冬季施工大体积混凝土收缩变形机理及裂缝控制分析

【摘要】变电站GIS基础一般均为大体积混凝土，温度应力影响下收缩变形大，表面裂缝难以控制。本文以某变电站500kVGIS基础为例，对GIS基础大体积混凝土收缩变形裂缝机理进行分析，计算GIS基础混凝土内部最大应力，依据计算结果提出在GIS基础内部及表面合理构造配筋，在基础保护层内增配抗裂钢丝网与耐碱玻璃纤维网布等设计措施，并提出易于施工的基础温控技术。现场GIS基础冬季施工有效避免了大体积混凝土表面裂缝的产生，达到了大体积混凝土内实外光的效果，可为以后变电站GIS基础大体积混凝土裂缝控制提供参考。

1 工程概况

龙山500kV变电站位于山东省章丘市绣惠镇，是济南电网的枢纽变电站，为山东500kV电网"十二五"重点建设工程，是山东首批投运的无人值守智能变电站，在电网中起着十分重要的作用。

龙山500kV变电站500kVGIS基础为超长大体积混凝土，平面不规则，外形轮廓尺寸为12.3m×124.7m，厚度为1.95m。混凝土强度等级为C25。

2 设计及施工难点

（1）500kVGIS设备对基础平面允许误差及沉降有较高要求，基础伸缩缝设置与设备水平、垂直伸缩节位置有关，伸缩缝间距过大，不满足规范要求。

（2）GIS基础为大体积混凝土，施工过程中，由于水泥水化热等原因，极易引起混凝土内部温度和温度应力的剧烈变化，从而导致混凝土结构出现裂缝。因此，防止混凝土出现有害温度裂缝是设计和施工的关键工作。

（3）GIS基础施工期间正值冬季，白天温度在3℃左右，晚上温度下降到-7℃，昼夜温差大，对于大体积混凝土浇筑及保温养护难度较大。

3 大体积混凝土GIS基础开裂机理分析

500kVGIS基础混凝土量大，引起混凝土开裂因素较多，施加适当应力可能产生基础内部微裂缝，环境恶劣、结构不合理也会引起基础较大裂缝，极端情况下，会严重影响结构内部完整性。

对500kVGIS基础而言，混凝土干缩和温度应力是引起混凝土开裂的主要原因。混凝土制作过程中，水和水泥发生化学和物理变化使混凝土产生凝结和硬化，混凝土浇筑后由于水泥水化热作用，会经历升温期、降温期和稳定期3个阶段，混凝土体积也会随温度变化而发生热胀冷缩，各部分基础混凝土体积变化收到约束从而产生温度应力，当产生的温度应力大于混凝土抗裂能力时，混凝土就会开裂。

混凝土在冬季施工，产生裂缝的原因还有混凝土内外温差和新浇混凝土的早期受冻，混凝土中自由水受冻形成的冰晶会直接影响混凝土的强度发展及耐久性，混凝土浇筑温度、养护时间与养护方法等因素对混凝土受冻的强度损失有较大影响[1]。

5 冬季大体积混凝土施工抗裂缝措施

控制裂缝的发展是大体积混凝土施工过程中的重要难题，500kVGIS基础截面尺寸大，由荷载引起的裂缝可能性很小。冬季施工时，大体积混凝土释放的水化热受昼夜温差变化和收缩作用，引起混凝土结构裂缝的主要因素是温度和收缩应力[3]，可采取以下措施控制裂缝产生：

5.1 设计措施

1）500kVGIS基础采用中低强度标号混凝土，基础上部1.35m采用C25混凝土，底部0.6m采用C25毛石混凝土，毛石含量不大于25%，减少水泥用量，从而降低混凝土浇筑时的水化热。

2）基础混凝土顶面及底面均配双向钢筋网，钢筋采用8，间距150mm。基础顶面如有预埋槽钢，则双向钢筋网遇槽钢处应截断，使保护层厚度不应过大。

3）基础表面外露200mm厚度范围内添加抗裂纤维，纤维断裂强度>1500MPa，长度为18mm，掺量为0.7～0.9kg/m3，基础顶面增设一层耐碱玻璃纤维网布，有效避免基础顶面裂缝产生。

4）500kVGIS基础形状不规则，开洞或阴角处应力集中，往往是裂缝高发部位。本工程在所有GIS基础阴角处距基础表面300mm的深度范围内设置两排12@100斜向抗裂钢筋，单根钢筋长度≥500mm。此外在GIS基础阴角部位的表面周围增设一层1m×1m（长×宽）钢丝网，钢丝网选用12.7mm×12.7mm，丝径0.9mm，钢丝网的保护层厚度为15mm，从而避免阴角等应力集中部位出现裂缝。

5.2 施工措施

1）原材料选择。

混凝土原材料优选中最关键的是在不降低混凝土弹性模量、抗拉抗压强度、抗冻性、耐磨性及抗渗性等力学主要技术指标前提下，有效降低混凝土的绝热温升。

本工程采用低热矿渣水泥或中热硅酸盐水泥代替常规硅酸盐水泥，掺入一定量的粉煤灰以降低放热量。精选砂石骨料，采用骨料的连续级配，提高混凝土的密实性，选用热膨胀系数小和吸水率低的骨料，以减小混凝土的膨胀和收缩变形，严格控制砂石的含泥量。掺加减水剂等外加剂，在保持混凝土坍落度和强度不变的条件下，减少用水量，节约水泥，降低混凝土的绝热温升。

2）控制材料入模温度。

施工中应缩短混凝土运输时间，混凝土运输泵管外包岩棉保温筒进行保温；骨料及钢筋不得混有冰雪、冻块及易被冻裂的矿物质；施工中要控制好混凝土浇筑出机和入模温度，出机温度一般不低于10℃，入模温度一般不低于5℃，温度如过低，则容易造成新浇混疑土冷却过快，使混凝土在很短时间内降至冰点温度，从而影响混凝土早期强度增长。

3）控制混凝土内部温度

大体积混凝土浇筑后将产生较高的水化热温升，使混凝土内表之间存在温度差别，温度差使结构不同部位变形不一致，从而产生温度应力。

温度应力尤其是拉应力容易使混凝土结构产生裂缝，从而降低混凝土结构的耐久性。为防止温度裂缝，必须进行温度控制，尤其在低温天气条件下。基础钢筋安装的同时埋设冷却水管（每层间距1 m）和温度监控的测温仪器，在混凝土浇筑前进行仪器的调试和冷却水管通水试验以检测其完好性；混凝土分层分次浇筑、捣实，浇筑每层厚度为250～300mm，减少水化热总量，确保混凝土质量[4]。

4）加强混凝土成品养护。

冬季混凝土的养护管理是保证混凝土质量的重要措施，新浇筑的混疑土要做好覆盖保温工作，并经常检查；做好混凝土的测温工作，随时掌握混凝土的内部温度，保证混凝土在初凝期不受冻。基础混凝土收面后先铺设两层薄塑料膜进行保水养护，然后满铺5cm厚防火保温棉毡进行保温，最后外侧满铺1层彩条布防雨、雪及大风。养护期间严格保证了混凝土内外温差小于25℃，混凝土降温速率小于1.5℃/天，表面温度与大气温度之差小于25℃，从而有效避免结构裂缝产生[5]。

6 结论

工程实践表明，严寒冬季大体积混凝土施工，采取合理的控制混凝土裂缝的设计和施工措施，裂缝控制可达到设计要求。经过对大体积混凝土进行温度收缩应力分析计算，在基础底部采用毛石混凝土，顶面增设双向钢筋和耐碱玻璃纤维网布，阴角布置抗裂钢筋和钢丝网，控制混凝土的入模温度和内外温差，最后本工程500kVGIS基础浇筑完成表面未出现任何有害裂缝，混凝土内实外光，观感质量优良，对以后大体积混凝土设计及冬季施工有良好的借鉴作用。

参考文献：

[1] 黄传庚，吴琴凤.公伯峡水电站厂房混凝土冬季施工温度控制[J].葛洲坝集团科技，2005（1）.

[2] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].中国建筑工业出版社，1997.

[3] 张莉莉，罗艺，王杰，李玉建，刘明均.严寒环境下大体积混凝土基础底板施工技术[J].建筑技术，2014，45（2）

[4] 建筑施工手册（第四版）[M].中国建筑工业出版社，2003.

[5] GB50204-2002，混凝土结构工程施工质量验收规范（2011年版）[S].中国建筑工业出版社，2011.