大体积混凝土施工温度裂缝控制研究

页大体积混凝土施工温度裂缝控制研究1引言1.1研究背景及意义在飞速发展的当今时代，我国的建筑工程项目也随之越来越大型化和专业化，建筑施工程技术复杂程度也越来越高，大多数混凝土建筑在建设之处的技术限制或者后续的使用不当，造成混凝土结构出现不同程度或者不同形式的裂缝的情形，这种情况的出现不仅影响建筑物的美观和后续的安全使用，也给建筑施工的技术人员带来很大的困扰，如何解决这样的问题也是混凝土施工人员和技术人员需要分析研究的。由于自然科学的发展和大量的工程实践，混凝土施工的技术人员普遍意识到因为温度原因造成混凝土结构裂缝是属于无法逃避的问题，而且人们很大程度上可以接受混凝土裂缝的存在。如果过度要求混凝土建筑物不能出现裂缝，需要花费巨大的人力和物力。因此，工程技术人员和建筑物使用者都已经接受将混凝土的裂缝控制在合理的范围内。如果要将建筑物的裂缝控制在合理的范围内，那必须做好预防和处理工作。以及对建筑物出现的裂缝进行控制研究工作，尤其是针对大体积混凝土出现的温度裂缝进行研究和控制工作，这对当今社会以及建筑物具有十分重要的现实意义和经济效益。1.2大体积混凝土的定义“大体积混凝土”在美国混凝土学会中已经做出过详细的解释：无论何种现场浇筑的大体积混凝土，尽管其体积可能会比较大，但是应该采取必要的科学措施以解决水化热会引发的体积变形的问题，这样才能使混凝土开裂状况得到最大程度的减少。而日本建筑学会对此也有其判断标准：混凝土结构的截面最小尺寸应该确保在80公分以上，并且还应满足水化热引起的结构内部最高温度与外界环境气温差达到25摄氏度之上，这样的混凝土结构才能被称为大体积混凝土。对于混凝土的结构断面尺寸我国的建筑行业的判断标准则比日本稍大，一般应超过1米。检索的科技文献中明确表示：在混凝土建筑结构中，现浇的连续墙、地下构筑物及设备基础出现裂缝的情况中，主要原因是由于温度收缩，这样的混凝土结构被业界判断为“大体积混凝土结构”。以上几种判断标准表示，不同国家或者行业组织对于大体积混凝土的判断标准存在不同，基本上可以确定的是大体积混凝土的几何尺寸一般都比较大，但这并不是唯一的判断标准，还应该引入“水化热导致的体积变化引起裂缝的现象”的概念。1.3大体积混凝土在工程上的应用我国著名的水利枢纽工程——三峡大坝的坝体全部通过浇筑混凝土而建设成功的，这样的混凝土浇筑规模绝对称得上是大体积混凝土样板工程。而在铺设桥梁的工程建设中，主要受承载的桥墩也可以划归为大体积混凝土的行列。随着基础设施的施工规模不断扩大，我国的大型建筑数量也越来越多，工程建设的结构也越来越复杂，甚至一些普通的民用建筑的体积都超过上万立方米。1.4国内外研究现状1.4.1国内情况尽管我国的基础设施建设能力比较突出，建筑规模也越来越大，但是由于行业发展比较晚，造成对混凝土裂缝的分析研究工作较为滞后。尽管也有一些零零散散的研究，但是只限于在一定载荷作用下的混凝土开裂的状况。而对于大体积混凝土的开裂现象所涌现出来的一系列的新问题的研究还十分有限。在这一方面的理论体系的研究主要集中在不受载荷情况下的混凝土开裂的原因分析和如何做好控制和预防上。黄土元教授为了科学解释混凝土开裂的原因，从最原始的施工材料着手，逐步分析施工环节的影响因素可能造成的后果，发现了很多具体的问题，比如说：施工单位为了尽最大可能缩短施工工期而采用早强水泥，这就使得水泥生产厂家生产早强水泥，而水泥供货商在提供原材料的时候就只有早强水泥可供选择。由于早强水泥的水泥强度远远超过国家标准，造成混凝土的早期强度较强，这就十分容易产生早期裂缝，同时也造成混凝土的各项性能指标无法满足后续的使用需求。1.4.2国外情况通过检索查阅国外的一些理论研究成果发现，在面对因为温度导致混凝土建筑结构的裂缝问题上，主要有以下三种观点存在：第一，在设计阶段的各项规范并不明确，而且对于裂缝的处理方法也比较自由，基本上处理的时候采取“裂了就堵，堵不住就排”的方法。对于裂缝可能造成的影响也只是根据经验来做出决定，不做明确的性能计算。第二，在设计阶段就明确了各项规范，必须经过严密的计算，以便可以科学合理的留取混凝土伸缩缝。但是需要指出的是，一般情况下留沉降缝的话就表示混凝土不会开裂。第三，外界气温条件变化。在大体积混凝土浇筑初期阶段，外界气候环境条件将会影响温度裂缝的产生和扩展。当大体积混凝土处于温度较高的环境中时，浇筑温度也普遍较高；反之，当外界气温降低时混凝土内外温差梯度将会变大，此时由于浇筑水化热所引起的内部温度温升较高且难以散失，将使混凝土温度应力显著升高，此时极有可能产生温度裂缝，不利于工程项目的开展。由此可知，在大体积混凝土浇筑过程中要时刻注意外界气温变化情况，并基于此来指导施工。2大体积温度裂缝产生的影响因素及危害2.1大体积温度裂缝产生的影响因素在建筑建设施工过程中，一旦出现大体积混凝土施工，就特别需要注意温度裂缝的产生，这是由于混凝土内部结构的化学反应而不可避免的。主要有以下两方面的因素：1、水化热导致内部温度与外部环境温度存在一定的差距，随之而来产生应力和应变；2、混凝土质点的制约着温度应力，而温差产生的应力超过制约力的话，就会导致裂缝。2.1.1水化热的影响一般情况下，水泥在水化反应过程中会释放比较多的热量，这是该化学变化的主要产物，不可避免。经过科学验证发现，一克水泥在水化过程中释放的热量就已经超过了五百焦耳。而对于大体积混凝土来说，释放出来的热量肯定更多。特别是截面厚度较大，热量在混凝土结构的内部不能够充分的散发出来，这样就会使内部热量聚集，导至混凝土内部温度快速升高。大体积混凝土的施工过程中是无法避免这水化反应产生的热量的影响。2.1.2内外约束的影响在混凝土浇筑工作完后，混凝土结构会慢慢变形变化，而在这个过程中会受到各方面的约束，以防止混凝土结构无规则变形，这就需要详细分析每种约束力。（1）外约束所谓的外约束就是混凝土在变形时由于受到挡板等外部条件的阻碍而不能无规则变形，这些外部条件的阻碍就被称为“外约束”。在具体的建筑结构中可能会存在各种各样的外约束，而且约束的大小和程度也会不尽相同。（2）内约束所谓内约束就是混凝土的内部结构之间相互约束而产生的有规律发展变形。钢筋混凝土内部构件的各点之间的收缩变力相互制约，从而产生了比较复杂的内约束力。而混凝土的裂缝主要就是由于内约束力而产生的。特别是大体积混凝土的内部水化热的产生造成各点之间的温升存在差异，也会造成收缩力不均，因而导致各点的约束力不同，也就使得混凝土裂缝的现象发生。2.1.3外界气温变化的影响随着对大体积混凝土裂缝的研究越深入，发现的影响因素也越来越多，这其中其主要影响作用的也包括外界气温的变化。特别是当混凝土浇筑工程所处的环境温度较高时，那么混凝土的内部结构所释放的热量也会越高，一旦外界气温受冷空气影响下降的话，混凝土的外层温度也会下降，而内部的高温与外部的低温形成鲜明的对比，因此而形成的温度应力也更强，随之而来的结果就是大体积混凝土出现明显的裂缝。由于温度应力的产生就是由于同一物质的不同部位的温度差引起的物质结构的变形，而混凝土的内部温度主要由水化热产生大量的能量聚集，表现出来的形式就是内部温度的上升，而混凝土的表面温度几乎与外界环境温度等同，这两个温度差表现的越大，那么温度应力也就随之越大。2.1.4混凝土的收缩变形影响（1）混凝土的收缩通过以上分析我们可以知道，混凝土结构产生裂缝主要是因为变形作用，引起变形作用的因素包括以下几种：水化热现象、内外约束、温度差引起的温度应力等等。除了以上几种影响因素，混凝土的湿度变化也会造成裂缝的出现。混凝土的配比原材料主要为水泥和水，水泥与水搅拌在一起，经过水化反应，形成一种浆状物质，也就是混凝土的原始状态。而混凝土的这种原始状态结构并不紧固，内部还混杂了比较多的孔隙，有大有小，由于这些孔隙使得水分的活动受到一定程度的影响，进而使得混凝土的凝固受到影响，从而造成裂缝的出现，这种影响就被成为“湿度变形”，（2）收缩的种类=1\*GB3①自生收缩混凝土在浇筑后会逐步硬化，这就是其本身属性带来的最直接的效果，这种硬化被称为自生收缩，这种收缩是其本身的属性所导致的，与外界湿度不产生关联。=2\*GB3②塑性收缩混凝土浇筑工作完成后的4到15个小时之间，水化反应是最为强烈的时间段，这个过程会有大量的热量产生，水分也大量蒸发，这就是凝缩，伴随而来的就是水泥的不规则的沉缩变形，这种现象被称之为混凝土的塑性收缩。=3\*GB3③碳化收缩在混凝土凝固过程中会因为与之紧密接触的空气中的二氧化碳与水化物发生反应从而导致的应力变形被叫做碳化收缩。=4\*GB3④干缩（失水收缩）混凝土在经过第一次干燥后，会由于自身的属性和环境湿度影响，还会继续产生干缩或者湿涨的情况，在这种环境中会发生一次最大程度的收缩。需要指出的是，这种收缩或者膨胀并不是无法改变的。（3）收缩的影响因素对于混凝土的用料配比来说，一般情况下水泥的用量加大就需要掺更多的水，这样的话就会使搅拌后的浆量也随之增多。由于环境湿度对于混凝土的凝固收缩可以起到很大的影响，造成塌落度大。因此，在工程施工的过程中如果要进行混凝土的浇筑工作必须查看天气情况，避免下雨的时候开展浇筑混凝土工作。如果遇到特殊天气情况的话，可以通过必要的手段进行防雨。（4）混凝土的体积变形混凝土在凝固过程中发生的反映十分复杂，而且影响因素也较多。尽管其内部结构的水分经过蒸发以后体积会缩小，但是如果再次浇水使其内部机体处于水饱和状态的话，其体积仍旧能够恢复到原先的体积大小。不过需要指出的是这种情况的频繁发生对混凝土的性能会产生不可逆的损害。2.1.5混凝土原材料的影响（1）水泥品种与水泥用量对温度裂缝的影响不同品种的水泥发生水化反应所产生的最终水化热也不相同。采用水泥配比不同的混凝土，其水、灰用量以不同，使得混凝土总发热量也不一样。就目前而言我国的建筑工程结构一般都会采用高强度混凝土，然而混凝土强度的提高也必然导致水泥用量的大幅增加，这样就加剧了大体积混凝土的温度收缩作用。根据相关的试验研究表明，每个单位体积的混凝土配比所使用的水泥用量增减十千克，就会导致浇筑完成后的混凝土温度相应地升降约1℃左右。这两个因素的最终影响就会反映在混凝土的绝热温升上，而混凝土的绝热温升大小对混凝土温度峰值有着显著影响，因此，在施工过程中，应尽量采用低热量水泥。（2）水灰比与坍落度对温度裂缝的影响混凝土的凝固收缩对温度裂缝有较大影响，收缩主要是混凝土中的水分蒸发造成的。水灰比和坍落度越大，浇筑完成后的混凝土整个结构的收缩就会越大。然而，在进行混凝土的配合比设计时，为了满足水泥水化作用的需要以及混凝土搅拌、混凝土运输以及混凝土施工浇筑时具有一定的和易性，搅拌混凝土时通常要加入大量的水，这些水的用量大大地超过了满足水泥水化的需求，这样就导致混凝土水化凝固后会有大量多余的游离水，这些游离水在混凝土凝固的过程中会慢慢地蒸发掉，也因此混凝土结构体的体积就会整体收缩，也会增大混凝土结构体的拉应力，也就加剧了混凝土裂缝的产生和发展。（3）外加剂和掺合料对温度裂缝的影响建筑施工中施工技术人员在进行混凝土配合比设计时，为了使混凝土达到一定性能或满足建筑施工的要求，通常会考虑在混凝土中掺加使用一定剂量的减水剂、缓凝材料等以及一些掺合料（如粉煤灰、矿渣等），以达到减少混凝土中水泥的用量，减少水的用量，而又能使混凝土保持其良好的和易性。满足施工的需求，最大限度地降低混凝土的水化热反应，尽量避免混凝土温度裂缝的产生。但是根据相关的试验结果表明，在掺加了一定量的粉煤灰等材料后，混凝土的强度特别是早期抗拉强度就会有所降低。2.1.6施工因素的影响（1）施工方案及工艺的影响大体积混凝土结构体的体积对裂缝有很大影响，因为温度应力的大小与浇筑时混凝土块的体积有关，如果混凝土结构体积越大，就越容易产生裂缝。如果结构体的长度过长或者过厚，那么在施工过程中应采取分块、分层的浇筑方法，这样就可以相对减少温度应力，也尽量控制裂缝的展开。但是分块、分层浇筑也会给施工带来不便，从而不能保质保量，同时也会延长施工期限。（2）入模温度的影响入模温度也称为混凝土的浇筑施工时的浇筑温度，是混凝土产生水化热量开始进行温度升高时的基础，因此，入模温度越高，混凝土的温度热峰值就越高。在建筑施工过程中，如果正值高温季节，在进行较大体积混凝土浇筑时通常采用骨料预冷的方法、加冰搅拌或者用地下水的措施，目的就在于降低混凝土浇筑温度，从而控制混凝土裂缝的产生。（3）混凝土的早期养护在混凝土浇筑完成后如果不及时对混凝土进行养护，存在于混凝土外表面的水分就会因为水泥水化以及蒸发作用而明显的快速减少。水的快速减少会进一步影响水泥的水化热作用，从而影响到混凝土强度的发展，如果混凝土结构体极度缺水，还会造成混凝土的表面发生干缩裂缝。如果在混凝土浇筑完成一定时间内，采取一定的措施加强混凝土的早期养护：如通过洒水后覆盖塑料薄膜、洒水后满铺麻袋或者草袋等使混凝土的表面保持湿润状态，确保混凝土结构体表面不会因水分的蒸发极度缺水从而导致水化热作用的停止而达不到设计所要求的强度。2.2大体积混凝土温度裂缝的危害混凝土是一种脆性材料，许用拉应力较小，从工程实践层面而言，实际情况下允许不影响建筑整体性能和质量的轻微裂缝。就混凝土结构而言，轻微的裂缝并不会影响其使用性能，但当裂纹继续扩展到破坏混凝土材料整体结构或贯穿混凝土截面时，就会改变混凝土材料初始应力分布情况，继而影响混凝土的质量和安全性能。混凝土产生温度裂缝的危害包含如下几个方面：第一，破坏建筑外观，在墙体上产生的裂纹即使不会影响建筑质量和性能，也会降低人们的安全感；第二，混凝土裂缝会降低裂缝部位的承载力，当裂纹继续扩展时则会影响建筑使用性能；第三，当混凝土裂纹扩展到一定程度或出现开裂时，其中的钢筋等材料将会暴露，随着腐蚀作用的加剧建筑结构整体抗拉性能降低，安全性受到影响；第四，裂纹的产生会加剧内部材料碳化，降低建筑结构整体承载力。3大体积混凝土温度裂缝预防及控制在施工过程中大体积混凝土浇筑存在较为剧烈的水化热反应，此时混凝土内外温度差会急剧扩大，当温度应力超过混凝土材料的许用应力极限时就会出现温度裂缝。因此在混凝土浇筑过程中应当采用科学合理的方式控制内外温差，以期避免温度裂缝的出现。在工程实践中可通过以下几种方法来控制混凝土的内外温差。3.1控制混凝土浇筑温度控制混凝土的入模温度。当混凝土浇筑过程中同等情况下，入模温度较高的混凝土比入模时温度低混凝土温升要大许多。当前的行业标准中对于混凝土的入模温度有着较为明确的规定，即在冬季时候入模温度应高于5度，在夏季环境温度较高时入模温度应控制在25度之内。在夏季施工时要通过洒水、遮阳等方式合理控制混凝土的最高温升，除此之外还可在混凝土搅拌过程中加入冰块来控制最高温升。在冬季进行施工时，尤其是当外界气温低于5度，混凝土浇筑过程中内外温差较大会产生收缩裂缝，此时可通过保温来预防可能出现的温度裂缝。基于上述分析可知，混凝土浇筑过程中的温度控制将影响温度裂缝的产生和发展，而混凝土的浇筑温度又受环境条件和浇筑方式的影响，因此采取合理的浇筑方法来控制入模温度对于限制温度裂缝的产生而言尤为重要。除此之外，在非冬季施工时，在混凝土浇筑过程中应采取合理方式降低骨料浇筑温度，防止温度裂变的产生。3.2合理分层或者分块浇筑大体积混凝土在进行浇筑过程中应当采用分层浇筑的方式来对温升进行有效控制，进而防止温度裂缝的产生，不仅如此，在进行分层浇筑的同时还要对浇筑厚度浇筑时间进行控制，进而使得混凝土浇筑过程中的水化热尽量散发，以期减少混凝土内外产生的温度差，进而达到防止温度裂缝产生的目的。不仅如此在进行混凝土结构设计时应当避免应力集中现象，防止在应力集中部位出现裂纹而导致结构失效。另外，在混凝土结构的浇筑工作中，为了施工的方便和避免后续的沉降，而设置的“后浇带”，一方面可以作为分块缝避免混凝土结构在凝固过程中的永久变形，另一方面还可以在后续的过程中进行填充，形成无伸缩缝的结构。这种“后浇带”完美解决了施工和使用的全部问题。3.3采用水管冷却或者保温措施在大体积混凝土施工时可采用预埋冷却水管或采取合理的保温措施来控制温升，进而避免温度裂缝的产生。在浇筑混凝土的同时向预埋的冷却水管中进行通水冷却，进而达到控制内部水化热温度的目的，同时对混凝土表面采取合理的保温措施也可有效控制混凝土外部和表明之间的温度差，减少了温度裂缝产生的概率。混凝土浇筑过程中的温度和湿度也是影响水化热的重要因素，因此合理的控制浇筑温度和湿度对于大体积混凝土强度和耐久性具有重要影响。对于掺了较多的混凝土湿度养护更为重要，应当按照材料配比和环境条件等诸多因素选取合适的养护方式和养护时间，进而有效控制温度裂缝，由此可知，在大体积混凝土浇筑时控制温度和湿度两个因素对于防止温度裂纹产生具有重要作用。若未采取合理的保温措施，则混凝土表面会与空气发生热交换，受气温影响较大，尤其是在浇筑以后，随着时间的延长混凝土抗拉强度逐渐增大，而浇筑初期弹性模量和抗拉强度均较小，当温度出现突变时则会增大温度裂缝产生的概率。采取合适的保温方式有助于控制散热，降低混凝土内外温差，以期使混凝土强度逐步达到设计标准。3.4加强混凝土配合比设计首先，在选用水泥材料时应选取水化热较低的水泥，尽量不选用含C3Si和C3Al的水泥，除此之外还要在保证工程施工质量的前提下控制水泥用量，水泥用量和温升之间呈现显著正相关关系，即1m3混凝土水泥用量增加10kg时由水化热作用产生的温升将提升1度。为了控制混凝土的形变并降低温度应力，可通过采用低水化热水泥材料。其次，为控制绝热温升还可通过选用单位体积内凝胶数量较少的水泥种类，除此之外还应控制水泥用量，当水泥用量较多时由于水化热所释放的热量有所增多，导致内部温升高于外部将产生温度应力。因此在满足工程质量需求的前提下应当合理控制水泥用量。最后，选用材料配比较为合理的水泥。4工程实例应用分析大体积混凝土如何防止裂缝产生是施工中一个重要问题，特别是夏季高温时段，如何降低混凝土内外温差，除了原材料之外，通过覆盖控制表面散热是常见的手段。某高层建筑基础底板工程，采用C40P8混凝土，平均厚度2.8m，局部电梯井4.3m,，混凝土共计约7800m3。由于在35℃左右高温施工，而且原材料质量等原因，经建设单位同意，施工采取了内部设置循环水管散热的技术措施。4.1材料准备为降低基础底板混凝土的最高温度，使混凝土内外温差不大于25度及混凝土外表面与大气温差不大于20℃，对混凝土的配合比进行试配，具体内容有：（1）采用普通硅酸盐水泥掺加粉煤灰和高效减水剂配制混凝土，混凝土所用水泥7天的水化热不大于250KJ/kg；（2）考虑混凝土的连续浇筑，初凝时间要求6-8h；（3）混凝土的坍落度应控制在140-160mm左右。4.2、施工工艺混凝土采用三台泵车连续浇筑，混凝土供应约200m3/h，不留施工缝，采用逐层推移浇筑。混凝土应振捣密实，采用50型振捣棒，操作时做到快插慢拔。在振捣上层混凝土时应插入下层混凝土中50mm左右，每一插点振捣时间宜为20～30s，视其混凝土表面呈水平不再显著下沉、不再出气泡、表面泛浆为准。振动棒插点要均匀排列，移动间距不大于振动棒作用半径的1.4倍（一般为400～500mm），且应避免碰撞钢筋、模板、预埋管件。4.3、混凝土降温与养护采用循环水降温管+覆盖+蓄水养护的方法，控制混凝土里表温度差。降低大体积混凝土裂缝风险。大体积混凝土循环水降温管施工方法是在混凝土中预埋循环水降温管，以循环水为介质置换大体积混凝土中心水化热，使其表面温度和中心温度差小于25度。混凝土终凝后，向基础筏板表面注水，蓄水深度250mm。图3冷却水管施工工艺降温管的直径32*3.0镀锌钢管上下设两层降温管，上层降温管距筏板上表面1000mm，下层降温管距筏板底部1000mm。降温管S型布置，水平间距1m，结合钢筋固定位置。混凝土终凝后开始通水，确保在混凝土保温期间不间断通水。并结合测温记录，及时调整循环水流量大小。降温结束后，抽出散热管内水，用C40专用灌浆料进行封灌注浆，将高出混凝土表面的钢管切平。混凝土二次收面后及时覆盖塑薄膜加土工布并及时蓄水养护，使混凝土表面的水分及水化热不致散失，又可降低混凝土内外温度梯度，以保证大体积混凝土内外温差，又有利于混凝土强度增长及混凝土裂缝控制。塑料布的覆盖严密性，搭接不得少于200mm，测温点设置在底边、迎风面等温度易散失部位，在平面上的温度测点为梅花形布置，间距10m，并综合考虑电梯井的位置。由于底板混凝土最高温度多出现在中部，故每个测温点按厚度方向沿厚度中部、混凝土表面和底部处布置三根测温线。4.4）测温要求测温仪要求测温误差不大于0.3℃。用测温仪测出大气温度、混凝土入模温度、混凝土面层温度、混凝土分别位于三个不同高度的温度。由于混凝土入模后前期水化热趋于上升，后期呈下降趋势，混凝土浇筑后4天内，每4小时测一次；5～7天每6小时测一次,以后至测温结束每8小时测一次。通过测温数据用于指导混凝土保湿养护工作，确保混凝土表面温度与混凝土内部温度之差控制在25℃以内。发现异常情况及时采取处理措施。4.5、问题思考（1）因为混凝土流动性大，为保证振捣密实，混凝土振动棒每台泵车应配备4个左右。对底板中电梯井部分可先行浇筑，对中间预留洞口模板采取堆载进行位置固定。（2）考虑混凝土供应运输和天气情况，控制混凝土浇筑温度30℃可采取搅拌运输车覆盖；并根据现场实测数据，及时对振捣后混凝土增加薄膜覆盖。（3）根据测温数据，表面蓄水