浅谈大型混凝土裂缝与控制措施分析

摘要:本文主要是就结合某工程实例,对大型混凝土裂缝的产生原因进行分析,通过理论计算以及从设计材料和施工等方面提出了一套优化的温控方案,在工程中取得了较好的效果。

关键词:大型混凝土裂缝控制措施

现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如高层楼房基础、大型桩基承台等。它主要的特点就是体积大，一般实体内部最小尺寸大于或等于lm。它的表面抗拉性差，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快。混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用。

1、工程实例

中润嘉苑住宅及商业群体建筑总建筑面积128328m2,地下室底板东西向长267m,南北向长100~200m，呈梯形状,总占地面积39685m2，底板厚度0.6~2.5米不等。无论从混凝土底板的长度,宽度还是底板的厚度来看,均属大体积、大体量、超长度的无缝混凝土结构。此次设计采用UEA补偿收缩微膨胀自防水混凝土,混凝土设计强度为C40,设计抗渗等级为S8。

本项目基础混凝土工程的特点是:①总体规模大、单项类型多、结构复杂。②结构的整体性及防水质量要求高。③主楼桩筏板式承台厚大、混凝土强度等级高、单方水泥用量大、水泥水化热温升高、升降温变化大。

2、混凝土配合比设计

本工程大体积混凝土筏板基础采用C40,P8商品混凝土。其材料及配合比,见表1所列。表1C40P8混凝土的配合比kg/m3注:JEA为UEA的换代产品,CL-1减水剂。

表1C40P8混凝土的配合比kg/m3

3、大体积混凝土抗裂预测

3.1温度、应力的计算

混凝土内部最高温度是造成混凝土裂缝的关键因素。混凝土内部最高绝热升温值为Tc=W1Q1+W2Q2ρC+FA50(1)其中,Q1为水泥的水化热,Q1=461 kJ/kg;Q2为JEA的水化热,Q2=260 kJ/kg;W1为水泥用量,W1=424 kg/m3;W2为JEA用量,W2=32 kg/m3;C为混凝土比热,C=0.97 kJ/kg•k;ρ为混凝土密度,ρ=2450 kg/m3;FA为混合材用量(粉煤灰的掺量),FA=27 kg/m3。将各参数代入(1)式,解得Tc=86.2℃。进一步求得混凝土中心最高温度[文献2]为Tmax=Tj+Tcξ(2)其中,Tj为混凝土浇筑时的温度,取20℃;ξ为不同浇筑厚度、不同龄期时的降温系数,令其3d时ξ最大,故取ξ=0.65,则算得:Tmax=20+86.2×0.65=76.03℃。

混凝土内外温差,取大气温度Tq=22℃,则:Tmax-Tq=76.03-22=54.06℃>25℃。混凝土表面和内部温差应控制在设计要求的范围内,当设计无具体的要求时温差不宜超过25℃。因施工图均无温差要求,所以施工普遍按不超过25℃温度控制,因此需采取温控措施。本工程在进行技术、经济比较的前提下采取外保内降的综合优化温度控制方案。

为了更好控制混凝土内外温差,需求出混凝土的绝热升温曲线。混凝土的绝热升温曲线最好由实验测定,在缺乏直接测定的资料时,也可根据水泥水化热估算。本文中,尝试利用实测值对经验公式参数进行修正,使得理论值与实测结果更加吻合。混凝土绝热升温经验公式为θ(τ)=Q(τ)(W+KF)/Cρ(3)式中W―――水泥用量 C―――混凝土比热 ρ―――混凝土密度 Q(τ)―――龄期水泥水化热 K―――折减系数,对于粉煤灰可取0.25,水泥的水化热是依赖于龄期,分别将水泥水化热的指数式和复合指数式表达式代入(3)式,获得两组理论结果。在此基础再根据现场的混凝土测温记录比较哪种方法更符合实际情况。其中指数式Q(τ)=Q0(1-e-mτ)(4)复合指数式Q(τ)=Q0(1-e-aτb)(5)其中,Q(τ)为在龄期τ时积累水化热kJ/kg;Q0为τ∞时的最终水化热,461kJ/kg;τ为龄期;m为常数,随水泥品种、比表面及浇筑温度不同而不同,根据某些实验资料,常数m取值范围在0.3~0.5之间;a、b为常数,根据文献[2],a=0.36,b=0.74。根据实验结果与经验公式对比可知,经验公式能够求出混凝土最高升温值,其中,指数式与实测结果更接近。但是经验公式存在的不足是:①没有考虑实际工程中热量散失情况。②由于受多种因素影响,目前尚未得到合理参数,导致温度的计算峰值比实测结果有明显滞后。针对上述不足,在实际工程中需要加强现场温度监控力度,特别注意温度峰值出现的时间。

3.2混凝土表面温度及内部温度的计算

为了控制混凝土中心与表面的温差以及混凝土表面与环境温度的温差,需预测混凝土最高温升时和各龄期在保温材料覆盖下的表面温度。通常,表面最高温度计算[文献5]为Tb(τ)=Tq+4H2(H-h′)ΔT(τ) (6) 式中Tb(τ)―――龄期τ时混凝土的表面温度 Tq―――龄期τ时大气的平均温度,取20℃ H―――混凝土的计算厚度h―――混凝土的实际厚度h′―――混凝土的虚厚度ΔT(τ)―――龄期τ时,混凝土内部最高温度与外界气温之差,ΔT(τ)=Tmax-Tqh′=K•λβ(7)式中K―――计算折减系数,取0.666 λ―――混凝土的导热系数,取2.33 β―――混凝土模板及保温层的传热系数β=1∑Si/λi+1/βq(8)式中Si―――各种保温材料的厚度(m)λi―――各种保温材料的导热系数(W/m•k)βq―――空气层传热系数,可取23W/m2•k本工程在2.5m厚的混凝土板表面密铺一层农用薄膜加2cm厚的泡沫塑料,所以上述参数取值如下:塑料泡沫λi=0.035~0.047W/m•k,取平均值λi=0.04W/m•k,泡沫塑料厚0.02m,代入(8)式解得,β=1.84W/m2•k。再将上述结果代入(6)、(7)式分别求得,h′等于0.84m、Tb(τ)最大值是52.76℃。从而可知混凝土中心与表面最大温差(76.03-52.76=23.27℃)小于25℃,说明此保温措施是切实可行的。随着混凝土龄期的发展,混凝土中心温度不断下降,两个温差将进一步减小。

有效预测混凝土内部温度与深度的关系是建立优化混凝土内部降温措施的前提条件,混凝土内部温度与深度关系计算[文献5]为Tx(τ)=Tq+4H2x(h-x)ΔT(τ)(9)

本工程中沿混凝土的厚度方向设置了四个测点距离，混凝土表面距离分别是0.01m、0.5m、1.0和1.5m。实测温度与(9)式的理论计算值如表2所列。由表2可知,计算值与实测值基本相符,能够指导混凝土内部降温措施的优化工作。

表2温度实测值和理论值℃

3.3抗裂应力计算实践表明,为防止大体积混凝土开裂,不仅要控制结构内外温差,而且还要考虑收缩应力问题。自由收缩是不会产生应力的,而混凝土收缩时遇到内外约束则会产生收缩应力。研究表明,如果温度和收缩变形产生的最大应力小于材料抗拉强度时,结构的伸缩缝间距从理论上说可认为无穷大,不设伸缩缝也不会开裂;反之,如果其最大应力超过该龄期抗拉强度时,无论尺寸多短,也会产生裂缝。大体积混凝土浇筑后的15~30d是产生贯穿性收缩裂缝的危险期。因此,进行温度应力计算是控制裂缝开展的重要措施之一。温度应力可由如下公式计算[2,6]求得,即σmax=EαΔT-μ1-1cosh(βL/2)S(t)(10)式中E―――混凝土各龄期时对应的弹性模量,Et=Ec(1-e-0.09t) t―――混凝土龄期

Ec―――混凝土28d时C40的弹性模量,Et=3.35×104N/mm2

α―――混凝土的线膨胀系数1.0×10-5

L―――结构长度,本工程厚板长度L=50m(取最大施工标段长度)

ΔT―――综合温差,ΔT=ΔT1+ΔT2-ΔT3+Tj-Th=45.8℃

ΔT1、ΔT2、ΔT3―――混凝土的温度修正值,

ΔT1=Tc×ξ,ΔT2=εd/α,εd=1.48×10-4,ΔT3=εy/α=25℃

Th―――混凝土浇筑后达到稳定时的温度,Th=20℃

coshβ―――双曲余弦函数,β=CxHE

H―――结构厚度,本工程厚板厚度H=2.5m,H/L=2.5/50=0.05≤0.2,符合计算假定

Cx―――混凝土板与支承面间滑动阻力系数,采用砖胎模,取0.06N/mm3

S(t)―――混凝土应力松弛系数,取0.336把以上数据代入(10)式,解得σmax=1.14MPa≤1.95MPa,该混凝土28d龄期时的抗拉强度,抗裂安全度K=R/σmax=1.95/1.14=1.71>1.15,满足抗裂要求,不会因降温时混凝土收缩而引起收缩缝。

4、大体积混凝土养护时的温度控制

大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过人工的温度控制，防止因温度变形引起混凝土的开裂。温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行人为的控制。

在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点：

（1）大体积混凝土施工控制表面温度裂缝的产生，首先应从选定混凝土配合比入手。只要对掺合料、缓凝减水剂等选择合适，通过试配完全可以大大降低每m3混凝土的水泥用量，减少水灰比，降低混凝土的最高绝热温升，从根本上解决升温阶段的裂缝产生。

（2）掺加高性能磨细矿粉能有效地降低每m3混凝土的水泥用量，其性能优于粉煤灰。

（3）混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20℃ ；当结构混凝土具有足够的抗裂能力时，不大于25℃ ～3O℃。

（4）混凝土拆模时，混凝土的温差不超过2O℃ 。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温之间的温差。

（5）采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，降低混凝土内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行，还有常见的投毛石法，均可以有效地控制因混凝土内外温差而引起的混凝土开裂。

（6）保温法是在结构物外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料(如草袋、锯木、湿砂等)，在缓慢的散热过程中，使混凝土获得必要的强度，以控制混凝土的内外温差小于200C。

（7）混凝土表层布设抗裂钢筋网片，防止混凝土收缩时产生干裂。

5、结束语

施工质量控制是从事项目建设人员的长期而艰巨的任务，只要大家能通过扎实的理论知识正确分析成因，并根据实际施工情况采取有较的施工和技术措施，诸如大体积混凝土裂缝等质量问题是完全可以预防和解决的。

〔参考文献〕

[1]现行建筑施工规范大全[M].北京:中国建筑工业出版社,1994.

[2]邵世明.筏板基础大体积混凝土温度控制与现场监测[J].淮南职业技术学院学报,2005,5(1):21-24.

[3]彭立海.大体积混凝土温控与防裂[M].郑州:黄河水利出版社,2005

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。