大體積混凝土溫度裂縫的成因及控制技術(shù)
【關(guān)鍵詞】大體積混凝土施工；裂縫；溫度控制；施工技術(shù)措施
一.前言
由于大體積混凝土體積大，表面小，水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部溫升較快，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差較大時，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全和建筑物正常使用，因此必須從根本上掌握大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生及控制，確保工程質(zhì)量。
二.大體積混凝土裂縫產(chǎn)生分析
國際上對大體積混凝土定義的標(biāo)準(zhǔn)：指實(shí)體截面最小尺寸≥1m的混凝土構(gòu)件。它的表面系數(shù)比較小，水泥水化熱釋放比較集中，內(nèi)部溫度上升較快。當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差較大時，會使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。
大體積混凝土工程，水泥用量多，結(jié)構(gòu)截面大，因此，混凝土澆注后，水泥放出大量水化熱，混凝土溫度升高。由于混凝土導(dǎo)熱不良，體積過大，相對散熱較小。因此，混凝土內(nèi)部水化熱積聚不易散發(fā)，外部則散熱較快，根據(jù)熱脹冷縮的原理，結(jié)構(gòu)自身約束由伴隨溫度變化引起的建筑物體積變化產(chǎn)生應(yīng)力，一但拉伸應(yīng)力＞混凝土抗拉強(qiáng)度則產(chǎn)生裂縫。
因此控制大體積混凝土開裂必須著重考慮兩個因素。一）提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，保證其能克服各種因素引起的開裂應(yīng)力：二）控制溫度應(yīng)力＜混凝土的抗拉強(qiáng)度。
三、裂縫控制手段
要控制混凝土裂縫的產(chǎn)生必須從原材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工組織安排三個方面著手。
3.1原材料的控制。
3.1.1水泥：在選擇水泥時，應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。
3.1.2在選擇骨料時，應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。石子級配：大體積混凝土宜采用連續(xù)級配。
3.1.3砂除滿足骨料規(guī)范要求外，應(yīng)適當(dāng)放寬石粉或細(xì)粉含量，有利于提高混凝土的工作性，而且可提高混凝土的密實(shí)性、耐久性和抗裂性。
3.1.4摻合料和外加劑：
3.1.4.1粉煤灰只要細(xì)度與水泥顆粒相當(dāng)，燒失量小，含硫量和含堿量低，需水量比小，均可摻用在混凝土中使用。
3.1.4.2高效減水劑和引氣劑復(fù)合使用對減少混凝土單位用水量和膠凝材料用量，提高硬化混凝土的力學(xué)、熱學(xué)、變形、耐久性等性能起著極為重要的作用。
3.1.5水：水源對大體積混凝土的影響主要是在攪拌溫度控制上。
3.2混凝土配合比控制
混凝土配合比設(shè)計(jì)時，應(yīng)盡可能的降低混凝土的單位用水量，采用低砂率、低坍落度、低水灰比，摻高效減水劑和高性能引氣劑，高粉煤灰摻量的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高抗拉的抗裂混凝土。
3.3設(shè)計(jì)控制
3.3.1采用合理的平面和立面設(shè)計(jì)，避免截面突變，從而減小約束應(yīng)力；
3.3.2合理布置分布鋼筋，盡量采用小直徑，密間距。全截面配筋率不小于0.3%，應(yīng)在0.3%~0.5%之間。
3.3.3避免采用高強(qiáng)混凝土，盡可能選用中、低強(qiáng)度的混凝土。
3.4施工控制
3.4.1供料：在澆筑前，攪拌站配備足夠的原料，特別是水泥確保同一廠家，同一批次，符合同一混凝土配比的水泥。
3.4.2運(yùn)料：為使混凝土的運(yùn)輸不至于影響混凝土的澆筑，行車路線必須要要提前考察。
3.4.3澆筑：根據(jù)混凝土澆筑量、構(gòu)件形式、混凝土澆筑方式等進(jìn)行確認(rèn)。分層澆筑可以增大散熱面積，保證施工質(zhì)量。
3.4.4振搗：實(shí)行快插慢拔、分層振搗的振搗方法。
3.4.5養(yǎng)護(hù)：混凝土澆筑后，及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以通過降低內(nèi)外溫度差和減慢降溫速度來達(dá)到降低塊體自約束應(yīng)力和提高混凝土抗拉強(qiáng)度。
3.4.6監(jiān)測：混凝土澆筑前，在混凝土內(nèi)部布設(shè)傳感器或設(shè)置溫度測量孔，使內(nèi)外溫度直接顯示出來，方便將內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)。3.4.7內(nèi)部降溫：在混凝土內(nèi)部敷設(shè)循環(huán)冷卻水管以降低混凝土內(nèi)部溫度。
3.4.8蓄熱養(yǎng)護(hù)：混凝土澆筑完成后，可以采用草簾被或水進(jìn)行蓄熱，以限制混凝土表面的溫度散發(fā)過快造成溫度裂縫，使內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)。
3.4.9澆筑溫度：大體積混凝土澆筑宜避開炎熱的夏季，這樣可有利于減小溫差，進(jìn)而減小溫度應(yīng)力。
四、混凝土裂縫控制設(shè)計(jì)實(shí)例
工程實(shí)例:××廠易地技術(shù)改造項(xiàng)目中煙1#橋墩直徑為1.6m，混凝土及其原材料各種原始數(shù)據(jù)及參數(shù)為：C30混凝土采用P.S42.5礦渣硅酸鹽水泥,其配合比為（單位kg）=水158：水泥297：砂717：石子1254：粉煤灰67(每立方米混凝土質(zhì)量比),砂、石含水率分別為Ps2%、Pg1%,混凝土容重為2480kg/m3。各種材料的溫度及環(huán)境氣溫：水Tw22℃，砂、石子Tc、Ts21℃，水泥Tg26℃、粉煤灰Tf23℃，環(huán)境氣溫TQ21℃。
4.1混凝土溫度計(jì)算
4.1.1拌和溫度計(jì)算:
公式T0=∑TimiCi/∑miCi可轉(zhuǎn)換為:T0=[0.9(mcTc+msTs+mgTg+mfTf)+4.2Tw(mw-Psms-Pgmg)+C1(PsmsTs+PgmgTg)-C2(Psms+Pgmg)]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf)]
式中:T0為拌和溫度;
mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰單位用量(kg);
C1、C2—水的比熱容(KJ/Kg•K)及溶解熱(KJ/Kg)。
當(dāng)骨料溫度>0℃時,C1=4.2,C2=0;
當(dāng)骨料溫度＜0℃時C1=2.1,C2=335。
本實(shí)例中拌和溫度為:T0=22.14℃。
4.1.2出機(jī)溫度計(jì)算:
按公式T1=T0-0.16(T0-Ti)式中:T1—出機(jī)溫度(℃);Ti—攪拌棚內(nèi)溫度(℃)。本例中,T1=22.6℃。
4.1.3混凝土澆筑溫度計(jì)算:
按公式TJ=T1-(α•τn+0.032n)•(T1-TQ)式中:TJ—澆筑溫度(℃);τn—開始運(yùn)輸至澆筑完成時間(h);n—混凝土運(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)。α—溫度損失系數(shù)(/h)本例中,若τn取1/3,n取1,α取0.25,則:
TJ=22.42℃＜30℃
4.1.4絕熱溫升計(jì)算
Th=W0•Q0/(C•ρ)
式中:W0—每立方米混凝土中的水泥用量(kg/m3);Q0—每公斤水泥的累積最終熱量(KJ/kg);C—混凝土的比熱容取0.97(KJ/kg•k);ρ—混凝土的質(zhì)量密度(kg/m3)
Th=41.1℃
4.1.5內(nèi)部實(shí)際溫度計(jì)算
Tm=TJ+ξ•Th
式中:Th—混凝土最終絕熱溫升;ξ—溫降系數(shù)查建筑施工手冊,若混凝土澆筑厚度3.4m。則:ξ3取0.704,ξ7取0.685,ξ14取0.527,ξ21取0.328。
本例中:Tm(3)=51.35℃;
Tm(7)=50.57℃;
Tm(14)=44.08℃;
Tm(21)=36.23℃。
4.1.6表面溫度計(jì)算
Tb(τ)=Tq+4h’(H-h’)ΔT(τ)/H2式中:Tb(τ)—齡期τ時混凝土表面溫度(℃);Tq—齡期τ時的大氣溫度(℃);H—混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算厚度(m)。按公式H=h+2h’計(jì)算,h—混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際厚度(m);h’—混凝土結(jié)構(gòu)的虛厚度(m):h’=K•λ/βK—計(jì)算折減系統(tǒng)取0.666,λ—混凝土導(dǎo)熱系數(shù)取2.33W/m•K。β—模板及保溫層傳熱系數(shù)(W/m2•K):β值按公式β=1/(∑δi/λi+1/βg)計(jì)算,δi—模板及各種保溫材料厚度(m);λi—模板及各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)(W/m•K);βg—空氣層傳熱系數(shù)可取23W/m2•K。ΔT(τ)—齡期τ時,混凝土中心溫度與外界氣溫之差(℃):
ΔT(τ)=Tm(τ)-Tq,
若保護(hù)層厚度取0.04m,混凝土灌注高度為7m,則:
β=1/(0.003/58+0.04/0.06+1/23)=1.41
h’=K•λ/β=0.666×2.33/1.41=1.1
H=h+2h’=9.2(m)
若Tq取21℃,則:
ΔT(3)=30.35℃
ΔT(7)=29.57℃
ΔT(14)=23.08℃
ΔT(21)=15.23℃
則:Tb(3)=33.78℃
Tb(7)=33.45℃
Tb(14)=30.72℃
Tb(21)=27.41℃
4.1.7內(nèi)部與表面溫差計(jì)算
ΔT(τ)s=Tm(τ)-Tb(τ)
本工程實(shí)例中:
ΔT(3)s=17.57(℃)
ΔT(7)s=17.12(℃)
ΔT(14)s=13.36(℃)
ΔT(21)s=8.82(℃)
4.2大體積混凝土施工技術(shù)措施
4.2.1原材料預(yù)控。
4.2.1.1水泥必須有產(chǎn)品合格證、出廠檢驗(yàn)報(bào)告和進(jìn)場復(fù)驗(yàn)報(bào)告�；炷潦褂玫乃鄰�(qiáng)度等級不應(yīng)低于42.5MPa；同時由于設(shè)計(jì)對耐久性的要求：砼最小水泥用量為275Kg/m3。選用高標(biāo)號普通硅酸鹽水泥（P.O42.5）。
4.2.1.2粉煤灰的級別不應(yīng)低于二級，質(zhì)量應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596-2005等的規(guī)定。摻量≤20％。加入緩凝型復(fù)合高效減水劑，延長水化熱釋放時間，降低水泥用量。添加UEA建設(shè)部認(rèn)可的砼膨脹劑，并應(yīng)由生產(chǎn)廠家做技術(shù)質(zhì)量保證和施工指導(dǎo)。
4.2.1.3石子優(yōu)先選用抗壓強(qiáng)度高的粗骨料，粒徑5-40mm，符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》（JGJ53）的規(guī)定，石子含泥量＜1%。
4.2.1.4砂宜采用中粗砂，其它要求應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》（JGJ52）的規(guī)定。
4.2.1.5使用飲用水拌制混凝土，并符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《混凝土拌合用水》（JGJ63）的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。
4.2.2澆筑和振搗要求。
每一段內(nèi)混凝土連續(xù)澆筑，并在下層混凝土初凝前將上層混凝土澆筑完畢。
澆筑混凝土?xí)r設(shè)專人看模，經(jīng)常觀察模板、支架、鋼筋、預(yù)埋件、預(yù)留孔洞、鋼筋保護(hù)層的情況，當(dāng)發(fā)生變形移位時立即停止?jié)仓�，并在已澆筑的混凝土初凝前修整完好。�?/p>
使用30或50棒插入式振搗棒要快插慢拔，插點(diǎn)呈梅花形布置，按順序進(jìn)行，不得遺漏。移動間距不大于振搗棒作用半徑的1.5倍，振搗時間以混凝土表面出現(xiàn)浮漿及不出現(xiàn)氣泡、下沉為宜，實(shí)行快插慢拔、分層振搗的振搗方法。振搗上一層時插入下一層混凝土5cm以消除兩層間的接縫。
4.2.3澆筑。
混凝土澆筑采用分層分段澆注施工�；炷脸跄龝r間不小于8h（在商品混凝土供應(yīng)合同中明確），在下層混凝土初凝前1h內(nèi)必須將上層混凝土澆筑完畢。
澆注產(chǎn)生的泌水容易使混凝土表面水泥砂漿層過厚，致使混凝土強(qiáng)度不均產(chǎn)生收縮裂縫；澆筑過程及時處理掉。
及時將輸送到模板內(nèi)的混凝土振搗密實(shí)，不得漏振、過振。
4.2.3溫度測試。
加強(qiáng)測溫和溫度監(jiān)測與管理，隨時控制內(nèi)外溫差在25℃以內(nèi)，及時調(diào)整保溫和養(yǎng)護(hù)措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不致過大。
根據(jù)混凝土溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的分析，采用電子測溫儀測控溫度，具體做法是預(yù)埋測溫探頭進(jìn)行測溫，測溫探頭的位置應(yīng)具有代表性，同時根據(jù)溫度對稱分布的特點(diǎn)，按澆筑高度，分布在底、中、表面，按平面尺寸分邊緣和中間兩種，對橋墩布點(diǎn)測溫，控制指標(biāo)如下：底部溫差和混凝土中心溫差均控制在20℃以內(nèi)
混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃；
降溫速度不大于1.5～2℃／d；
控制混凝土出罐和入模溫度；
4.2.4混凝土養(yǎng)護(hù)。
混凝土澆筑后，及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。
混凝土養(yǎng)護(hù)采用一層塑料布上加兩層草簾子，在現(xiàn)場另準(zhǔn)備一層塑料布和一層草簾子，據(jù)測溫記錄確定是否需蓋草簾子，依據(jù)現(xiàn)場測溫結(jié)果，必要時采取蓄水方式進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。
在澆筑完畢12h內(nèi)，開始進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，當(dāng)日平均大氣溫度超過+5℃時，采取澆水或保溫養(yǎng)護(hù)，低于+5℃時不得澆水。養(yǎng)護(hù)期限根據(jù)混凝土測溫記錄確定。
5.結(jié)束語
大體積混凝土施工質(zhì)量的好壞，最重要的準(zhǔn)備工作，從設(shè)計(jì)、原材料、攪拌、運(yùn)輸、澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)、測溫等過程進(jìn)行預(yù)控制，提前進(jìn)行混凝土配比的確定、澆筑前熱功計(jì)算、編制合理的實(shí)施計(jì)劃以及澆筑后裂縫控制計(jì)算、保溫材料的選擇及厚度計(jì)算。因而，在大體積混凝土的施工過程中，大體積混凝土施工方案的成功與否，將直接影響大體積混凝土施工質(zhì)量。
