大体积混凝土温度裂缝控制技术在工程中的应用

于新亚 杨国强 袁 柏 冯星望（北京正富混凝土有限责任公司，北京 100018）

大体积混凝土的温度应力是由于浇注混凝土后，水泥的水化反应放热导致混凝土体积的膨胀或收缩, 在受到内部或外部的约束时而产生的。内部约束应力是由于混凝土内部不同的温度分布引起的不同的体积变化而导致的应力，即水化反应初期由于中心部分温度比表面温度高，会导致表面产生拉应力；而温度开始下降时中心部分的收缩会比表面部分多，此时中心部分会产生拉应力。内部约束应力的大小与内外温差成比例。[1]外部约束应力是新浇筑的混凝土由于水化热而发生的体积变化，受到与其接触的已浇筑混凝土或者地基等的约束而产生的应力。外部约束的作用与接触面积的大小和外部约束的刚度等因素相关[2]。

混凝土组成材料的选用对大体积混凝土产生的水化热高低有直接的影响。合理的混凝土配合比应具有较低的水泥用量、较低的水化热、较低的水灰比，同时具有较好的和易性和可泵送性[3]。

1 工程概况

工程位于北京市朝阳公园亮马桥蓝色港湾，本工程基础底板厚1米，强度等级为C40P10抗渗混凝土，一次性浇注方量约2000方。就大体积混凝土而言，由于结构面积大，混凝土数量较多，混凝土在水化过程中释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，因此此次浇筑的混凝土除必须具有足够的强度、刚度和稳定性以外，还应满足结构物的整体性和耐久性等方面的特殊要求，更主要的是要降低混凝土的内外温差。大体积混凝土经常出现的问题不是力学上的结构强度，而是混凝土温度裂缝，为此，需采取一定的技术措施避免温度裂缝的出现[4-6]。

2 混凝土配合比设计

针对本工程的特殊性，选用质量稳定、活性较高、需水量低、流变性能好的P.O42.5水泥，C3S含量≥55%，C2S含量≥25%，C3A含量≤8%，碱含量≤0.6%的低收缩水泥；细骨料采用混合砂，细度模数2.3～2.9，含泥量≤2.5%的Ⅱ区中砂；粗骨料采用含泥量≤1.0%，泥块含量≤0.50%，针、片状颗粒含量≤15%，压碎指标值≤10%，粒径为5～25mm的连续级配碎石。掺合料采用细度≤20%，烧失量≤5%，需水量≤105%的Ⅱ级粉煤灰以及比表面积≥400m2/kg的S95级磨细矿渣。外加剂采用天森工贸化工有限公司生产的聚羧酸高性能减水剂，减水率大于20%，收缩率比≤120%。

混凝土配合比见表1。

针对工程的具体情况，配合比设计时选用低碱水泥及B类骨料，控制混凝土总碱量不超过3kg/m3。由表1可以看出，设计配合比时着重减低水胶比，同时大量掺加磨细矿渣和粉煤灰，降低混凝土的水化热，并且选用具有减水、保坍、缓凝等复合功能的外加剂，推迟混凝土中水泥水化的时间，将水泥水化放热的时间延长，降低混凝土内外温差。

表1 混凝土配合比，kg/m3

3 温度计算及表面裂缝控制

根据确定配合比计算混凝土的温升情况与内外温差。

3.1 混凝土浇筑温度

Tj=TC+（TP-TC）×（A1+A2+A3+……+An）

式中:TC—混凝土拌和温度(它与各种材料比热及初温度有关)，按多次测量资料, 有日照时混凝土拌和温度比当时温度高5～7℃, 无日照时混凝土拌和温度比当时温度高2～3℃,按3℃计。

TP—混凝土浇筑时的室外温度(四月下旬,室外平均温度以20℃计)。

A1+A2+A3+……+An—温度损失系数,由《大体积混凝土施工》P33 表3-4可得：

A1—混凝土装卸,每次A=0.032（装车、出料二次数）；

A2—混凝土运输时,A=Q×t。Q为6m3滚动式搅拌车其温升0.0042,混凝土泵送不计。t为运输时间（以分钟计算），从搅拌站到工地约50min；

A3—浇筑过程中 A=0.003×2×60=0.36。

Tj=TC+（TP-TC）×（A1+A2+A3+……+An）

=18+(20-18)×(0.032×2+0.0043×50

+0.032+0.0013×10+0.36)=18+2 ×0.684

=19.37℃

3.2 混凝土内部最高绝热温升值

依据文献[1]预测混凝土内部的最高温升值。文献[1]的计算公式为:

式中 Tmax—混凝土内部最高温度,℃；

Tj—混凝土浇筑温度,℃；

Tτ—τ龄期时混凝土的绝热温升，℃；

ξ—不同浇筑块厚度的降温系数,ξ=0.75；

W—每立方米混凝土中水泥用量, kg/m3；

Q—每千克水泥水化热量, 取490kJ/kg；

C—混凝土的比热, 取0.97kJ(/ kg·℃)；

ρ—混凝土的密度, 取2410 kg/m3；

m—随水泥品种、比表面积及浇筑温度而异，取0.362；

τ—龄期,d；

则混凝土内部中心温度: Tmax=Tj+T τξ=19.37+49.54×0.75=56.52 ℃

3.3 混凝土表面最高温度估算

混凝土表面最高温度采用的计算公式为:

Tbmax=Tq+4×(H-h′)×h′×ΔT/H2

H=h+2×h′

h′ =K×λ/β

式中:Tbmax—混凝土表面最高温度,℃；

Tq—大气的平均温度,℃；

H—混凝土的计算厚度；

h′—混凝土的虚厚度；

h—混凝土的实际厚度；

ΔT—混凝土中心温度与外界气温之差的最大值；

λ—混凝土的导热系数,此处可取2.33W/(m·K)；

K—计算折减系数；

β—混凝土模板及保温层的传热系数，W/(m2·K)。

环境温度Tq取15℃,ΔT为混凝土内部与外界气温之差,ΔT= Tmax- Tq=41.52℃。H为底板计算厚度，底板以单面暴露于空气中的平板看待，则H=h+h’，混凝土实际厚度h=1.0m，h’为混凝土结构虚厚度,h’=kλ/β，混凝土导热系数λ=2.33w/(m·K)；β为保温层的传热系数，β=1/(δi/λi+1/βq)，δi为各种保温层的厚度，假定混凝土表面只覆盖一层塑料布，蓄水养护，水的δi=0.3m，λi= 0.55W/( m·K)，βq为空气层的导热系数，取23 w/( m·K)，则β=1.70 W/( m·K),经计算 h’=0.27m，H=1.27m，混凝土表面温度Tbmax=25.6℃。

所以混凝土中心与混凝土表面温差为Tmax-Tb=30.92℃＞25℃。

计算结果表明: 采用以上保温措施,混凝土内表温差不能够控制在规定值范围内, 有产生温度裂缝的可能。所以在施工时需要采取一定的措施来保障不产生温度裂缝。

4 大体积混凝土的施工及养护

4.1 混凝土配合比优化，大体积混凝土由于施工方量大，使用的水泥用量会大大增加。在保证混凝土强度的同时采用“三掺”配比方案即加大掺入粉煤灰、矿粉掺量以减少水泥用量，降低水胶比以减少混凝土中水泥水化产生的热量从而有效降低内部中心温度。混凝土拌制时适当使用缓凝型减水剂来延长混凝土的初凝时间,将初凝时间调整到10～14小时,延缓水化热峰,使热量缓慢释放，从而降低混凝土的内部温度。

4.2 混凝土生产、运输过程中采取降温措施,确保混凝土入模时的温度在30℃以下，严格控制混凝土的原料温度。水泥的温度控制在60℃以内，粗骨料温度不超过30℃、细骨料温度不超过32℃、粉煤灰和矿粉温度不超过35℃。通过采用流动深层水、深井低温地下水、冷却水、冰水搅拌,控制混凝土入模温度。对混凝土拌合站的骨料存放区搭设防晒棚并提前对骨料喷淋洒水,降低骨料的温度进而降低入模温度。

4.3 采取保温保湿养护方法,有效控制温差变化，混凝土初凝前后对混凝土表面进行二次压光收面，将塑形收缩裂缝消灭在萌芽阶段。二次压光收面完成后立即采取塑料薄膜覆盖使混凝土表面水分不会散失，同时加盖土工布或草帘对混凝土表面保温覆盖。严格控制日降温速率。由于工程现场的养护水一般都是地下冷水，温度基本都在18℃以下，冷水直接与高温的混凝土表面接触将会使混凝土表面产生急速冷却龟裂，所以在保温保湿期间，严禁浇冷水养护。保温保湿时间应在7天以上，具体时间以实际温度测量为准，保证混凝土表面温度与大气温度之差小于15℃，去掉保温层后进行洒水养护之前确保混凝土表面温度与所浇冷水温度之差小于15℃。采用循环水管作为辅助混凝土内部进行水冷散热作用。为了控制温差裂缝，将墙体混凝土带模养护5天以上。

4.4 对于本工程混凝土的浇筑采用整体分层连续浇筑，缩短间歇时间，并在前层混凝土初凝之前将次层混凝土浇筑完毕，层间最长的间歇时间不大于混凝土的初凝时间。

4.5 严格控制混凝土浇筑现场的坍落度，入模前控制底板混凝土坍落度在160-180mm之间。避免因坍落度过大造成混凝土泌水泌浆进而浆体上浮引起表层产生龟裂。

5 混凝土的内部温度及偏差分析

浇筑完成后，施工单位对底板混凝土进行了详细的温度测量记录，最高温度达到70℃。而理论计算结果，混凝土中心最高温度为56.52℃。理论计算和实际测量之间温度差距较大，主要的原因有如下几点：

5.1 施工手册中对绝热温升的计算方式不太一样，理论性很强，但大体一致，计算结果相差不大。但到计算内部最高温升时降热系数ξ的选取对最终的结果产生至关重要的影响。根据相关文献的记载，工程中大体积混凝土的实测温度反算出的ξ值比手册中查表值大很多。本工程中根据实际测量温度后反算出的ξ值比理论计算时的选取的值也很多。

5.2 现今混凝土体系与制定绝热温升的计算公式时的混凝土体系已不尽相同。现代混凝土体系中粉料的成分越来越复杂，譬如水泥厂为了提高水泥的胶砂强度，采用磨细水泥颗粒和掺加刺激水化反应的助磨剂，矿粉厂为了提高矿粉的活性也采取磨细矿粉颗粒和掺加化学碱激发剂等等，根据标准规范计算出的温度结果只具有参考意义，并不能准确反映实际情况。

5.3 工地现场情况复杂，不管是浇筑时的气温、混凝土的养护方式、混凝土的浇筑速度、底板浇筑时的土质温度等等这些影响混凝土散热的因素较多，而目前标准规范中并没有能综合考虑这些因素的计算公式，最后只是把这些因素汇总成一个ξ值，导致该值的选取对最后的计算结果产生很大的影响。

6 结 语

1）在大体积混凝土中根据气温情况采用“三掺”技术, 掺加各种复合型外加剂、粉煤灰、超细矿渣粉能大幅度降低混凝土水化热温升, 降低水化热峰值, 有效防止裂缝出现。

2）应用混凝土结构的温度控制理论, 对大体积混凝土进行热工计算作为理论指导, 选择合适的保温养护方式, 采用综合的温控与施工措施对混凝土温升与内表温差进行实测, 当理论计算值混凝土内外温差大于25℃时，通过优化配合比、控制材料温度、选择合适的养护措施等可以有效控制大体积混凝土产生裂缝。

[1] 叶琳昌,沈义.大体积混凝土施工[M].北京： 中国建筑工业出版社,1987.

[2] 赵志缙.高层建筑施工手册[K].上海： 同济大学出版社, 1995.

[3] 冯乃谦,邢峰.高性能混凝土[M].北京： 清华大学出版社 , 2000： 91- 97.

[4] 赵志缙.高层建筑基础工程施工[M].北京： 中国建筑出版社, 1986.

[5] 徐仁祥.建筑施工手册第四册[K].北京： 中国建筑出版社, 1997.

[6] 陈肇元, 朱金铨, 吴佩刚.高强混凝土及其应用[M].北京： 清华大学出版社, 1992.