陳漢清廈門(mén)中宸集團(tuán)有限公司（361000）

?

大體積混凝土溫度裂縫的成因及預(yù)防措施

陳漢清
廈門(mén)中宸集團(tuán)有限公司（361000）

摘要:首先簡(jiǎn)要介紹了大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理、預(yù)防措施，然后結(jié)合工程實(shí)例重點(diǎn)闡述了通水冷卻溫差控制措施并評(píng)價(jià)其效果，最后總結(jié)了大體積混凝土施工溫度裂縫控制要點(diǎn)，希望能供業(yè)內(nèi)同行參考。

關(guān)鍵詞:大體積混凝土；水化熱；溫度應(yīng)力；溫度裂縫

1大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理

大體積混凝土在施工過(guò)程中產(chǎn)生裂縫的原因有很多，包括表面收縮、內(nèi)外溫差、外部荷載、鋼筋銹蝕等，其中，溫度裂縫是大體積混凝土裂縫控制的重點(diǎn)，下面主要闡述溫度裂縫產(chǎn)生的原因。

1.1水泥的水化熱

大體積混凝土由于水泥水化時(shí)會(huì)放出大量的水化熱，而混凝土自身體積較厚，表面直接和空氣接觸，散熱條件較好，熱量可以向大氣中散發(fā)，表面溫度上升較少?；炷磷陨韺?dǎo)熱性較差，水泥水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，溫度會(huì)上升較多這樣就會(huì)形成外低內(nèi)高的溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，若溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

1.2內(nèi)外約束條件

基礎(chǔ)混凝土一般與地基整體澆筑在一起，當(dāng)溫度變化時(shí)，由于外部約束和內(nèi)部約束的存在，混凝土不能自由變形。混凝土澆筑之后早期溫度上升時(shí)，產(chǎn)生的膨脹變形受到地基土約束面產(chǎn)生壓應(yīng)力，此時(shí)混凝土的彈性模量很小，徐變和應(yīng)力松弛卻較大，與基層連接也不太牢固，從而壓應(yīng)力較小?；炷帘砻鏈囟认陆递^快，受溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力和內(nèi)部約束的影響，混凝土表面會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。因此，混凝土內(nèi)部熱量積聚產(chǎn)生熱膨脹，靠近中心產(chǎn)生壓應(yīng)力，遠(yuǎn)離中心產(chǎn)生拉應(yīng)力，若產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，會(huì)出現(xiàn)垂直裂縫。當(dāng)內(nèi)外溫差小于25℃，產(chǎn)生的裂縫幾率較低[1-2]。因此，降低混凝土內(nèi)外溫差和改善約束條件，是防止混凝土產(chǎn)生裂縫的重要措施。

1.3外界氣溫引起的變化

混凝土在澆筑過(guò)程中產(chǎn)生的溫度與外界氣溫的變化有著直接的關(guān)系，澆筑產(chǎn)生的溫度同時(shí)也影響混凝土內(nèi)部溫度。文獻(xiàn)[3]中提到：當(dāng)大體積混凝土的澆筑溫度升高時(shí)，水泥的水化速度加快，混凝土內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)時(shí)間提前。如果外界氣溫下降，特別是氣溫驟降，會(huì)加大混凝土的溫度梯度，致使溫度應(yīng)力增大。此時(shí)，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土的表面就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

2大體積混凝土溫度裂縫的預(yù)防措施

2.1科學(xué)選用材料，適當(dāng)使用外加劑

1）科學(xué)選用水泥

優(yōu)先選擇中低水化熱硅酸鹽水泥或低水化熱礦渣硅酸鹽水泥，如復(fù)合水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥等優(yōu)質(zhì)水泥，有利于降低混凝土溫度梯度。水泥水化熱的指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足: 3 d的水化熱不宜大于240 kJ/kg，7 d的水化熱不宜大于270 kJ/kg[4]。

2）骨料控制

細(xì)骨料宜采用細(xì)度模數(shù)大于2.3的中砂,含泥量不應(yīng)大于3%。粗骨料宜選用連續(xù)級(jí)配，粒徑5～31.5 mm，含泥量不應(yīng)大于1%。一方面應(yīng)盡量使用高強(qiáng)度骨料，另一方面砂率和坍落度應(yīng)盡量選用較小數(shù)值，以減小孔隙率，避免裂縫產(chǎn)生。

3）摻合料與外加劑

第一，可適當(dāng)?shù)脑诨炷林屑尤肽芙档退療岬姆勖夯?，粉煤灰除了能改善混凝土性能外，還能減少水泥用量，節(jié)省成本。第二，添加UEA。在水泥硬化過(guò)程中，UEA能補(bǔ)償冷縮與干縮，從而降低裂縫發(fā)生的可能性。

2.2降溫處理

在混凝土內(nèi)部預(yù)埋水管，當(dāng)大體積混凝土澆筑后，通過(guò)冷水進(jìn)出，可有效降低混凝土內(nèi)部溫度。冷卻水管通常采用鋼管、鋁管、聚乙烯塑料管等比較耐熱耐腐蝕的材料。施工單位應(yīng)結(jié)合實(shí)際條件，選擇合適的降溫水管。在混凝土澆筑之前，為了防止出現(xiàn)意外情況，先進(jìn)行通水試壓，管道顯示密閉良好，通水順暢，再進(jìn)行下一步工序。大體積混凝土對(duì)溫度很敏感，混凝土澆筑之后要密切關(guān)注混凝土溫度變化情況，將混凝土實(shí)際溫度控制在合理范圍之內(nèi)。冷卻水在混凝土澆筑至水管高程后立即循環(huán)，混凝土內(nèi)外溫差控制在25℃內(nèi)，水溫3～4 h監(jiān)測(cè)一次，測(cè)量進(jìn)、出水口溫度，一般出水口溫度較進(jìn)水口溫度高5～6℃，應(yīng)持續(xù)到澆筑完7 d以后。指派專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，設(shè)置溫度檢測(cè)點(diǎn)，做好標(biāo)記方便以后使用，收集混凝土溫度變化數(shù)據(jù)，將檢測(cè)的數(shù)據(jù)繪制成溫度變化曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，以便采取有效措施，降低或保護(hù)混凝土溫度。冷卻完畢后，冷卻管壓入同強(qiáng)度的水泥漿，水泥漿中加入微膨脹劑。

2.3加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

混凝土二次抹平之后，應(yīng)及時(shí)養(yǎng)護(hù)并覆蓋毛毯及塑料薄膜保溫，防止水分過(guò)分蒸發(fā)，造成表面裂縫。將混凝土每天降溫速率控制在2.0℃/d范圍內(nèi)，混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃，保濕養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時(shí)間不得少于14 d。墻、電梯基坑等位置，安裝豎向模板保持混凝土形狀，成形7天以后拆模，注意檢查整個(gè)混凝土成形的情況，查看是否有裂縫和歪斜情況出現(xiàn)。

3工程案例

3.1工程概況

城建大廈工程位于廈門(mén)市海滄區(qū)南海三路南側(cè)。地下2層，地上25層，建筑高度99.9 m。主樓采用筏板基礎(chǔ)，尺寸46.3 m×36.4 m，厚度為2.2 m，采用密實(shí)級(jí)配抗?jié)B防水混凝土C35，抗?jié)B等級(jí)P8。經(jīng)過(guò)測(cè)算得出，混凝土澆筑總量約3 900 m3，屬大體積混凝土類(lèi)型，必須一直連續(xù)澆筑。本工程大體積混凝土內(nèi)部采用預(yù)埋冷卻水管進(jìn)行循環(huán)通水降溫，表面采用覆蓋毛毯進(jìn)行保溫。

3.2冷卻水管與測(cè)溫管布置

3.2.1冷卻水管布置

循環(huán)冷卻水管采用DN50的鍍鋅鋼管，分上、中、下三層錯(cuò)開(kāi)布置，每層對(duì)稱(chēng)布設(shè)，采用中間注入冷卻水的方式，縮短冷卻水循環(huán)路徑，提高冷卻效果，有利于減小內(nèi)外溫差。冷卻水管水平間距為2 500 mm，垂直間距為600 mm，距混凝土上、下表面各為500 mm，距離混凝土側(cè)面為1 000 mm。循環(huán)冷卻水共設(shè)置6個(gè)獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng),分別是上部、中部和下部以及電梯井上部、中部和下部?；炷翝仓晾鋮s水管高程后立即通水循環(huán)，及時(shí)帶走混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，避免產(chǎn)生較大的溫差。

3.2.2測(cè)溫管布置

測(cè)溫管采用DN20鍍鋅鋼管。為準(zhǔn)確掌握大體積內(nèi)部混凝土溫度變化,本工程共對(duì)稱(chēng)布設(shè)80組間距為5 m的測(cè)溫點(diǎn)，每組測(cè)溫點(diǎn)包括上、中、下三個(gè)測(cè)點(diǎn)，上、下測(cè)點(diǎn)各距板面100 mm。

3.3循環(huán)冷卻、測(cè)溫管理

3.3.1循環(huán)冷卻

當(dāng)混凝土澆至冷卻水管高程時(shí)，立即通水冷卻，控制進(jìn)水口流量并隨時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)、出口水溫差。當(dāng)進(jìn)、出口水溫差超過(guò)10℃時(shí)，應(yīng)立即采取措施加大進(jìn)口水流速和流量，將溫差控制在10℃以?xún)?nèi)，提高冷卻水吸收混凝土水化熱的能力，避免混凝土內(nèi)部升溫過(guò)高，造成內(nèi)外溫差超過(guò)規(guī)范要求而產(chǎn)生溫差裂縫。

3.3.2測(cè)溫管理

采用電子測(cè)溫儀，直接讀出各測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度。在澆筑后3～4 d內(nèi)混凝土水化熱最大，因此在混凝土澆注5 d之內(nèi)，每2～4 h測(cè)一次，以后6～15 d內(nèi)每4～8 h測(cè)一次，并作好測(cè)溫記錄。室外溫度及周?chē)h(huán)境溫度,每晝夜至少定時(shí)定點(diǎn)測(cè)量4次，并把測(cè)溫記錄及時(shí)反饋給技術(shù)人員，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)的技術(shù)措施。當(dāng)觀測(cè)每一個(gè)測(cè)點(diǎn)時(shí)，對(duì)環(huán)境溫度與對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的實(shí)際溫度進(jìn)行詳細(xì)記錄，及時(shí)整理日?qǐng)?bào)表，繪制溫度變化曲線(xiàn)。同時(shí)，還應(yīng)該充分了解溫度變化的具體情況，按照現(xiàn)場(chǎng)溫差的實(shí)際數(shù)據(jù)采取相關(guān)的措施，如發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)外溫差大于25℃，應(yīng)立即采取有效措施，增加表面保溫層厚度和加大循環(huán)水的流速等。

3.4溫度曲線(xiàn)及分析

3.4.1溫度變化與極值

表1最高溫度及其出現(xiàn)時(shí)刻匯總

根據(jù)每組測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)溫記錄，可以繪制出溫度隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。本工程筏板基礎(chǔ)具有對(duì)稱(chēng)性,因此選取4組具有代表性測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行分析，分別是1、15、19、36四組基本成對(duì)角線(xiàn)的測(cè)溫點(diǎn)，每組測(cè)溫點(diǎn)混凝土上部、中部和底部的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖1～4所示，最高溫度及其出現(xiàn)時(shí)刻匯總見(jiàn)表1。

由圖1～4可以看出，同一組測(cè)溫點(diǎn)處筏板混凝土底部和中部的溫度明顯高于上部的溫度，其主要原因?yàn)榛炷辽媳砻媾c環(huán)境空氣間熱傳導(dǎo)對(duì)混凝土溫度影響較大。本工程大體積混凝土施工前在底板所做的防水層、保護(hù)層顯著降低了筏板底板向下的熱傳導(dǎo)率，因此造成底部溫度較高?；炷羶?nèi)部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后72～96 h,也就是3～4 d,這與參考文獻(xiàn)[3]中提到的混凝土內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在澆筑后3～4 d相符。

圖1測(cè)點(diǎn)1溫度變化曲線(xiàn)

圖2測(cè)點(diǎn)15溫度變化曲線(xiàn)

圖3測(cè)點(diǎn)19溫度變化曲線(xiàn)

圖4測(cè)點(diǎn)36溫度變化曲線(xiàn)

3.4.2混凝土表面與大氣溫差

通過(guò)測(cè)點(diǎn)1、15筏板上部混凝土溫度與毛毯下溫度曲線(xiàn)（見(jiàn)圖5～6）的對(duì)比可以看出，12月廈門(mén)市平均氣溫12～19℃，毛毯下溫度低于混凝土上部溫度，所有溫差最大不超過(guò)20℃，滿(mǎn)足大體積混凝土施工規(guī)范的要求[4]。

圖5測(cè)點(diǎn)1上部溫度與毛毯溫度對(duì)比

圖6測(cè)點(diǎn)15上部溫度與毛毯溫度對(duì)比

3.4.3混凝土內(nèi)部溫度變化率

圖7、8分別給出了測(cè)點(diǎn)1、15處筏板大體積混凝土的溫度變化隨時(shí)間的變化。從圖中可以看出，在澆筑完成24 h內(nèi)，混凝土內(nèi)部溫度變化率較大，之后趨于平穩(wěn)。內(nèi)部溫度約在澆筑完成86 h后達(dá)到峰值，然后開(kāi)始降溫，降溫速率均小于2℃/h。在混凝土外表面加強(qiáng)保濕和保溫措施，能使溫度下降速率控制在2℃/d，滿(mǎn)足大體積混凝土施工規(guī)范要求[4]。

圖7測(cè)點(diǎn)1溫度變化率曲線(xiàn)

圖8測(cè)點(diǎn)15溫度變化率曲線(xiàn)

4結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工時(shí)應(yīng)對(duì)混凝土的材料選擇、溫度和養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行控制，大體積混凝土的施工質(zhì)量除了必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、耐久性、防水性等要求外，主要應(yīng)對(duì)溫度變化和收縮引起的裂縫進(jìn)行預(yù)防和控制。本文根據(jù)大體積混凝土的實(shí)際特點(diǎn),總結(jié)了溫度裂縫形成的原因和常用的預(yù)防措施，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)通水冷卻等溫差控制措施進(jìn)行了詳細(xì)介紹,并根據(jù)實(shí)測(cè)的溫度曲線(xiàn)分析了其降溫效果。結(jié)果表明，這些措施可以有效地控制大體積混凝土在施工過(guò)程中產(chǎn)生的裂縫，并且應(yīng)在大體積混凝土施工過(guò)程中對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)掌握溫度變化情況，并采取相應(yīng)的措施。

參考文獻(xiàn):

[1]譚維祖.混凝土收縮、開(kāi)裂及其評(píng)價(jià)與防治[J].混凝土, 2001.

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國(guó)電力出版社.

[3]澆筑溫度對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2011（09）.

[4] GB 50496- 2009,大體積混凝土施工規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).