Question

大体积混凝土浇筑温度裂缝产生的原因和控制方法研究？

Answer 1

随着我国经济的发展，工程建设规模的不断扩大，大体积混凝土在结构中的应用越来越广泛，施工中的大体积混凝土温度裂缝问题日显突出，并成为具有相当普遍性的问题[1]。温度裂缝作为长期困扰大体积混凝土的主要难题，涉及到建筑材料、设计、施工和管理等多方面的因素[2-3]。有关规范中关于土木工程的温度裂缝控制条款还不完善，工程中的温度控制实施主要依靠实践经验，缺乏理论依据。本文对大体积混凝土的温度裂缝及其控制技术进行了探讨。
一、大体积混凝土浇筑温度裂缝产生的原因
结构物在实际使用中承受各种荷载，当结构的抗拉强度不足以抵抗荷载作用时，结构就可能出现裂缝。外荷载的直接应力和次应力、温度变化、缩胀以及不均匀沉降等都会产生裂缝。大体积混凝土常见的质量问题是混凝土结构产生裂缝。造成结构裂缝的原因是复杂的，综合性的。但是，大体积混凝土从浇筑时起，到达到设计强度止，即施工期间产生的结构裂缝主要是由水泥水化热引起的温度变化造成的。大体积混凝土工程，水泥用量多，结构截面大，因此，混凝土浇筑以后，水泥放出大量水化热，混凝土温度升高。由于混凝土导热不良，体积过大，相对散热较小，混凝土内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快。升温阶段，混凝土表面温度总是低于内部温度。依据热胀冷缩的原理，中心部分混凝土膨胀的速度要比表面混凝土快，中心部分与表面质点间形成相互约束，中心属于约束膨胀，不会开裂；表面属于约束收缩，当表面拉应力（t）超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。
随着水泥水化反应的减慢及混凝土的不断散热，大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段，温度降低，体积收缩。由于混凝土内部热量是通过表面向外散发，降温阶段，混凝土表面温度与中心温度仍然存在差值，如果过大，同升温阶段一样产生表面裂缝。降温过程，混凝土体积收缩，同时，考虑到边界条件和地基的约束，属于约束收缩。但此时，混凝土龄期增长，强度增大，弹性模量增高，因此，降温收缩产生的拉应力较大，除了抵消升温时产生的压应力外，在混凝土中形成了较高的拉应力（t），超过混凝土的抗拉强度关，就引起大体积混凝土的贯穿裂缝。
水泥水化硬化，水是必备的前提条件，但混凝土为了满足施工和易性的要求，通常所加水量是水泥水化所需水量的数倍，多余的水为游离水，游离水容易蒸发，引起体积收缩（称为干缩）。干缩与混凝土降温产生的冷缩叠加，增大了混凝土中的拉应力，加剧了混凝土中裂缝的产生。
二、大体积混凝土温度裂缝控制方法
在大体积混凝土工程施工中，由于水泥水化热引起混凝土内部温度和温度应力剧烈变化，从而导致混凝土发生裂缝。因此，控制混凝土浇筑块体因水化热引起的温升、混凝土块体的内外温差及降温速度，是防止混凝土出现有害温度裂缝的关键。自上世纪初开始，有关大体积混凝土防裂问题就得到研究。美国通过箭石坝（1915年，高107米）、胡佛坝（1930年，221米）等大坝的建设对大体积混凝土进行了全面的研究，在上世纪60年代就得到了一套比较定型的大体积混凝土设计、施工模式。即①采用低热水泥或一部分用活性掺合料；②降低水泥含量以减少总的水化热量；③限制浇筑层厚度和最短的浇筑间歇期；④采用人工冷却混凝土组成材料的方法来降低混凝土的浇筑温度；⑤在混凝土浇筑以后，采用预埋冷却水管，通循环水来降低混凝土的水化热温升；⑥保护新浇混凝土的暴露面，以防止突然的降温，在极端寒冷地区，掩盖在棚内进行人工加热。在酷热季节，采用棚盖来防止新浇混凝土暴露面避免日光直射，并同时用喷雾的办法来防止混凝土过早的凝结和干燥，要求在各种条件下，混凝土的养护至少在14d以上，此外，还采用浇筑层厚与间歇期随不同浇筑温度而变化的浇筑办法。前苏联在1977年修建托克托古尔电站也形成发展了一套行之有效的大体积混凝土温控防裂措施，即托克托古尔法。
我国在修建丹江口工程时，提出了防裂措施，一是严格控制基础允许温差，新老混凝土上下层温差和内外温差；三是严格执行新浇混凝土的表面保护；三是提高混凝土的抗裂能力。
由水利工程中总结出来的大体积混凝土温度裂缝控制方法和措施在建筑工程实践中也得到应用，取得了很好的效果。根据这些工程实践，可以看到建筑工程中大体积混凝土的温度裂缝控制要在设计、施工和检测三个方面采取一系列的技术措施。
（一）设计控制措施
尽可能选用强度等级低的混凝土，充分利用后期强度。随着高层建筑和超高层建筑的不断出现，大体积混凝土的强度日益增大，出现C40-C50等高强混凝土，设计强度过高，水泥用量大，水化热量高。而高层建筑的建设周期长，在混凝土的早龄期，荷载远未达到设计荷载值，可以利用混凝土的60d或90d后期强度，这样可以减少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土浇筑块体的温度升高。采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值，可以使混凝土浇筑后的内外温差和降温速度控制的难度降低，也可降低保温养护的费用。用于大体积混凝土的强度在C25-C35的范围内选用，水泥用量最好不超过380kg/m3。
（二）施工控制措施
合理选择原材料、优化混凝土配合比。按照混凝土设计强度要求合理选择原材料、优化混凝土配合比使混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、线膨胀系数较小。具体是：
（1）采用低水化热、高强度水泥，以降低水泥水化热，提高混凝土的抗裂能力。所用的水泥应进行水化热测定，水泥水化热测定按现行国家标准《水泥水化热实验方法（直接法）》测定，要求配制混凝土所用水泥7d的水化热不大于25kJ/kg；
（2）采用导热性好、线膨胀系数小、级配合理的骨料，减少混凝土温度应力。根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径。选择合理的最大粒径，尽可能选用较大的粒径。例如5-40mm粒径可比5-25mm粒径的碎石或卵石混凝土可减少用水量6-8kg/m3，降低水泥用量15kg/m3，因而减少泌水收缩和水化热。要优先选用天然连续级配的粗集料，使混凝土具有较好的可泵性，减少用水量、水泥用量，进而减少水化热。细集料以采用级配良好的中砂为宜。实践证明：采用细度模数2.8的中砂比采用细度模数2.3的中砂可减少用水量20-25 kg/m3，可降低水泥用量28-35 kg/m3，因而降低了水泥水化热、混凝土温升和收缩；（3）优化混凝土的配合比，以便在保证混凝土强度及流动度条件下，尽量节省水泥、降低混凝土绝热温升。按照基于绝热温升控制的绿色高性能混凝土配合比优化设计四功能准则对配合比进行优化；
（4）掺用混合材料以减少用水量、节约水泥，降低混凝土的绝热温升，提高混凝土的抗裂能力；
（5）掺用外加剂减缓水化热的发生速率。外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入水泥重量0.25%的木钙减水剂，不仅使混凝土工作性能有了明显的改善，同时又减少10%拌和用水且节约10%左右的水泥，从而降低了水化热。
一般泵送混凝土为了延缓凝结时间，要加缓凝剂，反之凝结时间过早，将影响混凝土浇筑面的粘结，易出现层间缝隙，使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。为了防止混凝土的初始裂缝，宜加膨胀剂。但膨胀剂的选取需要注意。
（三）监测措施
大体积混凝土温度控制的测试内容：
（1）混凝土绝热温升的测试，混凝土绝热温升的测试有两种方法，间接法和直接法。间接法是用水泥的水化热、水泥用量、混凝土比热、混凝土密度来计算混凝土绝热温升。直接法是用混凝土绝热温升实验仪直接测定混凝土绝热温升。直接法测定结果准确，但是实验设备和实验过程比较复杂，一般用于大型工程中。中小型工程常不具备这种条件，一般用间接法即可满足要求；
（2）混凝土浇筑温度的监测,监测混凝土浇筑时的温度，保证浇筑温度不要超过控制标准，以便控制混凝土浇筑后的温度升高峰值。同时也包括对混凝土搅拌、运输过程中温度的监测和混凝土原材料温度的监测；
（3）养护过程中的温度监测一般监测浇筑后大体积混凝土内部（中部、表面、底部）的温度和
三、结论
大体积混凝土刚度较大，一般没有强度的问题，但由于它往往属于地下隐蔽工程，裂缝的存在将严重影响其正常使用，其中温度裂缝是施工过程中产生的主要裂缝。本文对大体积混凝土温度裂缝的控制问题进行了探讨，取得了较好的效果。
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