筏板基础大体积混凝土温度裂缝控制研究

摘要：温度裂缝是大体积混凝土浇筑后常见的质量通病之一，若没有得到有效的控制，则会影响到建筑物的使用功能和使用寿命。本文结合工程应用实例，重点就大体积混凝土裂缝产生的原因进行探讨，并从多个方面阐述了混凝土裂缝的降温措施，以供类似研究参考。

关键词：大体积混凝土；温度裂缝；温度场模拟；降温措施

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：

随着我国科学技术的不断进步，大体积浑混凝土在城市建筑行业中的应用愈加广泛，特别是在筏板基础、水工建筑物和高层建筑中的应用，与此同时，大体积混凝土结构的耐久性和稳定性也越来越受到业界人士的普遍关注。筏板基础是一种典型的大体积混凝土结构，在浇筑过程中，混凝土结构容易受到温度变化的影响，其自身会产生大量的热量，如没有得到及时的扩散，混凝土浇注体产生的温度应力就会导致温度裂缝现象的出现。这些温度裂缝不仅会破坏混凝土结构的耐久性和稳定性，同时也是影响筏板基础大体积混凝土结构质量安全的最重要因素。因此，建设单位人员需要加强对混凝土温度裂缝的认识，采取必要的降温措施，最大限度避免混凝土裂缝的产生。

1 工程概况

某人防地下室采取筏板基础，筏板厚度达到1100mm，而且地下室面积较大，是典型的大体积混凝土施工。针对此，本工程一方面对地下室的大体积混凝土施工采取一些列的抗裂措施，另一方面对本地下车库共分三大块浇筑，按设计留置后浇带。

2 大体积混凝土裂缝分析

从研究结果表明大体积混凝裂缝可分为贯穿型裂缝、深层型裂缝和表面型裂缝三种。贯穿型裂缝通常由于混凝土表面的裂缝发展产生，渐渐产生深层次的裂缝，最终就形成了贯穿型的裂缝形式。贯穿型裂缝能够将结构断面切断，而且对结构的稳定性和整体性都有破坏效应，具有非常严重的危害性威胁。深层型裂缝能够对结构断面局部进行切断，同样具有相当大的危害性，表面型裂缝通常危害性就比较小。产生的局部裂缝收到环境影响较大，而且所产生的裂缝也不全都对结构安全造成绝对影响，只要满足最大允许值就是安全的。根据文献研究发现，大体积混凝土温度裂缝出现的机理主要有两个，一是取决于混凝土的内部因素，内外的温差产生裂缝，二是外部因素，混凝土各个质点之间约束作用及结构外部的约束效果阻碍了混凝土的收缩等变形。混凝土材料的抗压强度比较大，能够承受的抗拉强度小得多，一旦受到超过混凝土可以承受的设计抗拉强度的温度应力则会产生裂缝，对其控制必须着重考虑。施工中出现的裂缝原因很多，笔者以下做了几点总结。

(1)水泥水化热作用影响。水泥的水化过程不断释放热量，大体积混凝土的结构断面又比较厚，其表面系数较小，水泥水化放热更容易在内部聚集难以散失。这种情况下混凝土的内部水化热不能及时的向外散发，继而温度越积越高，最终产生较大的内外温差。

(2)外界气温的变化作用。进行大体积混凝土施工时，其浇筑温度是随着外部的温度而变化的，尤其是当温度骤降的时候，内外层的混凝土温差增大迅速，非常不利于大体积混凝土性能保证。

(3)混凝士收缩的影响。将近20%的混凝土内部水分在水泥硬化过程中需要用到，剩下的将近80%水分蒸发掉。这一过程中会有部分水分多余在混凝土中，继而造成混凝土的收缩。根本上来讲，混凝土的收缩很大部分原因是其内部的水分蒸发所致，接着就引起了混凝土的开裂。

3 大体积混凝土的温度场模拟

大体积混凝土温度场分布较为复杂，一般来说内部温度高，外边温度低，这样造成混凝土内部膨胀，而外部由于温度接近自然温度，一般不会膨胀，这就造成大体积混凝土更容易发生破坏。而了解大体积混凝土温度场的分布对于我们采取措施降低大体积混凝土的温度有很大的益处。通过COMSOL多物理场软件，可以通过有限元的办法预测出大体积混凝土的温度场分布。COMSOL工作原理是使用偏微分方程和边界条件求解温度场，对于大体积混凝土的内部高温处与低温处的连接面可以采用第三类边界条件，同时考虑连续边界条件，如果内部有其它材料，此边界条件将发生变化。上述定解问题是目前对钢管混凝土温度场计算理论描述最完整的数学物理模型，可能部分学者根据自己的研究对其中部分参数的取值做了简化或根据自己实验取值，或是根据研究对象的几何形状不同对控制方程进行了简化处理。带保护层的温度场技术和上面类似，只需要增加保护层区域的相关参数。对大体积混凝土的多物理场有限元模拟结果如图1所示。从计算来看，温度场从内向外是温度依次降低，并且温度场的分布较为均匀。

图1 有限模拟温度场

4 大体积混凝土降温措施

4.1 大体积混凝土的配制方法

大体积混凝土要减少温度的影响，首先要从其配制的材料及方法入手。大体积混凝土所选用的原材料应注意以下几点:①对于骨料的选择，粗骨料宜采用连续级配，而细骨料宜采用中砂；②外加剂宜采用缓凝剂、减水剂，掺合料宜采用粉煤灰、矿渣粉等，适当的时候可以采用硅灰；③大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下，应尽量降低水泥用量，并提高掺合料及骨料的含量，这样可以保证水化热减少；④水泥应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥，优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥；⑤掺加碳纤维。碳纤维有很好的柔韧性，其抗拉性能相当优越，它掺入到大体积混凝之中去，对提高大体积混凝土的抗裂性能大有益处。

4.2 大体积混凝土的浇筑技术

浇筑大体积混凝土应采用合理有效的降温浇筑技术，通过结合工程实践，笔者总结可采用以下几种方法:

(1)全面分层。全面分层是指在第一层全面浇筑全部浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，这种浇筑可以避免大体积混凝土在竖向产生膨胀。

(2)分段分层。分段分层浇筑是指在混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，这种方法可以使得大体积混凝土之间有伸缩缝，这样即使内部有膨胀，这种膨胀的影响也不大。

(3)斜面分层。对于斜面的施工，要求斜面的坡度不超过1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。这种浇筑可以避免温度产生的影响。

4.3 大体积混凝土养护措施

大体积混凝土养护关乎到后期的大体积混凝土膨胀裂缝是否出现，是非常关键的时期，采取人为温度的控制以预防温度变形而造成的混凝土开裂，如控制混凝土浇筑温度及混凝土内部最高温度。在混凝土养护期间确保对大体积混凝土表面的温度同环境最低的温度差值和大体积混凝土中心的温度同大体积混凝土表面的温度差值的绝对值小于20℃。当混凝土结构拥有了足够抗裂能力的时候，上述温度差值绝对值小于20～30℃。完成混凝土拆模之后，混凝土温度差值小于20℃，这里的温度差值包含表面的温度、中心的温度及外界气温三者之间温度差值。

4.4 大体积混凝土温度场的智能监控

目前对于大体积混凝土可以预先在浇筑之前在其内部埋入热电藕，热电藕通过导线与外界相连，在外面可以用电脑连接热电藕。当大体积混凝土浇筑完毕时，其内部的温度会随着水化的进行而升高，通过热电藕以及计算机，可以知道其内部各个位置的温度分布，并据此对大体积混凝土的内部采取降温的措施。目前智能监控还没有在大体积混凝土工程中使用，这项技术目前可以推广，从而监测大体积混凝土内部温度变化。

温度传感器品种众多，选择一合适的温度传感器是本电路设计的关键所在。热电藕由于热电势较小，因而灵敏度较低；热敏电阻由于非线性而影响其精度；铂电阻温度传感器由于成本高，在一般小系统中很少使用。考虑到本电路设计用的是89S51微处理器我们选择由美信公司免费的DS18B20温度传感器。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，且每片DS1820都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以使在构成大型温度测控系统时在单线上挂任意多个DS1820芯片。从DS1820读出或写入DS1820信息仅需一根口线，共读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可向所挂接的DS1820供电，而无需额外电源。DS1820能提供9位温度读数，它无需任何硬件即可方便地构成温度检测系统。采用热电藕进行温度智能监控的具体操作是在混凝土内布置热电藕，热电藕设在温度容易发生变化的地方。每个箱梁施工段底板可设2个，顶板及翼板每施工段各设2个，索塔每施工段每侧设2个。对热电藕进行编号，并绘制热电藕布置图。混凝土浇筑完后内部每隔2h测温一次，其中升降温时每1h测1次，外部自然气温在每天7时、12时、16时和午夜零时4个时间进行记录。

5 结语

综上所述，本文通过探讨筏板基础大体积混凝土温度裂缝控制措施，提出了一种大体积混凝土温度场模拟的新方法，同时针对温度裂缝产生的原因提出了一些切实有效的控制措施及养护措施，确保大体积混凝土温度能够控制在合理的范围内，以最大限度避免混凝土裂缝的产生，从而提高混凝土结构的稳定性及安全性。

参考文献

[1] 辛玲.筏板大体积混凝土浇筑综合施工技术[J].城市建设理论研究.2012年第08期

[2] 李群.大体积混凝土裂缝产生原因及控制方法[J].中华建设.2012年第03期