大体积混凝土温度裂缝的控制及防治措施

摘要：本文主要结合工程实例，就大体积混凝土容易出现的温度裂缝，从产生原因上进行了分析，对大体积混凝土浇筑所采取的施工方案以及控制技术进行了探讨，得出从原材料、设计、施工等方面加强控制,采取科学、合理和切实有效的防治措施,能够达到防止混凝土产生温度裂缝。

前言：

大体积混凝土在施工过程中,由于水泥水化过程中产生的水化热,使混凝土结构出现热胀现象,同时,混凝土在硬化过程中出收缩现象,热胀与收缩两种现象相互作用将导致混凝土结构出现裂缝,从而破坏混凝土结构。因此,在混凝土硬化过程中,必须采用相应的技术措施,使混凝土内部与外部之间的温差控制在合理的范围内,温差产生的应力不超过规定值,避免混凝土出现结构性裂缝。

1、裂缝产生的原因

混凝土结构产生裂缝的原因很多,按受力情况分为受力裂缝和非受力裂缝。受力裂缝主要是在外界荷载的作用下,混凝土产生的拉应变达到极限时出现的裂缝,裂缝与混凝土的主拉应力相垂直;非受力裂缝是由于温度变化、不均匀沉降、混凝土收缩徐变、钢筋锈蚀等引起的裂缝。但在实践中,大体积混凝土往往是几种因素不同组合的结果,本文重点探讨大体积混凝土在施工过程中由于温度因素引起混凝土裂缝的控制措施。

2、温度裂缝控制的重点

(1)混凝土施工时,内外温度应小于25℃;

(2)K= ft/σmax≥1.5;式中ft为混凝土的抗拉强度;σmax为混凝土内最大温度应力;

满足上述两个条件,则混凝土具有足够抵抗温度裂缝的能力。下面结合工程实例,分析两个条件的计算方法:某桥梁工程承台结构尺寸为6.6×6.4×2.5m,混凝土设计强度等级为C40,水泥P.042.5,掺合料为粉煤灰和S95矿渣粉,混凝土配合比设计如下:

该承台于2008年6月份,室外最高气温为25℃。由于承台最小的结构尺寸达到2.5m,该承台为大体积混凝土结构,故需考虑混凝土在浇注过程中产生大量的水化热问题,控制混凝土的内外温差,从而有效控制混凝土的温度应力。因此,防止混凝土出现裂缝的关键是控制混凝土的内外温差。混凝土温度数值计算具体如下:

2.1混凝土水化热计算

(1)混凝土最大水化热绝对温升

计算3d龄期的绝热温升。其中根据混凝土配合比水泥水化热量Q=375kj/kg,每方混凝土水泥用量(不含膨胀剂)w= mc =240kg,混凝土的比热取C=0.97kj/kg・k,混凝土的密度ρ=2360 kg/m3,环境温度(取最大值)Tq=25℃,浇注温度Tj = 24.5℃, 3d龄期查表得知: 1 - e-mt= 1 -2.178-0・384×3=0・684

则据公式Th=mc×Q/c×ρ(1-e-mt)=(240×375/0.97×2360)×0.684=39.3℃

(2)混凝土内部最高温度Tmax

Tmax=Tj+Th・ξ=24.5+ 39.3×0.57=46.9℃

其中Tj为混凝土浇注温度,查表ξ=0.57

(3)混凝土的表面温度

混凝土采用两层(30mm)草袋覆盖结合洒水养护。

混凝土计算厚度为H=h+2h′,其中h为混凝土实际厚度,h′=k×λ/β, h′为混凝土的虚铺厚度,k为计算折减系数,取0.666;λ为保温材料导热系数,取0.58w/m2・k;β为传热系数取2.325w/m2・k,则:

h′=0.666×2.33/2.325=0.667m

H=h+2h′=2.5+2×0.667=3.834m;

混凝土内最高温度与外界气温之差T(τ)= Tmax- Tq=46.9℃-25℃=21.9℃

Tb(τ)=Tq+4×h′×(H-h′)×T(τ) /H2=25+4×0.667×(3.834 - 0.667)×14.4/3.8342=37.6℃

(4)水化热计算

混凝土中心最高温度与表面温度之差:Tmax - Tb(τ)=46.9 37.6=9.3℃＜(25℃

混凝土表面与大气温度之差之差:Tb(τ) - Tq=37.6 - 25=12.6℃＜25℃

上述两个数值均未超出25℃的规定,因此上述混凝土配比及养护防裂措施可行。

2.2混凝土温度应力计算

K=ft/σmax≥1.5;式中ft为混凝土的抗拉强度,σmax为混凝土内最大温度应力;

C40混凝土的抗拉强度,可从混凝土结构设计规范表4.1.5中查得;

σmax= E (t)×α× T(τ)×[1-1/cosh(β×L/2)]×S(t)

式中E (t)为混凝土弹性模量,取3.0×10-5MPa;a为混凝土线膨胀系数,取1.0×10-51/℃;T(τ)为混凝土内外界气温差;S (t)为混凝土松驰系数,取0.57;cosh为双曲余弦函数,L结构长度6.6m。

则根据公式,查表计算得K= ft/σmax=1.43/0.81=1.77≥1.5

故温度应力未超过规定,混凝土结构不会因降温收缩引起收缩裂缝。

3、混凝土施工裂缝防控措施

3.1设计控制

(1)平立面设计:采用合理的平、立面的设计,避免截面突变,从而减小约束应力;

(2)结构配筋:布筋合理,尽可能采用小直径、小间距,全截面配筋率不宜小于0.3%,控制在0.3%~0.5%之间,在混凝土表面增设金属扩张网等措施,提高混凝土抗裂性能;

(3)混凝土强度:尽可能选用中等强度的混凝土,避免采用高强混凝土。

3.2材料控制

(1)水泥:优先选用水化热较低的水泥,在保证强度的前提下降低单位水泥用量;

(2)掺合料和外加剂:在混凝土中掺入适量的减水剂,控制在水泥用量0.25%以内,不仅可减少了约10%的水泥用量,而且可降低水化热的产生,此外,在混凝土中掺入适量的粉煤灰,可大大改善混凝土的流动性和工作性;

(3)粗细骨料:在钢筋间距和泵车输送管的允许下,尽量选用粒径较大、级配良好的骨料,严格控制砂石的含泥量,分别控制1%和3%范围内;控制用量误差,水泥、外加掺合料用量误差±2%,粗、细骨料用量误差±3%,水、外加剂用量误差±2%。

3.3温度测控

为进一步监测混凝土在浇注过程中温度的变化情况,采用电子测温仪测控温度,根据温度对称分布的特点,预埋测温探头,测温探头按浇筑高度,分布在底、中、表面,按平面尺寸分边缘和中间两种,设置6个测温点,测温点距边角和表面150mm。混凝土内外温差应控制不大于25℃,如温差过大,应及时通过调整混凝土覆盖层厚度或洒水养护频率等方法进行处理,避免混凝土因温差应力过大产生裂缝。

3.4施工工艺控制

混凝土浇筑采用分层分段浇注,分层浇注厚度控制在400~500mm,以便混凝土水化热迅速散发,减小收缩和温度应力。分层应控制好时间,在下层混凝土初凝前必须将上层混凝土浇筑完毕。在混凝土浇注过程中,应防止混凝土离析,混凝土由料斗、泵管内卸出时,其自由倾浇高度不应超过2m,如超过则宜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,混凝土浇筑时不应直接冲击模板。插入式振捣棒要快插慢拔,插点呈梅花形布置,不应遗漏、过振。振捣棒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,振捣上一层时插入下一层混凝土5cm以消除两层间的接缝。此外,由于大体积混凝土浇注时长容易出现泌水现象,导致混凝土表面水泥砂浆层过厚,使混凝土因强度不均产生收缩裂缝,因此混凝土泌水时应及时处理。

3.5养护措施

混凝土浇筑后,应及时进行养护,养护时间不小于14d。混凝土养护采用覆盖土工布洒水保湿进行养护,以通过降低混凝土内外温度差和降温速度,达到降低块体自约束应力和提高混凝土抗拉强度的目的,提高混凝土抗裂能力。

结束语：

本文主要对大体积混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨,实践证明,在充分了解大体积混凝土裂缝产生的基础上,从原材料、设计、施工等方面加强控制,采取科学、合理和切实有效的防治措施,才能最大限度地预防和控制大体积混凝土裂缝的产生,进而保证混凝土结构的安全性和耐久性。

参考文献：

[1] 建筑施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[2] 混凝土工程施工技术与质量控制[M].中国建材工业出版社,2003.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。