大体积混凝土温度裂缝的分析与控制.doc

大体积混凝土温度裂缝的分析与控制作者：曹运周董佳佳王程锋赵永峰 【摘 要】大体积混凝土工程由于结构截面大，混凝土浇注后，水泥放出大量水化热，混凝土温度升高，而且混凝土导热不良，相对散热较小。因此，混凝土内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快，很容易由于温度的不均衡分布产生应力，故而产生温度裂缝。本文详细地介绍了大体积混凝土产生裂缝的机理，并从材料、设计、施工方面提出控制手段，引用具体实例进行论证。【关键词】大体积混凝土施工；裂缝；温度应力；测温【Abstract】Mass concrete works great because of structural cross-section, concrete pouring, the evolution of considerable heat of hydration of cement, concrete temperature, and the concrete thermal conductivity of non-performing, relatively small heat. Therefore, the concrete hydration heat build-up is not easy dissemination of internal and external is cooling rapidly, it is easy because of the uneven distribution of temperature cause stress and therefore I produce temperature cracks. This article describes in detail cracks in mass concrete mechanism, and from materials, design, construction and put forward controls, citing specific examples to demonstrate.【Key words】Mass concrete construction; Crack; Temperature stress; Temperature 1. 前言 近几年来，全国各地工程规模日趋扩大，结构形式日益复杂，工业与民用建筑中对大体积混凝土需求越来越多。由于其体积大，表面小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快，当混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用，所以必须从根本上分析它，来保证施工的质量。 2. 裂缝成因分析 大体积混凝土一般是指实体截面最小尺寸大于或等于1m的混凝土构件。它的表面系数比较小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用 混凝土裂缝分为以下几种类型：弯距剪力等外力荷载引起的裂缝；干燥收缩引起的裂缝；混凝土自身收缩引起的裂缝；温度裂缝。 大体积混凝土工程，水泥用量多，结构截面大，因此，混凝土浇注后，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。因此，混凝土内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快，依据热胀冷缩的原理，结构自身约束由伴随温度变化引起的建筑物体积变化产生应力，一但拉伸应力抗拉强度则混凝土产生裂缝。 故控制大体积混凝土开裂必须从两方面入手。一方面，提高混凝土的抗拉强度，使其足够大，大到各种因素引起的开裂应小于它，另一方面，控制温度应力，使其尽可能小，永远小于混凝土的抗拉强度。 3. 裂缝控制手段 要避免混凝土裂缝的产生需从材料、设计、施工上来进行控制。 3.1 材料控制 (1)水泥：使用水化热较低的水泥以及尽量降低单位水泥用量；水泥在水化过程中要释放出一定的热量，而大体积混凝土结构断面较厚，表面系数相对较小，所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去，以至于越积越高，使内外温差增大。单位时间混凝土释放的水泥水化热，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期而增长。由于混凝土结构表面可以自然散热，普通混凝土内部的最高温度，多数发生在浇筑后的最初37天。 (2)掺合料和外加剂：在混凝土中掺入水泥用量0.25%的减水剂，可同时减少10%的水泥用量，从而降低水化热的产生；在混凝土中掺入粉煤灰，不仅可代替水泥用量，而且可大大改善混凝土的可泵性和工作性，从而降低水化热的产生；在混凝土中掺入膨胀剂，混凝土在硬化过程中产生体积膨胀，可以部分或全部补偿硬化过程 中冷缩和干缩，减免混凝土的开裂。 (3)粗细骨料：在钢筋间距和泵车输送管的允许下，尽量选用粒径大的骨料，一般中、粗砂比使用细砂每平方米混凝土减少用水量2025Kg左右，水泥相应也减少2835Kg,从而降低混凝土的干缩，条件允许的情况下，可以采用设计毛石大体积混凝土基础。 (4)石子级配：石子级配对节约水泥及保证具有良好的和易性关系很大, 大体积混凝土宜采用连续级配。 (5)水：水源对大体积混凝土的影响主要是在搅拌温度控制上，大体积混凝土搅拌时必要时采用冰水混合搅拌，以降低混凝土入模温度。 3.2 设计控制 (1)合理的平立面设计：采用合理的平面的立面的设计，避免截面突变，从而减小约束应力； (2)合理使用钢筋：合理布置分布钢筋，尽量采用小直径，密间距。全截面配筋率不小于0.3%，应在0.3%0.5%之间。 (3)混凝土的选定：避免采用高强混凝土，尽可能选用中、低强度的混凝土。 (4)设置滑动层：考虑到基础同时受到地基和桩基的约束，在基础的下底面设置滑动层来减小其约束，降低混凝土内部的约束应力。 3.3 施工控制 (1)混凝土的供料：为使混凝土浇筑工作顺利进行,必须根据混凝土方量计算确定泵车台数及搅拌站生产能力,在浇筑前，搅拌站配备足够的原料，特别是水泥的备料，确保同一厂家，同一批次，符合同一混凝土配比的水泥，必要时准备2-3个搅拌站同时备料。 (2)混凝土的运料：为使混凝土的运输不至于影响混凝土的浇筑，车行路线必须要要提前考察，特别是在大中城市，对于堵车、限行等必须提前预控。 (3)混凝土的浇筑：大体混凝土浇筑主要有三种方式：其一，分层平行推进；其二，分层斜面推进；其三，分层交错推进方式。需要根据混凝土浇筑量、构件形式、混凝土浇筑方式等进行确认。分层浇筑可以增大散热面积，保证施工质量。 (4)混凝土的振捣：实行快插慢拔、分层振捣的振捣方法。振捣上一层时插入下一层混凝土5cm以消除两层间的接缝。通过二次振捣可以使混凝土更加密实，对提高混凝土的抗拉能力很有力； (5)混凝土的收压：在混凝土初凝之前二次用力搓平并将表面拉毛，拉毛必须保证纹路均匀顺直。条件允许时最好采用滚筒碾压数遍,并用木蟹打磨压实,以闭合收缩裂缝。 (6)混凝土的养护：混凝土浇筑后，及时进行养护，以通过降低混凝土内外温度差和减慢降温速度来达到降低块体自约束应力和提高混凝土抗拉强度，以承受外约束应力时的抗裂能力。 (7)混凝土的监测：混凝土浇筑前，在混凝土内部布设传感器或设置温度测量孔，使内外温度直接显示出来，方便将内外温差控制在25以内。 (8)混凝土的内部降温：在混凝土内部敷设循环冷却水管以降低混凝土内部温度。 (9)混凝土的蓄热养护：混凝土浇筑完成后，可以采用草帘被或水进行蓄热，以限制混凝土表面的温度散发过快造成温度裂缝，使内外温差控制在25以内。 (10)浇筑温度：大体积混凝土浇筑宜避开炎热的夏季，这样可有利于减小温差，进而减小温度应力； 4. 混凝土裂缝控制设计 4.1 工程概况。 本工程为金融街F1大厦，总建筑面积122458m2，位于金融街F1地段，四周临近城市道路。基础部分最大厚度为2400mm，独立基础部分最大厚度为1200mm，混凝土采用C40S8防水混凝土，底板划分为六个施工段区域，混凝土量最大区域4162m3。 大体积混凝土工程全部采用商品混凝土，根据结构特点及混凝土工程量分布，结合拖式泵的输送能力，混凝土浇筑主要采用拖式泵和汽车泵配合完成，泵管用架子管顶牢并加固，并由塔吊配合找平。 因现场场地狭小，混凝土罐车在现场内不能错车及停滞时间过长，所以，在混凝土浇筑施工时，必须合理安排，派专人负责疏导车辆进出场，保证混凝土连续浇筑。 施工中从商品混凝土的原材料、配合比、水灰比、和易性、坍落度、运输、浇筑、振捣、养护到施工缝处理等各个程序入手，严格按照施工规范要求操作，以确保混凝土施工质量。 混凝土施工采取散热、保温、及温度监测等相应措施以控制混凝土温升和温降速度，避免底板出现温度裂缝和较强温度应力。 根据施工工序及工期安排，混凝土浇筑尽量不扰民，安排在方便施工及交通状况较好条件下，各专业有关领导及施工人员跟班作业，同时做好各方协调工作。 4.2 控制手段 4.2.1 混凝土原材料预控。 混凝土所使用的原材料水泥必须有产品合格证、出厂检验报告和进场复验报告，必须符合混凝土结构工程施工质量验收规范GB50204-2002中的要求。底板混凝土使用的水泥强度等级不应低于42.5MPa；同时由于设计对耐久性的要求：基础部分的砼最小水泥用量为275Kg/m3，最大水灰比为0.55，最大氯离子含量为0.2%，最大碱含量为3.0Kg/m3。选用高标号普通硅酸盐水泥（P.O42.5），质量符合现行国家标准通用硅酸盐水泥（GB175）。 混凝土中掺用的粉煤灰的级别不应低于二级，质量应符合现行国家标准用于水泥和混凝土中的粉煤灰GB1596-2005等的规定。掺合料的掺量应通过试验确定，掺量不宜大于20。 石子优先选用抗压强度高的粗骨料，粒径5-40mm，泵送时其最大粒径应为输送管径的14，其它要求应符合国家现行标准普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法（JGJ53）的规定，石子含泥量小于1%。 砂宜采用中粗砂，其它要求应符合国家现行标准普通混凝土用砂质量标准及检验方法（JGJ52）的规定。 宜使用饮用水拌制混凝土，并符合国家现行标准混凝土拌合用水（JGJ63）的规定标准。 加入缓凝型复合高效减水剂，延长水化热释放时间，降低水泥用量，减低混凝土的峰值温度及延缓峰值出现； 同时应添加UEA建设部认可的砼膨胀剂，并应由生产厂家做技术质量保证，添加剂量应由设计单位和生产厂家的技术人员共同商定，且须有该生产厂家的技术人员指导施工。 4.2.2 大体积混凝土裂缝预控计算。 为确保温度在可控制的范围内，进行大体积混凝土温度计算，施工温度计算如下： 混凝土配合比（由搅拌站提供28天混凝土强度等级符合图纸要求C40S8）： 水泥：293Kg/m3 ；砂：728 Kg/m3 ； 石：1027 Kg/m3 ； 水：175 Kg/m3 外加剂高效膨胀减水剂：13.1 Kg/m3 ； 膨胀剂：26Kg/m3； 粉煤灰：50Kg/m3 高炉矿渣粉：50Kg/m3 大气温度：18 混凝土入模温度：20 由于地下部分第二段浇注面积，混凝土量均为最大，故以第二部分进行计算：初定养护方式：下面铺一层塑料布，上面铺两层草袋进行保温养护。 (1）最大绝热温升：Th=mcQ/c（1-e-mt）=47.2 (2）混凝土中心计算温度：T1(t)=Tj+Th（t）=50.7 (3）混凝土表面温度:T2(t)=Tq+4?h( H- h)T1(t)- Tq/ H2=42.4 (4）混凝土内平均温度：Tm(t)=（ T1(t)+ T2(t) ）/2=46.5 经计算混凝土表层温度与中心温度之差为：50.7-42.4=8.3 符合规范所规定要求。 (5）应力：= E(t)TS(t)R/1-=1.497N/mm2ft =1.80N/mm2 (6）安全系数：K=ft/max=1.80/1.497 =1.201.15安全储备量满足要求。 在混凝土施工过程中及时按照施工时大气温度及混凝土入模温度进行测控计算，使得整体施工过程在可控制的范围内。 4.2.3 混凝土运送计算。 浇灌混凝土时分层厚度为400mm500mm，下层混凝土初凝之前必须浇筑完上一层混凝土，按一层计算，混凝土浇筑厚度0.5m。 以基础底板区2段底板混凝土浇灌量最大，厚度以此部位混凝土最大厚度为2400mm以其计算； 分层浇注时，分层最大一次混凝土方量为： 37.252.4=446.4m3； 混凝土初凝时间考虑外加剂调整不小于8小时左右，考虑到公路运送时间、人为因素影响等，要求按照5小时进行计算。则要求最低运送量为；446.4/5=89.28m3/h。 计算过的实际排量： 型号为HBT80的混凝土输送泵理论最大输出量为80m3，由于工程实际情况，如；混凝土的和易性、坍落度及天气等对混凝土输送泵的实际输出量有很大影响，按下式计算： Q1=Qmax1=800.850.7=47.6m3； 施工中采用两台型混凝土泵，此时泵送力为95.2m3>89.28m3； 故选择两台HBT80型混凝土输送泵能满足施工要求。同时为防止意外事故的发生要求现场组织准备一台备用HBT80型混凝土输送泵或一台汽车泵。 需配备混凝土运输车辆数计算： N1Q1/（60V1）(60L1/S0+T1) =15.8台次； 故浇注此段混凝土至少需配备32台运输车以保证混凝土供应量。 4.2.4 浇筑和振捣要求。 每一流水段内混凝土连续浇筑，如必须间隔，间隔时间尽量缩短，并在下层混凝土初凝前将上层混凝土浇筑完毕。 浇筑混凝土时为防止混凝土分层离析，混凝土由料斗、泵管内卸出时，其自由倾浇高度不得超过2m，超过时采用串筒或斜槽下落，出料管口至浇筑层的倾斜自由高度不应大于1.5m，混凝土浇筑时不得直接冲击模板。 浇筑混凝土时设专人看模，经常观察模板、支架、钢筋、预埋件、预留孔洞、钢筋保护层的情况，当发生变形移位时立即停止浇筑，并在已浇筑的混凝土初凝前修整完好。 使用30或50棒插入式振捣棒要快插慢拔，插点呈梅花形布置，按顺序进行，不得遗漏。移动间距不大于振捣棒作用半径的1.5倍，振捣时间以混凝土表面出现浮浆及不出现气泡、下沉为宜，实行快插慢拔、分层振捣的振捣方法。振捣上一层时插入下一层混凝土5cm以消除两层间的接缝。 4.2.5 混凝土浇筑。 混凝土浇筑采用分层分段滚浆浇注、推进施工，底板振捣从一侧开始，成阶梯状往前推进，阶梯设置长度不得大于5000mm，分层推进浇筑厚度400500mm，分别同步加以振捣密实，先将集水坑底部浇筑到比集水坑模板下口高50100mm，然后浇筑平板，斜面由泵送混凝土自然流淌而成，坡度控制在1：5左右。详见下图。在坑底混凝土初凝之前浇筑坑侧，坑侧浇筑时四周均匀布料，避免因混凝土从一侧挤压导致集水坑模板或钢筋移位。 混凝土初凝时间不小于8h（在商品混凝土供应合同中明确），在下层混凝土初凝前1h内必须将上层混凝土浇筑完毕。 混凝土浇筑方向按照先施工深基础底板，后施工浅基础的原则 混凝土浇注产生的泌水容易使混凝土表面水泥砂浆层过厚，致使混凝土强度不均产生收缩裂缝；浇筑过程及时处理掉，施工时通过后浇带处的钢筋与模板之间的缝隙将泌水排至后浇带，泌水沿后浇带排至集水井内，用水泵抽走。 基坑四周防水导墙混凝土用铁锹铲入模板内，不得直接用泵管放料。泵车送料速度须以施工操作面的需求速度随时加以调整，另一面严格控制混凝土入模温度，尽可能降低最高温升值。 每台输送泵不少于2台振捣器，及时将输送到基坑的混凝土振捣密实，不得漏振、过振。 混凝土浇筑标高拉线控制，用4m刮杠刮平大面，用木抹子搓抹平整，在混凝土初凝之前二次用力搓平并将表面拉毛，拉毛必须保证纹路均匀顺直。 4.2.6 温度测试。 防止大体积混凝土裂缝的主要措施是减少温度梯度和湿度梯度，加强测温、养护工作，应加强测温和温度监测与管理，实行信息化控制，随时控制混凝土内的温度变化，内外温差控制在25以内，及时调整保温和养护措施，使混凝土的温度梯度和湿度不致过大，以有效控制有害裂缝的出现。 根据混凝土温度应力和收缩应力的分析，采用电子测温仪测控温度，具体做法是预埋测温探头进行测温，测温探头的位置具有代表性，同时根据温度对称分布的特点，按浇筑高度，分布在底、中、表面，按平面尺寸分边缘和中间两种，对基础底板布点测温，每段基础底板设置5个测温点，测温点距边角和表面150mm，控制指标如下： 基面温差和混凝土中心温差均控制在20以内 混凝土内外温差不大于25； 降温速度不大于1.52d； 控制混凝土出罐和入模温度； 如若混凝土的