论大体积混凝土施工中温度及收缩裂缝的控制.doc

论大体积混凝土施工中温度及收缩裂缝的控制黄国华1引言1.1大体积混凝土国内外发展状况目前，国内外关于大体积混凝土施工的研究主要体现在以下两个方面：一方面，早期为了防止大体积混凝土构件过长，致使构件底部(对放置于地基土上的构件而言)或者是构件的部分断面(受竖向构件约束的大体积混凝土梁板)在收缩过程中产生过大的约束应力，及当这种应力超过混凝土在此龄期时的抗拉强度，混凝土将产生裂缝，而特意将一个构件用伸缩缝分成若干段。伸缩缝间距研究也就成为大体积混凝土结构的主要研究对象。又为了防止大体积混凝土在施工过程中，由于混凝土灌注而造成大量的热量堆积，采用分层、分块、分段间歇浇灌散热的方法使混凝土的内部温度与表面温度差值小于产生裂缝的温差。同时，还有以减少混凝土内部约束等为主要研究内容的施工技术的研究，如用后浇带等分隔施工方法等。另一方面，为了解决前面研究理论不能解决的主要问题，在大体积混凝土的设计及施工的后期研究过程中，主要表现在混凝土组成材料的物理、化学性能(如水泥水化热的释放速度和水化热的热容量大小，砂、石粒径及组成成分，矿物质的温度对混凝土内部温度的影响，各种外加剂的性能等)和混凝土的配比，保温、养护及绝热、降温等方法的研究。在大体积混凝土问题上，朱伯芳等人对水工混凝土结构的温度应力和裂缝控制进行了深入的研究。从1956年开始，朱伯芳对混凝土温度应力问题作了系统研究，阐明了混凝土温度应力发展的基本规律，提出了混凝土浇筑块、基础梁、重力坝、船坞、孔口、库水温度、寒潮、水管冷却等一系列计算方法。王铁梦对工业与民用建筑工程中大体积混凝土裂缝控制进行了研究。系统分析了建筑物的裂缝的发展变化规律，提出了有效的裂缝控制设计和施工措施，在总结宝钢、地铁建设、合流污水等重大工程裂缝实践经验的基础上，还运用综合研究方法，结合设计、施工、材料、地基、环境条件，提出“抗”与“放”的设计原则，统一了留缝与不留缝的两种设计流派的技术观点，结合实践提出了伸缩缝间距及裂缝控制的计算公式，并在工程中得到广泛应用。1.2存在问题大体积混凝土的裂缝控制问题是一项国际性的技术难题。最早的大体积混凝土结构是水坝码头，建筑工程中最早出现在大型设备基础。而在工业与民用建筑中能称得上大体积混凝土的多见于高层建筑的基础工程中，这些基础工程的厚度一般都在5m以内，都可通过设计、施工、材料，以及通过“抗”与“放”的设计原则来控制混凝土温度及温度裂缝。随着高层建筑高度的增加，要求基础底板的厚度越来越厚，如果基础底板厚度达到10m以上时，就会产生一系列新的问题。为了控制混凝土温度及温度裂缝，首先应从材料方面考虑，进一步研究优化低水化热混凝土配合比，就成为解决大体积混凝土裂缝控制的主要问题之一。其次是施工缝的留设，以减少大体积混凝土的体量。在工业与民用建筑中，常见的设缝方式多是竖缝，设置水平施工缝的做法虽有但还比较少见。由于超高层建筑基础底板厚度较厚、钢筋密集，垂直施工缝的留设，质量往往难以保证，而水平施工缝却能更好地解决此类问题。另外水平施工缝也会为复杂围护体系的换撑带来方便，所以留设水平施工缝应该引起重视。但由于目前留设水平施工缝的理论研究比较少，设置水平施工缝后，新旧混凝土的结合面的温度传递以及受力情况就成为又一个值得研究的问题。2大体积混凝土施工中温度及收缩裂缝的控制2.1超大体积低水化热、低收缩混凝土技术从材料角度分析，大体积混凝土裂缝产生的主要原因是由温度变形、湿胀干缩变形引起的。混凝土的温度变形主要由两部分组成：第一，在混凝土硬化过程中，由于水泥的水化热产生大量热量，大体积内部因散热缓慢而使其温度不断升高，产生内外温差，内部混凝土膨胀，而外部混凝土经散热，温度降低而收缩，形成表面裂缝；第二，由于环境温度的变化，根据混凝土热胀冷缩的性质，在温度下降后混凝土必将产生收缩而产生拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，将产生裂缝。混凝土的干缩变形是由于混凝土中水分蒸发而引起的。当混凝土在空气中硬化时，其中的水分会逐渐蒸发，使水泥石中的胶凝体逐渐干燥而产生收缩，从而产生干缩变形。在混凝土受到某种约束的情况下，干缩变形会使混凝土出现较大的拉应力，特别是在初凝阶段，由于混凝土抗拉强度较低，容易引起混凝土开裂。因此，如何优化混凝土配合比，在保证混凝土强度等级的前提下，使用适当的缓凝减水剂，减少水泥用量，延缓水泥水化放热速率，以减小水化热，同时掺加矿粉、粉煤灰等活性混合材料，替代部分水泥，有效地减小水化放热量来控制混凝土温度变形、湿胀干缩变形，已成为控制大体积混凝土裂缝的重要途径之一。根据已往大体积混凝土的施工经验，一般采取粉煤灰和矿粉的双掺技术降低水泥用量，延迟水化热峰值出现的时间，同时对工程的特点除了继续保留双掺技术外，还必须在外加剂材料上有所革新，进一步减小混凝土温度变形和干缩变形，进一步减少水泥用量，来提高整体混凝土的体积稳定性。2.1.1聚羧酸外加剂的应用大体积混凝土的主要难点在于内外温差的控制不应超过25，避免温差裂缝的产生，为此要求较低的水泥用量，以降低水化热。配合比设计上采用粉煤灰及矿渣微粉双掺技术，以减缓水泥水化过程中放热速度，同时提高混凝土的后期强度，增强抗裂性，对此许多试验研究已作了详尽的报导在此不再赘述，我们论述的是聚羧酸系外加剂在大体积混凝土的裂缝控制方面也较其他类型外加剂有独到的一面。众所周知外加剂的广泛使用促进了混凝土技术的发展，尤其是泵送混凝土、自密实混凝土、喷射混凝土等方面更离不开外加剂技术的研究与应用，但外加剂所导致的混凝土早期收缩的增大，也引起了工程界的重视。在混凝土外加剂（GB8076-1997）中，作为掺外加剂混凝土性能指标之一的收缩率比、标准中规定无论是普通减水剂还是高效减水剂，无论是早强减水剂还是缓凝减水剂，其28天掺外加剂混凝土与基准混凝土干缩率比值都应不大于135%。因此在大体积混凝土裂缝控制中选用干缩率尽可能小的外加剂，对改善混凝土早期干燥收缩是有利的。通过实测结果表明，聚羧酸系外加剂较木钙类、萘系外加剂的收缩率比都要来得小。我们通过砂浆试验发现掺有0.2%聚羧酸盐外加剂的砂浆比掺有1%萘系外加剂的相同砂浆小40%的收缩值，而且两种砂浆试件具有同样的流动性、扩展度和水灰比。进一步的分析表明，聚羧酸的减缩功能来源于聚乙烯支链，试验表明带有不同长度聚乙烯支链的聚羧酸可以提供更好的减缩效果。尽管目前对不同长度支链的聚乙烯产生减缩效果的机理尚未明确，但它至少说明聚羧酸的减缩特性似乎类似于传统的减缩剂。由此可见聚羧酸系外加剂以较低掺量、较低用水量获得混凝土良好工作性的同时，在减缩方面所表现出来的作用，说明在大体积混凝土施工中利用外加剂达到改善混凝土裂缝控制的目的是可行的。传统的萘磺酸甲醛缩聚物在水灰比较低时对水泥分子的离散性较差，1-2小时后的坍落度损失较大，加之有限的化学多样性无法满足水泥成分波动带来的流动度变化，不能适应施工现场的应用要求，而当前大力提倡发展的聚羧酸盐高效减水剂是一类新一代的高效减水剂，如今市场上有近百种不同化学成分的聚羧酸盐，由于该类高效减水剂合成时在分子主链或侧链上引入强极性基团羟基、磺酸基、聚氧化乙烯等，使分子具有梳形结构，通过极性基与非极性基不同比例调节引气性，通过调节聚合物分子量增大减水率，通过调节侧链分子量增加立体位阻作用而提高分散性， 聚羧酸系外加剂是一种高分子表面活性剂，它是由各种大单体接枝共聚而形成，因此其分子中的各个部位容易被改变。其中聚氧化乙烯的链长应在10300摩尔之间，而且烯丙脂部分的摩尔比应在1/96/9范围内变化,聚合物分子量应在3000080000之间调整。由于聚羧酸系外加剂的分子结构的多样性提供了减水剂高性能化的可能性，从而使预拌混凝土具有较好的坍落度保持性、较高的早期强度、比萘系高效减水剂更低的掺量，同时与水泥不适应性相对较小，使得聚羧酸盐外加剂拥有萘系外加剂无法替代的优越性，得到了工程技术界的青睐。2.1.2搅拌工艺的改进聚羧酸系外加剂是一种多元聚合物，分子量分布范围一般为10000100000之间，我们日常使用的高分子材料的分子量在几百到几百万之间，高分子量对化合物性质的影响就是使它具有了一定的强度，从而可以作为材料使用，这也是高分子化合物不同于一般化合物之处。又因为高分子化合物一般具有长链结构，每个分子都好像一条长长的线，许多分子纠集在一起，就成了一个扯不开的线团，这就是高分子化合物结构上所具有的复杂性，由此决定了搅拌工艺必须适应聚羧酸系外加剂的特点。为此搅拌工艺应做如下改进：（1）一定掺量的聚羧酸系外加剂与混凝土单位用水首先进行混合搅拌，使外加剂充分溶解在水中，（2）计量后的粗细骨料和水泥、外掺料同时搅拌20秒，（3）加入事先搅拌的外加剂水溶液搅拌100秒,每盘的搅拌时间总计为120秒。搅拌工艺突出了外加剂的溶解搅拌和粗细骨料、水泥、外掺料的均匀搅拌以及搅拌时间上的延长所起到的充分搅拌作用。2.1.3大体积混凝土配合比设计2.1.3.1混凝土原材料水泥选用水化热相对较低、安定性好、细度模数适中的普通硅酸盐水泥，其质量指标符合硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥（GB1752007）的规定。细骨料选用表面洁净、质地坚硬、级配良好的细度模数为2.63.1的中粗砂，其质量指标符合普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准（JGJ52-2006）的规定。粗骨料质地坚硬、级配良好、石粉含量低、针片状颗粒含量少、孔隙率小的5-25mm碎石，其质量指标符合普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准（JGJ52-2006）的规定。摻合料选用活动指数高、细度适中、流动性大、烧失量小的粉煤灰、矿渣微粉，其指标分别符合用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GBT1956-2005）、用于水泥和混凝土中的粒化高炉矿渣粉（GB/T18046-2008）的相关规定。外加剂选用聚羧酸外加剂，其质量指标符合混凝土外加剂（GB8076-1997）、混凝土外加剂应用技术规范（GB50119-2003）的相关规定。水采用自来水，其质量指标符合混凝土拌合用水（JGJ63-2006）的规定。2.1.3.2配合比试配根据强度等级和要求的工作性能来配置混凝土，拟定正交设计方案，进行室内试验，初步选定配合比。初步配合比提供给商品混凝土材料供应商进行验证性试验，预拌混凝土质量应符合预拌混凝土（GB/T14092-2003）的相关规定。为检验混凝土材料性能指标的重复性，必要时可进行施工现场验证试验。混凝土强度宜采用后期60天或90天强度，初凝时间宜不小于8小时。2.2大体积混凝土水平分层浇筑大体积混凝土浇筑方案的选择，是决定工程质量和造价的重要因素之一。整体连续浇筑具有结构整体性好、施工周期短和抗渗性好等优点，但当所浇筑混凝土的厚度很大时，采取分层浇筑是一种方案，分层浇筑具有以下3个主要优点：其一可防止因水化热散发不出而引起的裂缝。由于混凝土是热的不良导体，当所浇筑的混凝土厚度较大时，混凝土内部由水化热而引起的温度较高，与外界气温形成较大温差，易形成混凝土表面裂缝。其二对支模系统有利。例如在超厚混凝土整板结构转换层施工中，若采用常规模板支撑体系，下层楼面将承受较大的施工荷载，有可能破坏下层结构，若采用分层浇筑方案，靠第一层先浇板承受后浇板的施工荷载，可大大减少施工中支模的费用。其三可减少混凝土的一次浇筑量，易组织施工。采用分层浇筑施工方案的关键是保证叠合面结合牢固，保证厚板的整体抗力性能不因混凝土分层浇筑而下降。因此，保证分层混凝土板协同工作是关键的。2.2.1温度场分析混凝土的水化过程中释放大量的水化热，使得混凝土内部温度上升，然后随着边界上热量的不断散失，其温度又逐渐回落至周边环境的温度，直至趋于平衡。以下正交各向异性体内部的三维热传导的微分方程可用来描述早期混凝土内部温度场分布随龄期的变化情况，其中，变量T表示混凝土内部点的温度变化，、,和分别为材料X、Y、Z三方向上的热传导率，c和分别为材料的比热和密度。简化考虑，假设、和相等，且为常数。f(t)为热源方程，这里表示单位体积水泥水化过程单位时间释放的总热量，采用下式进行计算：并且有：其中，W为单位体积的水泥含量，Q0为单位质量水泥水化释放的总热量,m则代表水化速率。边界条件可简化为以下两种形式：在S1上：在S2上：其中，a为相对扩散系数，将由不同的边界情况、养护条件以及其它因素来确定。2.2.1.1混凝土拌和温度混凝土拌和温度又称出机温度，指混凝土拌和物离开搅拌机时的温度。可用“计算表格法”进行计算，混凝土拌和物的热量是由各种原材料供给的，拌和前各种材料的总热量应等于拌和后流态混凝土的总热量故可得方程式：其中TC为混凝土拌和温度，W为材料质量(kg)，C为材料比热(kJ/kg K),而Ti为各种材料初始温度。2.2.1.2混凝土浇筑温度混凝土的浇筑温度是指混凝土出搅拌机后经过运输，平仓，振捣过程后的温度。影响浇筑温度的主要因素是上述过程中外界与混凝土间的热传导，因此与拌和温度和外界温度的温差有关。Tj可用下式计算：其中，Tj为混凝土的浇筑温度，Tc为混凝土的拌和温度，Tq为混凝土运输和浇筑时的室外气温，而A1，A2，An为温度损失系数。2.2.1.3边界处理由于通常混凝土养护时设置保温层，此时边界问题可以采用虚厚度的方法来处理，即在真实厚度延拓一个虚厚度h,得到一个虚边界，虚边界上表面温度等于外界温度。加入虚厚度的实质就是将保温层替换为混凝土层，在虚实混凝土层（计算厚度）上计算温度场的分布。h的大小显然与混凝土和保温层的的导热性有关，可计算如下：其中为混凝土的导热系数(W/m2K)，为混凝土模板及保温层的传热系数(W/m2K)，K为计算折减系数，可取0.666。这里，可按下式计算：其中，i为保温材料的厚度(m)，i为保温材料导热系数(W/m2K)，而q为空气传热系数(W/m2K)。2.2.1.4温度变形假定温度变形线性相关于温差变化，温度应变可由下式得出其中，A为温度膨胀系数，相关于龄期、配合比、和湿度，出于简化考虑，假设2.2.2湿度场分析宏观湿度扩散模型主要采用Bazant建议的微分方程，如下所示，其中，w为单位体积混凝土的水分含量，kx, ky和kz 为扩散系数，T为温度值，kh和kT为影响参数，分别反映水化过程和温度变化对于湿度的影响。简化考虑认为各向扩散系数相等，都可以表示为D(h)。采用欧洲规范CEB-FIP(1990) 建议公式，在恒温条件下，湿度扩散系数可表示为混凝土内部孔结构的相对湿度h（1 h 0）的函数,如下式所示，其中D1为D(h)最大值，此时h = 1.0；a = D0/D1, D0 为D(h)的最小值，此时h = 0.0；hc 为D(h) = 0.5D1时的相对湿度，n 为常数。计算过程中，a、hc和n可分别取为0.05，0.80和15。D1 也可采用下式确定，这里D1.o = 3.6 10-6 m2/h，fcko = 10 MPa, 并且特征抗压强度fck 可以通过平均抗压强度fcm来估计，例如，fck = fcm 8 Mpa。边界条件表示如下，在S1上: 在S2上: 边界扩散函数可采用修改后的Menzel方程，如下式，这里A为经验系数，v为平均风2.2.3应力分析基于上述理论，可以进行混凝土结构的有限元解析和数值计算。混凝土内部瞬态温度场的数值计算可采用伽辽金法，最后可得到如下方程：这里，K1、K2、K3和P可表达为如下矩阵形式，其中， 然后，可运用有限差分法来求解以上方程，上式中T的一阶导数可通过时间的差分来逼近，如下式所示，其中，并且 ；t是一个极小的时间步长。由于T的一阶导数是在时间间隔中点计算的，所以T以及P也必须在该点计算，这些量可近似表达为，将以上式子代入第一个方程可求得，因此，一旦知道时间t的温度场分布，便可计算出t+Dt时的温度场分布。所以可以通过已知的初始条件，逐一推出以后任意时间步长的解。2.2.4 耦合分析混凝土早期应力应变的有限元解析主要采用增量法，因此也同温湿场分布的求解一样，划分为若干时间步长，一步一步完成求解，由于早期变形主要包括温度变形、收缩变形和徐变，任意时间段i，任一点处的应变可通过下式表达，然后可采用初应力法，将其视为初荷载作用于混凝土结构来进行三维有限元分析，如下式，其中有限元分析过程中还充分考虑了龄期、徐变、变形等因素的影响。2.2.5温度场边界条件的变化分层浇筑过程中，下层混凝土与上层混凝土之间存在着浇筑间隙，在浇筑间隙内，下层混凝土表面与空气接触(第三类边界条件)，有利于混凝土的散热，当上层混凝土浇筑完毕后，下层混凝土表面与上层混凝土接触(第四类边界条件)。2.2.6应力场边界条件的变化对于分层浇筑的第二层及以上的各层混凝土，下部混凝土对上部混凝土的约束可按岩石地基考虑，同时考虑下部的混凝土体为新浇筑混凝土，存在着应力松弛与收缩现象，上述因素有利于缓解上部混凝土的温度应力。对于大体积混凝土的第一层浇筑层，在龄期为时上部浇筑了第二浇筑层(中层)。对于中层，底层是使其产生温度应力的约束，中层混凝土在降温时，底层混凝土的约束使其不能自由的收缩，即对其产生一个向外的拉力即温度拉应力。反过来，这个对中层的拉应力对于底层来说则是向内的压应力，即中层对于底层也是一个约束，这个约束迫使底层收缩，是有利而非有害的。这也可以从另一方面来解释：在浇筑混凝土后，在混凝土内部由于降温差引起的混凝土的收缩量是随着龄期而不断减少的，由于底层比中层先浇筑s天，故在各时间段中层的收缩量总大于底层，由于这两个收缩不同步，其差值将由中层作用于底层上而产生压应力。对于底层来讲，这个附加的压应力将会抵消一部分由地面约束带来的较大拉应力，有利于防止贯穿性裂缝的出现。2.3大体积混凝土裂缝控制工程实践上海环球金融中心工程位于上海陆家嘴金融贸易区，工程地上101层，地下3层，地面以上实体高度为492米，总建筑面积为37.7万m2，为多功能摩天超高层建筑。主楼区域基坑呈100m内径的圆形，基坑面积约7850m2；主楼基础底板平均厚度为4.5m，主楼基础挖深18.35m。电梯井深坑位于基坑中部，面积约2116m2，开挖深度约25.89m。主楼基础底板混凝土总方量约38900m3，强度等级为C40。主楼中部的电梯井深坑处底板最大厚度为12.04m。1、基础底板面积大，而且厚度不均，电梯井处厚达12.04m，最大一次混凝土浇捣量为28900m3，是目前建筑工程大体积基础单体混凝土量最大的一个工程，极易产生温度收缩裂缝。2、工程要求商品混凝土180d收缩值小于30010-6m/m，在配制技术上必须进行创新。3、施工正值元月寒冷冬季，环境温度仅为2oC左右，混凝土内部温度难以控制。由于主楼基础底板面积及厚度均很大，为避免混凝土温度收缩灾害裂缝的产生，混凝土应留设施工缝分次进行浇筑，同时由于混凝