大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)在工程中的應(yīng)用

于新亞 楊國強 袁 柏 馮星望（北京正富混凝土有限責(zé)任公司，北京 100018）

大體積混凝土的溫度應(yīng)力是由于澆注混凝土后，水泥的水化反應(yīng)放熱導(dǎo)致混凝土體積的膨脹或收縮, 在受到內(nèi)部或外部的約束時而產(chǎn)生的。內(nèi)部約束應(yīng)力是由于混凝土內(nèi)部不同的溫度分布引起的不同的體積變化而導(dǎo)致的應(yīng)力，即水化反應(yīng)初期由于中心部分溫度比表面溫度高，會導(dǎo)致表面產(chǎn)生拉應(yīng)力；而溫度開始下降時中心部分的收縮會比表面部分多，此時中心部分會產(chǎn)生拉應(yīng)力。內(nèi)部約束應(yīng)力的大小與內(nèi)外溫差成比例。[1]外部約束應(yīng)力是新澆筑的混凝土由于水化熱而發(fā)生的體積變化，受到與其接觸的已澆筑混凝土或者地基等的約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。外部約束的作用與接觸面積的大小和外部約束的剛度等因素相關(guān)[2]。

混凝土組成材料的選用對大體積混凝土產(chǎn)生的水化熱高低有直接的影響。合理的混凝土配合比應(yīng)具有較低的水泥用量、較低的水化熱、較低的水灰比，同時具有較好的和易性和可泵送性[3]。

1 工程概況

工程位于北京市朝陽公園亮馬橋藍色港灣，本工程基礎(chǔ)底板厚1米，強度等級為C40P10抗?jié)B混凝土，一次性澆注方量約2000方。就大體積混凝土而言，由于結(jié)構(gòu)面積大，混凝土數(shù)量較多，混凝土在水化過程中釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，因此此次澆筑的混凝土除必須具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性以外，還應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)物的整體性和耐久性等方面的特殊要求，更主要的是要降低混凝土的內(nèi)外溫差。大體積混凝土經(jīng)常出現(xiàn)的問題不是力學(xué)上的結(jié)構(gòu)強度，而是混凝土溫度裂縫，為此，需采取一定的技術(shù)措施避免溫度裂縫的出現(xiàn)[4-6]。

2 混凝土配合比設(shè)計

針對本工程的特殊性，選用質(zhì)量穩(wěn)定、活性較高、需水量低、流變性能好的P.O42.5水泥，C3S含量≥55%，C2S含量≥25%，C3A含量≤8%，堿含量≤0.6%的低收縮水泥；細骨料采用混合砂，細度模數(shù)2.3～2.9，含泥量≤2.5%的Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料采用含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0.50%，針、片狀顆粒含量≤15%，壓碎指標值≤10%，粒徑為5～25mm的連續(xù)級配碎石。摻合料采用細度≤20%，燒失量≤5%，需水量≤105%的Ⅱ級粉煤灰以及比表面積≥400m2/kg的S95級磨細礦渣。外加劑采用天森工貿(mào)化工有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率大于20%，收縮率比≤120%。

混凝土配合比見表1。

針對工程的具體情況，配合比設(shè)計時選用低堿水泥及B類骨料，控制混凝土總堿量不超過3kg/m3。由表1可以看出，設(shè)計配合比時著重減低水膠比，同時大量摻加磨細礦渣和粉煤灰，降低混凝土的水化熱，并且選用具有減水、保坍、緩凝等復(fù)合功能的外加劑，推遲混凝土中水泥水化的時間，將水泥水化放熱的時間延長，降低混凝土內(nèi)外溫差。

表1 混凝土配合比，kg/m3

3 溫度計算及表面裂縫控制

根據(jù)確定配合比計算混凝土的溫升情況與內(nèi)外溫差。

3.1 混凝土澆筑溫度

Tj=TC+（TP-TC）×（A1+A2+A3+……+An）

式中:TC—混凝土拌和溫度(它與各種材料比熱及初溫度有關(guān))，按多次測量資料, 有日照時混凝土拌和溫度比當時溫度高5～7℃, 無日照時混凝土拌和溫度比當時溫度高2～3℃,按3℃計。

TP—混凝土澆筑時的室外溫度(四月下旬,室外平均溫度以20℃計)。

A1+A2+A3+……+An—溫度損失系數(shù),由《大體積混凝土施工》P33 表3-4可得：

A1—混凝土裝卸,每次A=0.032（裝車、出料二次數(shù)）；

A2—混凝土運輸時,A=Q×t。Q為6m3滾動式攪拌車其溫升0.0042,混凝土泵送不計。t為運輸時間（以分鐘計算），從攪拌站到工地約50min；

A3—澆筑過程中 A=0.003×2×60=0.36。

Tj=TC+（TP-TC）×（A1+A2+A3+……+An）

=18+(20-18)×(0.032×2+0.0043×50

+0.032+0.0013×10+0.36)=18+2 ×0.684

=19.37℃

3.2 混凝土內(nèi)部最高絕熱溫升值

依據(jù)文獻[1]預(yù)測混凝土內(nèi)部的最高溫升值。文獻[1]的計算公式為:

式中 Tmax—混凝土內(nèi)部最高溫度,℃；

Tj—混凝土澆筑溫度,℃；

Tτ—τ齡期時混凝土的絕熱溫升，℃；

ξ—不同澆筑塊厚度的降溫系數(shù),ξ=0.75；

W—每立方米混凝土中水泥用量, kg/m3；

Q—每千克水泥水化熱量, 取490kJ/kg；

C—混凝土的比熱, 取0.97kJ(/ kg·℃)；

ρ—混凝土的密度, 取2410 kg/m3；

m—隨水泥品種、比表面積及澆筑溫度而異，取0.362；

τ—齡期,d；

則混凝土內(nèi)部中心溫度: Tmax=Tj+T τξ=19.37+49.54×0.75=56.52 ℃

3.3 混凝土表面最高溫度估算

混凝土表面最高溫度采用的計算公式為:

Tbmax=Tq+4×(H-h′)×h′×ΔT/H2

H=h+2×h′

h′ =K×λ/β

式中:Tbmax—混凝土表面最高溫度,℃；

Tq—大氣的平均溫度,℃；

H—混凝土的計算厚度；

h′—混凝土的虛厚度；

h—混凝土的實際厚度；

ΔT—混凝土中心溫度與外界氣溫之差的最大值；

λ—混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),此處可取2.33W/(m·K)；

K—計算折減系數(shù)；

β—混凝土模板及保溫層的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

環(huán)境溫度Tq取15℃,ΔT為混凝土內(nèi)部與外界氣溫之差,ΔT= Tmax- Tq=41.52℃。H為底板計算厚度，底板以單面暴露于空氣中的平板看待，則H=h+h’，混凝土實際厚度h=1.0m，h’為混凝土結(jié)構(gòu)虛厚度,h’=kλ/β，混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λ=2.33w/(m·K)；β為保溫層的傳熱系數(shù)，β=1/(δi/λi+1/βq)，δi為各種保溫層的厚度，假定混凝土表面只覆蓋一層塑料布，蓄水養(yǎng)護，水的δi=0.3m，λi= 0.55W/( m·K)，βq為空氣層的導(dǎo)熱系數(shù)，取23 w/( m·K)，則β=1.70 W/( m·K),經(jīng)計算 h’=0.27m，H=1.27m，混凝土表面溫度Tbmax=25.6℃。

所以混凝土中心與混凝土表面溫差為Tmax-Tb=30.92℃＞25℃。

計算結(jié)果表明: 采用以上保溫措施,混凝土內(nèi)表溫差不能夠控制在規(guī)定值范圍內(nèi), 有產(chǎn)生溫度裂縫的可能。所以在施工時需要采取一定的措施來保障不產(chǎn)生溫度裂縫。

4 大體積混凝土的施工及養(yǎng)護

4.1 混凝土配合比優(yōu)化，大體積混凝土由于施工方量大，使用的水泥用量會大大增加。在保證混凝土強度的同時采用“三摻”配比方案即加大摻入粉煤灰、礦粉摻量以減少水泥用量，降低水膠比以減少混凝土中水泥水化產(chǎn)生的熱量從而有效降低內(nèi)部中心溫度?；炷涟柚茣r適當使用緩凝型減水劑來延長混凝土的初凝時間,將初凝時間調(diào)整到10～14小時,延緩水化熱峰,使熱量緩慢釋放，從而降低混凝土的內(nèi)部溫度。

4.2 混凝土生產(chǎn)、運輸過程中采取降溫措施,確?；炷寥肽r的溫度在30℃以下，嚴格控制混凝土的原料溫度。水泥的溫度控制在60℃以內(nèi)，粗骨料溫度不超過30℃、細骨料溫度不超過32℃、粉煤灰和礦粉溫度不超過35℃。通過采用流動深層水、深井低溫地下水、冷卻水、冰水攪拌,控制混凝土入模溫度。對混凝土拌合站的骨料存放區(qū)搭設(shè)防曬棚并提前對骨料噴淋灑水,降低骨料的溫度進而降低入模溫度。

4.3 采取保溫保濕養(yǎng)護方法,有效控制溫差變化，混凝土初凝前后對混凝土表面進行二次壓光收面，將塑形收縮裂縫消滅在萌芽階段。二次壓光收面完成后立即采取塑料薄膜覆蓋使混凝土表面水分不會散失，同時加蓋土工布或草簾對混凝土表面保溫覆蓋。嚴格控制日降溫速率。由于工程現(xiàn)場的養(yǎng)護水一般都是地下冷水，溫度基本都在18℃以下，冷水直接與高溫的混凝土表面接觸將會使混凝土表面產(chǎn)生急速冷卻龜裂，所以在保溫保濕期間，嚴禁澆冷水養(yǎng)護。保溫保濕時間應(yīng)在7天以上，具體時間以實際溫度測量為準，保證混凝土表面溫度與大氣溫度之差小于15℃，去掉保溫層后進行灑水養(yǎng)護之前確保混凝土表面溫度與所澆冷水溫度之差小于15℃。采用循環(huán)水管作為輔助混凝土內(nèi)部進行水冷散熱作用。為了控制溫差裂縫，將墻體混凝土帶模養(yǎng)護5天以上。

4.4 對于本工程混凝土的澆筑采用整體分層連續(xù)澆筑，縮短間歇時間，并在前層混凝土初凝之前將次層混凝土澆筑完畢，層間最長的間歇時間不大于混凝土的初凝時間。

4.5 嚴格控制混凝土澆筑現(xiàn)場的坍落度，入模前控制底板混凝土坍落度在160-180mm之間。避免因坍落度過大造成混凝土泌水泌漿進而漿體上浮引起表層產(chǎn)生龜裂。

5 混凝土的內(nèi)部溫度及偏差分析

澆筑完成后，施工單位對底板混凝土進行了詳細的溫度測量記錄，最高溫度達到70℃。而理論計算結(jié)果，混凝土中心最高溫度為56.52℃。理論計算和實際測量之間溫度差距較大，主要的原因有如下幾點：

5.1 施工手冊中對絕熱溫升的計算方式不太一樣，理論性很強，但大體一致，計算結(jié)果相差不大。但到計算內(nèi)部最高溫升時降熱系數(shù)ξ的選取對最終的結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。根據(jù)相關(guān)文獻的記載，工程中大體積混凝土的實測溫度反算出的ξ值比手冊中查表值大很多。本工程中根據(jù)實際測量溫度后反算出的ξ值比理論計算時的選取的值也很多。

5.2 現(xiàn)今混凝土體系與制定絕熱溫升的計算公式時的混凝土體系已不盡相同?，F(xiàn)代混凝土體系中粉料的成分越來越復(fù)雜，譬如水泥廠為了提高水泥的膠砂強度，采用磨細水泥顆粒和摻加刺激水化反應(yīng)的助磨劑，礦粉廠為了提高礦粉的活性也采取磨細礦粉顆粒和摻加化學(xué)堿激發(fā)劑等等，根據(jù)標準規(guī)范計算出的溫度結(jié)果只具有參考意義，并不能準確反映實際情況。

5.3 工地現(xiàn)場情況復(fù)雜，不管是澆筑時的氣溫、混凝土的養(yǎng)護方式、混凝土的澆筑速度、底板澆筑時的土質(zhì)溫度等等這些影響混凝土散熱的因素較多，而目前標準規(guī)范中并沒有能綜合考慮這些因素的計算公式，最后只是把這些因素匯總成一個ξ值，導(dǎo)致該值的選取對最后的計算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。

6 結(jié) 語

1）在大體積混凝土中根據(jù)氣溫情況采用“三摻”技術(shù), 摻加各種復(fù)合型外加劑、粉煤灰、超細礦渣粉能大幅度降低混凝土水化熱溫升, 降低水化熱峰值, 有效防止裂縫出現(xiàn)。

2）應(yīng)用混凝土結(jié)構(gòu)的溫度控制理論, 對大體積混凝土進行熱工計算作為理論指導(dǎo), 選擇合適的保溫養(yǎng)護方式, 采用綜合的溫控與施工措施對混凝土溫升與內(nèi)表溫差進行實測, 當理論計算值混凝土內(nèi)外溫差大于25℃時，通過優(yōu)化配合比、控制材料溫度、選擇合適的養(yǎng)護措施等可以有效控制大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。

[1] 葉琳昌,沈義.大體積混凝土施工[M].北京： 中國建筑工業(yè)出版社,1987.

[2] 趙志縉.高層建筑施工手冊[K].上海： 同濟大學(xué)出版社, 1995.

[3] 馮乃謙,邢峰.高性能混凝土[M].北京： 清華大學(xué)出版社 , 2000： 91- 97.

[4] 趙志縉.高層建筑基礎(chǔ)工程施工[M].北京： 中國建筑出版社, 1986.

[5] 徐仁祥.建筑施工手冊第四冊[K].北京： 中國建筑出版社, 1997.

[6] 陳肇元, 朱金銓, 吳佩剛.高強混凝土及其應(yīng)用[M].北京： 清華大學(xué)出版社, 1992.