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控制筏板基础大体积混凝土温度裂隙的技术研究

范文

焦明

摘要：建筑大体积结构会因水泥水化热的作用而在混凝土内部产生温缩拉应力，若采取的施工控制技术不当就会产生危害性裂缝。本项目在大体积筏板基础施工时，采取使用低水化热水泥、掺入外加剂降低水泥用量、提高混凝土抗裂性能、采用施工新工艺、加强养护等综合措施，避免了温度裂隙的产生。

Abstract： The large-scale structure of a building will cause temperature shrinkage tensile stress in the concrete due to the effect of cement hydration heat. If the construction control technology is adopted improperly， it will cause hazardous cracks. During the construction of large-scale raft foundations， comprehensive measures such as the use of low-hydration thermal cement and the addition of admixtures are adopted to reduce the amount of cement， improve the crack resistance of concrete， adopt new construction techniques， strengthen maintenance and avoid the occurrence of temperature cracks.

关键词：大体积混凝土;温缩应力分析;降温措施;温控监测

Key words： mass concrete;temperature shrinkage stress analysis;cooling measures;temperature control monitoring

中图分类号：TU755? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）03-0266-03

0? 引言

随着建筑物向更大面积及更高方向发展，工业与民用大体积混凝土结构日渐常见。因混凝土在凝固硬化过程中释放出大量的水化热，而大体积结构厚重，热量积蓄在混凝土内部难以散失，使混凝土内部温度峰值很高，当混凝土完成凝固后，热量逐渐消散，大体积混凝土因降温而收缩，再叠加混凝土失水干缩，是促使大体混凝土结构出现裂缝的主要原因。产生的裂缝及其带来的病害对结构的安全使用造成严重危害。因此，对大体积混凝土因温缩产生的裂缝进行预防及控制是我们需解决的重大课题。

1? 工程简介

绿地·香湖湾10号地块位于郑州航空港区经济综合实验区黄海路北侧。占地69484.52m2，共设13栋单体建筑，总建筑面积227499.82m2。建筑类别为一类高层居住建筑和大型地下车库。

地上建筑以30～33层为主，采用筏板基础，筏板基础厚度1.2～2.5m，强度等级为C35，抗渗等级为级P6。本工程筏板基础的底板为大体积混凝土构件，施工时需采取有效的技术减少水热化，并控制养护期间筏板各部位的温差不超过规范规定，以避免混凝土温缩应力、干缩应力产生裂缝给结构的安全使用带来不良影响。

2? 因温差而产生裂缝的机理

大体积混凝土结构产生的温缩裂缝由表面裂缝和贯穿裂缝两种类型构成。

2.1 表面裂缝

当大体积混凝土浇筑完成后，随着水泥水化反应释放出大量热量使混凝土温度升高，因混凝土表面热量能得到良好散发而温度增高不多;但混凝土结构内部热量散发困难，其温度增长相对混凝土表面要高出不少;造成混凝土结构内、外温度不同，构成了温度梯度，导致混凝土结构中心部位出现压应力，而混凝土结构表面出现拉应力。如果混凝土极限抗拉强度小于此表面拉应力时，表面混凝土被拉裂，即产生表面裂缝。即使表面裂缝不属于结构性裂缝，但当后期混凝土收縮时，易在表面裂缝处出现应力集中现象，导致裂缝得以进一步发展，形成影响结构正常安全使用的病害，故也需采取措施控制表面裂缝的生成。

2.2 贯穿裂缝

大体积混凝土达到一定龄期后，水泥基本全部完成水化反应，水化热释放已近尾声。混凝土结构整体从较高温度降温至与外界常温相近。降温意味着体积收缩，同时叠加了混凝土中多余水分蒸发产生的干缩。因大体积混凝土结构往往受到边界条件的约束而不能自由收缩，使得混凝土结构内出现拉应力，当混凝土极限抗拉强度不足抵抗此拉应力时，导致混凝土结构出现贯穿裂缝，此裂缝不仅贯通结构的厚度方向，还通常在整个截面上切断了结构。使得结构整体遭到破坏，严重破坏了结构整体的防水性、安全性和耐久性。故需采取一切措施避免出现贯通裂缝。

3? 混凝土温度应力和收缩应力的分析

通常大体积混凝土内部绝热温升很高，龄期3d时达到峰值，然后为降温收缩，由于基础及基底结构等的约束，底板出现温缩拉应力，如果混凝土的极限抗拉强度小于此拉应力时，则导致出现裂缝。因此，本项目需对底板的温缩应力及干缩应力进行核算，以便明确在拟采用的材料、施工工艺及养护条件下，评估大体积混凝土产生裂缝的可能性，从而根据分析、评估结论采取针对性的技术措施，确保大体积混凝土结构不出现有害裂缝。以下以本项目厚度最大（2.5m）筏板基础为例说明分析及评估方法，以及为避免产生裂缝而采取的技术措施。

3.1 计算时的参数条件

本项目筏板基础混凝土强度等级C35，抗渗等级为P8。采用商品混凝土，根据商品混凝土生产企业提供的混凝土配合比采用P.O.42.5水泥，其发热量为375kJ/kg，每立方混凝土的水泥使用量为356kg。

进行此部分筏板基础施工的时间为7月中至8月初，施工期间的外界环境最高温度估计可超过35℃，但在正常施工条件下，入模的混凝土温度控制不超过30℃。

3.2 混凝土温度应力分析

3.2.1 大体积混凝土的最大绝热温升计算

计算水化热完全不散失的情况下，该混凝土内部温升值。此值计算式如下：

式中：Th—绝对隔热时混凝土内部最大温升（℃）;mc—混凝土拌和料中水泥（含膨胀剂）掺量（kg/m3）;Q—所用水泥28d内释放的水化热（kJ/kg），按375kJ/kg;c—混凝土构件比热容，按0.97[kJ/（kg·K）];ρ—混凝土构件密度，按2400kg/m3;е—常數值，为2.718;t—混凝土浇注的龄期（d）;m—与浇筑时混凝土拌和料温度有关的系数，本项目按30℃查表得m=0.406。

3.2.2 在当前施工条件下混凝土中心计算温度

因实际施工时，混凝土构件的水化热处于散发状态，在当前施工条件下，混凝土内部温升值按下式进行计算：

T1（t）=Tj+Th·ξ（t）（2）

式中T1（t）—t龄期时构件中心混凝土计算温度（℃）;Tj—浇筑时混凝土拌和料温度，取30℃;Th—绝对隔热时混凝土内部最大温升;ξ（t）—t龄期降温系数，按表1取值。

按式（2）计算得各龄期底板混凝土中心计算温度，列于表2。

3.2.3 混凝土温缩应力

本工程地下室底板按外约束为二维时的温缩应力（包括干缩应力）来进行计算，不同龄期混凝土拉应力、抗拉强度及抗裂安全度计算结果见表3。

大体积混凝土防裂安全系数K为1.15，由表2可知，在底板龄期9d前，不能满足抗裂要求，故需改变混凝土配比及施工方案，以降低底板内部最大温升值，以防止产生裂缝。

4? 采取的控制温升的技术措施

能起到釜底抽薪作用的措施无疑是降低水泥水化热，故以降低水泥水化热为主要目标，本项目采取的综合技术措施如下。

4.1 改用低水化热水泥

因水泥水化热是大体积混凝土温升的原因，采用水化热低水泥从源头上控制温升。本项目改用矿渣42.5水泥，其发热量为334kJ/kg，降低水化热10.9%。

4.2 合理掺入外加剂

如果单纯增加单位水泥用量以满足混凝土泵送所需的坍落度。则水化热增加，混凝土降温收缩加剧，更是促进了混凝土开裂。因此掺入适当外加剂获得混凝土的施工性能。

①减水剂：掺高效减水剂的混凝土可大幅减小水灰比，且能使混凝土拌合物中水泥颗粒分布更为均匀，明显改善混凝土中的空、孔隙分布情况，本项目在混凝土中掺入木钙减水剂（即木质素磺酸钙），掺入量为水泥重量0.25%。实践证明，明显改善了混凝土和易性，减少拌和用水约10%的同时也减少水泥用量约10%。

②膨胀剂：本项目还掺入了36kg/m3的UEA混凝土膨胀剂，其使混凝土硬化时产生微量体积膨胀，能够对混凝土的温缩及干缩进行部分或是全部补偿，有效减少或避免混凝土产生裂缝。

③粉煤灰：在混凝土中掺入125kg/m3的Ⅰ级粉煤灰，其胶凝、减水作用不仅改善了混凝土和易性，也能替代部分水泥而降低水灰比，使温度峰值显著降低，并推迟温度达到峰值时间，减少了温缩应力及干缩应力。

4.3 严控粗细骨料质量

粗骨料采用自然连续级配，其拌制的混凝土和易性较好，可降低拌合水及水泥的用量，并获是较高的抗压强度。确保级配良好的情况下尽可能选用大粒径碎石，因使用大粒径粗集料亦可降低拌合水及水泥的用量，泌水随之减少。从而使水泥水化热减小，最终降低了混凝土的温升。

国内经验表明，当粗细集料含泥量过多时，不仅会促进混凝土的收缩，也导致混凝土抗拉强度的降低，对混凝土抗裂产生不利影响。本项目将粗集料的含泥量控制在1%以内，细集料砂的含泥量控制在2%以内。

4.4 施工技术措施

①为能降低混凝土的总温升，减少混凝土内外温差，对混凝土拌和物出机温度及浇筑温度进行控制是关键的措施。经分析，碎石及拌和水对混凝土的出机温度影响最大，然后是砂，水泥的影响较小。因此，采取了拌和水中加冰，砂石料设遮阳棚覆盖等降温技术措施。

②要求商品混凝土生产厂家改进混凝土搅拌工艺，同时要求施工现场采用振捣新工艺。即采用“二次投料”、“二次振捣”的新工艺，以增加混凝土强度，提高抗裂性能。

③大体积混凝土尽量采用分层连续浇筑法，对于混凝土数量很大底板，浇筑能力不足时，采用了分段、分层，踏步式推进的浇筑方法。

④在侧模的上留置孔洞，将振捣混凝土时出现的泌水排出。

4.5 抗裂安全系数计算

经采取上述技术措施后，水泥用量为283kg/m3，计算得混凝土中心最高温度为53.9℃，不同龄期的抗裂安全系数均大于1.15。

5? 混凝土的保温和养护

浇筑不久的混凝土抗拉强度低，一旦出现不利的温湿度情况，在混凝土表面易发生温缩和干缩裂缝。故需采取保温措施，以减少混凝土中心与表面的温差、混凝土表面温度梯度，避免混凝土裂缝产生。采取表面覆盖草帘等保温材料进行保温养护。以保持表面混凝土温度，并控制混凝土内外温差及混凝土降温速率满足规范要求。

按下式计算所需保温层厚度：

式中：？啄—保温层厚度（m）;λx—采用的保温材料的导热系数W/（m·K），草帘按0.14W/（m·K）;T2—大体积构件表面温度（℃），T2=Tmax-25℃=53.9-25℃=28.9℃;Tq—养护期内外界平均气温，取24℃;λ—混凝土的导热系数，按2.33W/（m·K）;Tmax-计算所得的混凝土内部最高温度，53.9℃;Kb—传热系数的修正值，按2.0;h—底板厚度，2.5m。

由式（3）计算结果可知，草帘覆盖厚度需大于29mm，故养护里先采用一层塑料膜进行保湿，然再覆盖2层草帘，草帘总厚度为52mm。能够确保底板中心与表面的温差不超过规范要求的25℃。

6? 混凝土温度控制

测温点分别为距底板顶面10cm、中间均布、距底面10cm（如图1所示）;此外基坑上、保温层还各设一个测温点，以准确、全面量测整个相关联的各部位及外部环境温度变化情况。

完成混凝土浇筑12h开始后开始测温，前5d测温频率为1次/2h;5～10d时可延长到1次/4h;10d后可延长至1次/6h。当混凝土表面温度接近外界环境气温，且混凝土中心温度与环境气温的温差小于25℃时，可以停止测温工作，并移除保温层。

图2为筏板中心处的表面、中部、底表温度监测所得的温度—时间关系曲线图，筏板中部在龄期80h时量测得51.9℃最高温度，避免了在养护期间出现混凝土裂缝。由图2可知，在温度监测期间，中部与表面、底面之间温差也控制在规范要求的范围内。可见本项目采取控温综合措施是科学有效的。

7? 结束语

保温养护是大体积混凝土温控的最后关键环节，以确保降低大体积混凝土结构的内外温差值，提高结构承受温缩应力时的抗裂能力，达到防止或控制温缩裂缝的目的。温控时也要监测混凝土结构的降温速率，并对温测所得数据进行及时处理和分析，从而根据分析结果调整保温养护措施以满足温控目标的要求。

参考文献：

[1]GB50496-2018，大体积混凝土施工标准[S].

[2]杨南方，等.混凝土结构施工实用手册[M].中国建筑工业出版社，2001.

[3]周金，戴海燕，徐其功.筏板基础大体积混凝土温度裂缝控制[J].低温建筑技术程，2011（1）.

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