成较大温差。混凝土内部和表面温差变化加上外部环境因素、拆模及荷载等的影响 ，导致不均匀的温度变形和温度应力，一旦拉应力超过混凝土即时抗拉强度，就会在混凝土 表面或内部产生裂缝。混凝土裂缝的发生与发展，不仅影响工程外观，还会加速混凝土碳化 ，影响结构的抗冻性能、抗渗性能，导致水分及有害物质渗入，诱发钢筋锈蚀或加速混凝土 的自然老化，从而损害工程结构的承载能力、使用功能和耐久性，甚至于成为结构破坏的前 兆，直接影响工程效益的发挥。所以，必须采取各种措施预防或减少混凝土结构裂缝的产生 。

大体积混凝土裂缝控制的技术难点是如何控制混凝土的放热量和内部混凝土的温升？如何减 小混凝土内外温差？如何提高混凝土的抗裂性能？如何减小混凝土的变形约束？这些问题 的研究解决长期以来一直受到国内外工程研究人员的关注。
1 大体积混凝土的概念 

所谓大体积混凝土，是指体积很大的现场浇筑混凝土，其尺度大到必须采取措施以对付水泥 水化放出的热量及伴随发生的体积变化，尽量减少温度裂缝。在JGJ55-2000《普通混凝土配 合比设计规程》中定义为：“混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于lm，或预计会因水泥水 化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。” 

国内外，一般用厚度0.8m～1.0m或水化热温度状况定义。一些混凝土现浇整体式结构，虽然 它的实体最小尺寸小于1.0m，不能称作是“大体积混凝土”，但都具有大体积混凝土的性质 ，具有较高温度收缩应力，一不小心就开裂，这是从事混凝土工程设计、施工、材料及质量 监督工作的一个新的基本概念。美国混凝土协会（ACI）大体积混凝土委员会给出的大体积 混凝土的定义：任意体量的混凝土，其尺寸足以要求必须采取措施，控制由于体积变形 (温 度及收缩作用)引起的裂缝者称为“大体积混凝土”。
2 大体积混凝土结构温度裂缝产生的主要原因
2.1 水泥水化热造成温度升高的影响

水泥的水化反应是一个放热反应，对于普通混凝土来说，由于结构尺寸不大，水泥水化过程 释放的热量可以很快地扩散到表面，并散发出去，因而不会对混凝土结构造成不良影响。但 是，大体积混凝土结构中，由于结构截面大，一次浇注量大，施工时间长，水泥用量多，水 泥水化所释放的水化热难以散发，在内部蓄积起来，引起结构内部温度升高，混凝土“内热 外冷”，形成较大的内外温差，会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成较为复杂的膨 胀或收缩应力，致使混凝土开裂。温度收缩应力是导致大体积混凝土产生裂缝的主要原因。 

水泥水化热造成的升高温度Th受到以下因素影响：

T_h ＝（m_c＋k·F）Q/c·ρ

T_h＝m_c·Q/c·ρ（1－e^-mt） 

式中：T_h——混凝土最大绝热温升（℃）；

m_c——混凝土中水泥（包括膨胀剂）用量（kg/m³）；

F——混凝土活性掺合料用量（kg/m³）；

k——掺合料折减系数。粉煤灰取0.25～0.30；

Q——水泥28d水化热（kJ/kg）；

c——混凝土比热，取0.97［kJ/（kg·K）］；

ρ——混凝土密度，取2 400（kg/m³）；

e——为常数，取2.718；

t——混凝土的龄期（d）；

m——系数，随浇筑温度改变。

通过上述关系式可以看出：在混凝土比热、密度一定时，混凝土水化升温主要取决于水泥用 量、水泥品种、水泥水化热及混凝土的龄期等，而水泥水化热是混凝土内部温升的主要因 素。同时也说明，混凝土用量越大，需要的水泥用量越多，所释放的热量就越多，混凝土内 部温升就越大，单位体积混凝土内，水泥含量越高，内部温升就越大。
2.2 约束情况的影响

大体积混凝土所受到的约束条件可分内约束和外约束两种。内约束是指较大整体结构中，由 于内部不均匀的温度及收缩分布而产生的相互约束；外约束是指混凝土结构的边界条件如支 座、基岩等外界因素对结构变形的约束。大体积混凝土由于温度变化产生变形，混凝土硬化 后的干缩等各种变形受到约束便产生应力，所产生的应力超过允许值便可能产生裂缝。
2.3 养护情况、外界温度的影响

外界温度越高，水泥的水化反应速度就越快，也就是水泥的水化放热越集中，从而使内部温 升越快、越高。规范要求，大体积混凝土表面温度与中心温度之差应小于25℃。实践经验表 明，如果外界温度较高，混凝土入模温度高造成水泥水化放热集中，混凝土中心温度可能达 到80℃，如果混凝土表面保温养护措施不到位，很难保证在一定时间内表面温度达到55℃以 上；而在冬季，外界气温极低，即使对混凝土结构采取一些保温措施，也很难保证有较高的 表面温度。这都会导致混凝土内外温差过大，引起收缩应力超过混凝土极限拉伸值，出现裂 缝。
2.4 大体积混凝土结构温度裂缝的种类

大体积混凝土结构温度裂缝有表面裂缝和贯通裂缝两种。
2.4.1 表面裂缝：混凝土浇筑后，水泥水化热较大，使混凝土温度上升。由于混凝土表 面和内部的 散热条件不同，聚集在混凝土内部的水泥水化热不易散发时，混凝土内部温度将明显升高， 而混凝土表面通常散热较快。温度外低内高，形成了温度梯度，使混凝土内部产生压应力， 表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，其变形量超过混凝土的极限拉伸值（ 如图1所示），混凝土表面就会产生表面裂缝。此外，当混凝土的坍落度较大时，混凝土表 面水分蒸发引起的体积收缩也会使混凝土产生表面裂缝。
2.4.2 贯通裂缝：大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差 引起的变形 加上混凝土失水引起的体积收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时，混凝土结构 内部产生较大的收缩应力（拉应力），当引起的拉应力超过混凝土抗拉强度，其变形量超过 混凝土的极限拉伸值时，可能产生的贯通整个截面的裂缝，或称为结构性裂缝。给工程带来 极大危害，直接影响结构的安全性能和抗渗性能。
随着混凝土长度和厚度的增加，以及混凝土内外温差变化的增加，温度变化引起混凝土的收 缩变形量加大。混凝土长度在一定范围内，随着厚度的增加，其内外温差加大，由此引起的 温差变形量也越大，出现温差裂缝的危险性也就越大。
3 大体积混凝土工程中的防裂技术措施

大体积混凝土施工防裂是一项综合性的系统工程，不仅需要结构上科学的设计、混凝土材料 方面科学的制备、现场科学的施工，而且需要设计、材料制备及施工三个方面密切的配合以 寻求最佳的综合效果。
3.1 从设计方面可采取的技术措施
3.1.1 温度应力随浇筑块长度的增加而增大，浇筑块越长，所能允许的温差越小，也就是 说 ，对温度控制的要求越高。当温度控制较困难的时候，减小浇筑块长度是一个减小温度应力 可行的办法。可以通过适当的分层分块，合理设置施工缝和后浇带的方法减小浇筑块长度， 以减小温度应力。
3.1.2 为了减少因混凝土收缩时受地基、支座阻力约束而在混凝土中产生拉压力，可以在 基础垫层和混凝土基础之间设置沥青油毡或其他材料作为滑移层，以减少大体积混凝土的外 部约束，可减小开裂的可能性。
3.1.3 科学地选择配筋形式。在配筋率相同的情况下，从抗裂性能考虑，采取细筋密排更 有利于应力传递，更有效地避免宽而深的裂缝；从施工角度考虑，粗筋疏布更有利于混凝土 的浇筑。通常规定，混凝土中集料的最大粒径不大于钢筋最小间距的1/3。当钢筋布置较密 时，混凝土必须采用较小的集料。大体积混凝土的一个突出问题是混凝土的放热量。对于相 同的配合比，集料粒径减小必然导致胶凝材料用量增加。而胶凝材料用量增加所带来的后果 是混凝土放热量的增加。这对控制混凝土水化热温升是极为不利的。对于大体积混凝土应注 意综合平衡这一对矛盾，科学地选择配筋形式。既要考虑结构各部位的受力特征，又要考虑 施工。在不影响结构受力状况的前提下尽量疏布钢筋，为混凝土配合比的优化提供更广泛的 可能性。在结构应力集中容易开裂的部位，配置钢筋网片或斜向钢筋，并适当增加防裂钢 筋，可显著提高混凝土的抗裂性能。
3.1.4 尽可能地采用较晚龄期的强度。掺入矿物外加剂是降低混凝土放热量的一个重要的 技术途径，但也会影响混凝土的早期强度。采用较晚龄期的强度则有利于矿物外加剂的使用 ，这不仅可以有效地控制混凝土的放热量，也有利于矿物外加剂潜能的发挥。对于大体积混 凝土来说，以较晚龄期的强度作为混凝土强度等级的评定标准既是必要的，也是可行的。这 在控制混凝土的水化热温升，减少混凝土的温度开裂中可以发挥相当大的作用。
3.2 从混凝土的制备方面可采取的技术措施
3.2.1 尽可能地减少混凝土的用水量以减少胶凝材料用量，选用低水化热水泥品种。在一 定的水胶比下，减少混凝土用水量可以减少混凝土中胶凝材料的用量，从而减少混凝土的放 热量。选用低水化热水泥品种，在相同的胶凝材料用量情况下，可以减少混凝土的放热量。 
3.2.2 可掺用复合型外加剂及粉煤灰等，以减少水泥用量，大幅度地减少混凝土的放热量 ，同时改善混凝土和易性及可靠性，延长缓凝时间。在混凝土中掺缓凝型减水剂，能保持混 凝土工作性能不变而显著降低水灰比、改善和易性，并能减少10%～20%的水泥用量，降低水 化热量、减缓水化速度，推迟初凝时间可放缓浇筑速度，以利于散热、减少温升。在混凝土 中增加粉煤灰掺量，可减少水泥用量，降低水化放热量，还可使混凝土具有较好的和易性、 抗渗性，减少沁水现象发生，有利于混凝土的表面处理，对混凝土的后期强度有较大贡献。 在混凝土中掺入膨胀剂，可以用混凝土的自生膨胀来补偿部分或全部降温过程所产生的收缩 ，使结构不裂或控制在无害裂缝范围内。
3.2.3 改善集料的级配，尽可能采用较大的集料最大粒径。改善集料的级配可以降低其空 隙率。同时，在级配较好的情况下，集料最大粒径越大，空隙率越小，填充这些空隙所必需 的胶凝材料数量也就越少。大集料的比表面积较小，润湿集料表面所需的水泥浆量也越少。 
3.2.4 通过控制原材料的入机温度，采取加冰搅拌，尽量降低混凝土的入模温度。新拌混 凝土温度的提高将加速胶凝材料的水化，也有可能引起较大的坍落度损失。
3.3 从施工方面可采取的技术措施
3.3.1 尽可能避免在较高的温度下施工，尽可能避免长距离的运输和泵送。加强混凝土运 输过程中的保温措施等。
3.3.2 选择适当的施工工艺，分段分层，连续浇筑，不留冷缝。在混凝土终凝前实行二次 抹压，防止产生收缩裂缝。
3.3.3 加强保湿养护。从混凝土浇筑后就应及时地养护，以防止混凝土中水分的蒸发而导 致混凝土的干缩，以减少混凝土浇筑块整体干缩应力和内、外干缩变形的不均匀性引起干缩 裂缝。在大风干燥天气，尤其要加强养护，还应保证足够的养护期，避免混凝土 过早地干燥。
3.3.4 对混凝土浇筑块采取保温措施。混凝土表面温度越低，内、外混凝土的温差就越大 ，导致较大的温度变形差，产生较大的温度应力。对于大体积混凝土来说，尽快地散发混凝 土内部的热量是很重要的，但混凝土开裂与否更重要的是取决于内、外混凝土之间的相对温 差，必须通过采取适当的保温措施，控制适当的混凝土内部温度与环境温度的差，以便混凝 土内部的热量平稳地散发。
3.3.5 预置冷却水管。在大体积混凝土浇筑块中埋设冷却水管可以通过循环水带走混凝土 浇筑块内部的热量，降低混凝土内部的温度，减小内、外温差。
3.3.6 注意早期保护。为了温控的需要，大体积混凝土的早期强度通常较低。因此，在施 工时应注意早期保护，不要过早地拆去模板或使混凝土受力，以免破坏混凝土结构。
3.3.7 加强温控监测。为了准确及时掌握大体积混凝土水化热造成不同深度混凝土温度变 化规律，要采取措施随时监测混凝土内部温度情况。根据温度监测情况，及时增减保温材料 的层数确保混凝土均匀散热，保证混凝土内外温差不超允许值。
4 结束语

大体积混凝土温度裂缝控制的核心是分析大体积混凝土结构温度裂缝产生的主要原因， 从结构设计、混凝土制备、施工的各个环节采取相应技术措施，以达到控制混凝土温度裂缝 的目的。只要尊重大体积混凝土的特性，经过科学、合理的结构设计，优化混凝土配合比， 采取合理措施降低混凝土结构的外部约束，按照大体积混凝土施工要求认真组织施工，做好 混凝土养护和温度监测控制工作，可以有效地防止有害裂缝的产生。
［参考文献］
［1］ 王铁梦.工程结构裂缝控制［M］北京：中国建筑工业出版社，2000.
［2］ 钢筋混凝土结构裂缝控制指南［M］北京：化学工业出版社，2006.
［3］ JGJ55-2000,普通混凝土配合比设计规程［S］.

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