大體積砼施工的溫度裂縫控制

常玉東 饒 斌

摘要:大體積砼結(jié)構(gòu)在施工中容易產(chǎn)生裂縫,已為眾多的工程實(shí)踐所證實(shí)。文章在前人研究的基礎(chǔ)上,分析了大體積砼溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理與危害,同時(shí)提出了選擇中低熱的的水泥品種、降低砼的澆筑溫度、盡量減少單位體積的水泥用量、合理配筋等控制措施。

關(guān)鍵詞:大體積砼施工;溫度裂縫;澆筑溫度;水泥用量

中圖分類號(hào):TU528文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2374(2009)20-0145-02

隨著我國改革開放政策的不斷深化,國民經(jīng)濟(jì)得到迅速發(fā)展,綜合國力不斷增強(qiáng),城市建設(shè)也發(fā)生了日新月異的變化。最引人注目的就是一座座高樓大廈拔地而起,聳入云天,鱗次櫛比,構(gòu)成了現(xiàn)代城市的新景觀。但也出現(xiàn)了許多嶄新的技術(shù)課題亟待解決,大體積砼的溫度裂縫控制就是其中之一。

一、大體積砼與溫度裂縫

(一)大體積砼的涵義

所謂大體積砼,是指任何就地澆筑的大體積混凝土,其尺寸之大,必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題,以最大限度減少開裂。。由此可見,大體積砼所具備的條件和重要問題可以歸納如下:(1)結(jié)構(gòu)尺寸比較大,具體而言,斷面最小尺寸在80厘米以上;(2)水化熱引起的內(nèi)部最高溫度比較大。具體而言,與外界氣溫之差預(yù)計(jì)超過250℃;(3)必須采取溫度控制措施,盡可能減少溫度變形及其引起的開裂。在高層建筑中出現(xiàn)大體積砼結(jié)構(gòu)的部位主要是基礎(chǔ)。特別是沿海地區(qū)在軟土地基上建造的高層建筑,很多采用片筏基礎(chǔ)或樁與筏板復(fù)合基礎(chǔ),其筏板又兼作地下室的底板。一般地,這種底板的面積較大(1000m2以上),厚度也在80厘米以上,大多數(shù)在2.0米左右,厚的可達(dá)到5米。砼底板澆筑后,其內(nèi)部最高溫度一般在50℃～80℃,與外界氣溫明顯相差25℃以上。如果不采取一定的措施,砼將很容易開裂,影響結(jié)構(gòu)的整體性并造成地下水滲漏,為整個(gè)工程帶來極其嚴(yán)重的危害。

(二)大體積砼溫度裂縫的危害

大體積砼結(jié)構(gòu)在施工中容易產(chǎn)生裂縫,這已為眾多的工程實(shí)踐所證實(shí)。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),廈門和福州兩個(gè)城市就有10多座高層建筑在施工中遇到地下室砼底板有害裂縫問題,有的工程因此被迫停工處理,有的工程還不得不修改設(shè)計(jì)、降低層數(shù),造成極大的損失。因而近年來,大體積砼的裂縫問題越來越引起各方面重視。長期的工程實(shí)踐表明,造成大體積砼出現(xiàn)裂縫的因素極其復(fù)雜而且是多方面的。其中:(1)砼配合比設(shè)計(jì)上的問題:水泥用量大,水泥發(fā)熱量大,造成砼水化熱溫升過高,溫度變化急劇;水灰比大,灰漿量大,造成砼收縮量過大;原材料性能不良,造成砼本身抗裂能力低。(2)砼施工質(zhì)量上的問題:下料不均勻,振搗不密實(shí);澆筑安排不善,砼內(nèi)部形成冷縫。(3)砼養(yǎng)護(hù)土的問題:砼表面裸露干燥,風(fēng)吹日曬,同部與表面溫差過大;外界氣溫驟降時(shí)砼表面無保溫措施。(4)結(jié)構(gòu)型式及構(gòu)造上的問題:幾何尺寸大,超長超厚;形狀突變處未妥善處理;配筋不合理。大體積砼由于溫度變化而產(chǎn)生的裂縫稱為溫度裂縫。眾所周知,混凝土在凝結(jié)硬化過程中,其水泥會(huì)釋放出大量的水化熱,使砼的溫度顯著上升。根據(jù)美國墾務(wù)局提出的公式,混凝土內(nèi)部最高溫升與混凝土的絕熱溫升有關(guān),計(jì)算公式如下:

Tmax=(W×Qo)/(C×T)(1)

式中:Tmax——混凝土的最高絕熱溫升,℃ ;

W——每立方米混凝土的水泥用量,kg/m3;

Qo——單位水泥28 d積累水化熱;

C——混凝土比熱,取993.7 J/(kg·K);

T——混凝土的密度,取2400 kg/m3。

根據(jù)混凝土最高絕熱溫升Tmax可求出混凝土內(nèi)部的實(shí)際最高溫升 Tt。

混凝土的硬化過程是水化熱不斷積蓄與散發(fā)的過程。試驗(yàn)表明,一般在3d左右齡期混凝土內(nèi)部溫升將達(dá)到最大值,之后則呈降溫態(tài)勢。這是因?yàn)?d內(nèi)水泥水化快,水化熱釋放速度大于熱量散發(fā)速度而導(dǎo)致混凝土升溫;3d左右后水化熱趨于緩慢,水化熱釋放量不足以抵消熱量的散發(fā),使混凝土降溫。對(duì)于不同的混凝土澆筑厚度H和澆筑后不同齡期的溫度變化,通過大量的實(shí)測,根據(jù)此可求出各種齡期時(shí)混凝土內(nèi)部的實(shí)際最高溫升Tt。計(jì)算公式如下:

Th=Tt+To(2)

式中:Th——混凝土澆筑后內(nèi)部最高溫度,℃ ;

Tt——混凝土澆筑后內(nèi)部實(shí)際最高溫升,℃ ;

To——混凝土澆筑時(shí)成型的溫度,℃ 。

一般地,425#普通砼酸鹽水泥每公斤發(fā)熱量達(dá)375kJ,如果每立方米砼采用350公斤水泥,則在絕熱狀態(tài)下,砼的溫度將凈升高約580℃。同樣的水泥用量在2米厚的砼底板工程中,其內(nèi)部凈溫升也將達(dá)37℃~40℃。如果是夏季施工,砼的澆筑溫度往往超過300℃,則砼內(nèi)部和最高溫度將超出700℃。由于水泥的水化熱釋放主要集中在早期,使混凝土在澆筑后短短幾天其內(nèi)部溫升就很快上升到最高峰,隨后開始降溫?；炷翜囟鹊倪@種變化可能造成兩種后果:首先,在混凝土升溫期,砼表面散熱條件好,熱量向大氣散發(fā),溫度上升較少,而內(nèi)部則散熱少,溫度持續(xù)上升,這樣形成的內(nèi)表溫差(溫度梯度)會(huì)在砼表層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力超過砼的抗拉強(qiáng)度時(shí),砼表面將產(chǎn)生裂縫。其次,在砼后期降溫過程,由于溫度下降引起砼體積收縮變形,這種變形受到地基及結(jié)構(gòu)邊界約束時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大的拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力超出砼的抗拉強(qiáng)度時(shí),砼將在約束面開裂,嚴(yán)重時(shí)形成貫穿裂縫,這就是溫度裂縫。因此,應(yīng)當(dāng)針對(duì)工民建大體積砼自身的特點(diǎn),對(duì)其溫度及溫度應(yīng)力的變化規(guī)律、溫度裂縫的控制技術(shù)等方面開展一系列的研究。這對(duì)推動(dòng)當(dāng)前大體積砼施工技術(shù)的進(jìn)步,保證工程質(zhì)量,更好地為我國城市的現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)具有極大的現(xiàn)實(shí)意義。

二、大體積砼與溫度裂縫的主要控制措施

大體積砼之所以開裂,主要是砼所承受的拉應(yīng)力與砼本身抗拉強(qiáng)度之間矛盾發(fā)展的直接結(jié)果。因而為了控制大體積砼溫度裂縫的開展,就必須從降低砼溫度收縮應(yīng)力和提高砼本身抗拉性能這兩方面綜合考慮,采取各種有力的措施。

(一)選擇中低熱的的水泥品種

造成砼溫度上升的唯一熱源就是水泥的水化熱,它取決于水泥的品種和水泥的用量。資料表明,不同品種與標(biāo)號(hào)的水泥,其水化熱有著顯著的差異。在水泥用量相同的條件下,盡可能地選用中低熱水泥,要以顯著減少水化熱含量,從而有效地減少砼的溫升。比如425號(hào)普通砼酸鹽水泥的發(fā)熱量相當(dāng)于525號(hào)普通砼鹽水泥發(fā)熱量的90%,425號(hào)礦渣水泥的發(fā)熱量只相當(dāng)于525普通砼酸鹽水泥發(fā)熱量的80%。

(二)盡量減少單位體積的水泥用量

盡量減少單位體積砼的水泥用量,目的也就是為了減少水泥的總發(fā)熱量,削減砼的溫升值。在實(shí)際的大體積砼工程中,根據(jù)電算分析和實(shí)測結(jié)果,每立方米砼的水泥用量每增減10kg,對(duì)1.0米厚結(jié)構(gòu)的砼溫度升降為10℃,對(duì)2.0m厚結(jié)構(gòu)的砼溫度升降為1.3℃。減少水泥用量對(duì)削減砼溫升的效果是顯著的,因而成為溫度控制中最有效的措施之一。

(三)降低砼的澆筑溫度

混凝土經(jīng)過出機(jī)、運(yùn)翰、澆筑、振搗、平倉等一系列工序后的溫度稱澆筑溫度。由于砼是在澆筑溫度的基礎(chǔ)上繼續(xù)升溫,因而澆筑溫度的高低對(duì)砼整體溫度的影響是明顯的。比如福建地區(qū)一般冬季施工的砼筑溫度在10℃～15℃,夏季施工的砼澆筑溫度可達(dá)32℃～36℃,季節(jié)性相差20℃。因而在夏季澆筑砼,對(duì)控制砼的最高溫度是極為不利的。為了降低砼的澆筑溫度,首先要控制骨料與拌和水的溫度,必要時(shí)可加冰拌加;其次盡量縮短運(yùn)輸時(shí)間,并在運(yùn)輸、泵送過程中采取一定的遮陽措施,盡量減少砼的冷量損失。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),建議最高澆筑溫度控制在30℃以下為宜。

(四)合理配筋

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中適當(dāng)配置構(gòu)造鋼筋,能夠提高結(jié)構(gòu)抵抗溫度應(yīng)力和收縮力的性能。當(dāng)然,如果配筋率較高,可能造成不但不能抵抗收縮應(yīng)力反而增加自約束應(yīng)力的不利后果。一般來說,在大體積砼中配置溫度筋,宜細(xì)宜密,可選用Φ8鋼筋,間距5m,雙向布筋。進(jìn)行適當(dāng)配筋后,在局部應(yīng)力集中區(qū)域,由于鋼筋的存在使一定范圍內(nèi)的應(yīng)力重新分布,緩解應(yīng)力集中狀態(tài),這樣就可以推遲砼裂的出現(xiàn),提高了砼的抗裂性能。

(五)內(nèi)部埋冷卻水管

在砼澆筑前預(yù)埋設(shè)好冷卻水管網(wǎng),待到砼初凝后即開始連續(xù)通冷水循環(huán),讓流動(dòng)的低溫水帶走一部分水化熱,從而達(dá)到削減砼溫升的目的。水管冷卻是一種在大壩施工普遍采用的溫控措施,但在建筑工程大體積砼施工中較少采用。這主要因?yàn)橐环矫嫠芾鋮s方案要耗費(fèi)一定量的管材及布置專門的供水系統(tǒng),給工程施工帶來一定的困難;另一方面建筑工程大體積砼色厚度一般較薄,其它溫控措施基本能夠達(dá)到控制目的。但對(duì)于個(gè)別的工程,如果砼厚度較大或結(jié)構(gòu)比較特殊,在其它措施不能有效地控制砼溫升的情況下,應(yīng)當(dāng)考慮采取水管冷卻方案。

(六)加強(qiáng)砼表面蓄熱保溫

前述措施的直接結(jié)果都是減少水泥水化熱削減砼內(nèi)部溫升。但往往砼內(nèi)部溫度仍然較高,而表面溫度較低,造成內(nèi)表溫差太大。為了控制砼的內(nèi)表溫差和延緩砼的降溫速率,一個(gè)非常重要和必要的措施就是必須對(duì)砼表面進(jìn)行妥當(dāng)?shù)男顭岜?。即使在炎熱的夏?砼表面的保溫仍然是必要的。當(dāng)外界是氣溫較低或在施工養(yǎng)護(hù)期遇到寒潮襲擊時(shí),更應(yīng)切實(shí)做好保溫工作。我們認(rèn)為,由于草袋在國內(nèi)大部分地區(qū)都容易取得,價(jià)格便宜,而且根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),草袋的保溫效果要比油布、帆布等都好,容易滿足溫控要求,所以工程上普遍利用草袋作砼保溫層,應(yīng)用很廣。通常的做法是:先在砼表面鋪一層塑料薄膜,然后在上面鋪一層或兩層草袋,最后在草袋上面再鋪一層薄膜,形成薄膜包草袋型式。實(shí)踐表明,這種保溫型式可以達(dá)到極佳的保溫效果。比如廈門某國際廣場地下室二層,由塔樓地下室及車庫兩部分組成。塔樓CT5承臺(tái)厚2.8m,底板面設(shè)計(jì)標(biāo)高-8.0m,共有三個(gè)電梯井,電梯井底板面-8.70m。其中,1-L軸線以北底板面由中往東西做15cm結(jié)構(gòu)找坡。軸線部位有一條2m寬的加強(qiáng)帶承臺(tái)為矩形。平面尺寸72.0m×29.6m,屬于大體積混凝土?；炷量偡搅考s為5900m3。承臺(tái)側(cè)壁均已砌筑磚胎膜。吳榮昌采用先覆蓋兩層塑料薄膜,再蓋2～3層麻袋,且遮蓋嚴(yán)密,以保濕保溫。薄膜的搭接不得小于150mm,麻袋的搭接不得小于100mm,且上、下層麻袋搭接位置必須錯(cuò)開。墻柱插筋之間狹小空間必須特別注重保溫措施。麻袋的濕潤以噴霧代替灑水,以免混凝土內(nèi)外產(chǎn)生過大溫差造成的副作用。因施工期間平均氣溫為12℃左右?；炷翝仓笸黹g氣溫較低時(shí),用鋼管架搭設(shè)50cm高懸空架,按50m2盞碘鎢燈照射混凝土表面,進(jìn)行加熱。在實(shí)施過程中,保溫層的實(shí)際厚度應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測的結(jié)果視溫差大小而調(diào)整。最終混凝土內(nèi)部與表面溫度差最大為23℃,小于25℃滿足規(guī)范要求。養(yǎng)護(hù)14天結(jié)束后,經(jīng)過對(duì)底板混凝土表面檢查,無明顯的溫度裂縫,達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。

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作者簡介:常玉東(1975-),男,中國交通建設(shè)股份有限公司二公局四公司工程師,研究方向:公路橋梁。