大体积混凝土配比设计与裂缝控制技术.pdf

第 4 1 卷第 3期 2 0 1 5年 6月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 91 大体积混凝土配比设计与裂缝控制技术 王军 强 ( 江苏建筑职业技术学院， 江苏 徐州2 2 1 1 1 6 ) 摘要： 大体积混凝土在工程实践应用中存在开裂 、 渗漏等质量缺陷问题， 给工程的使用 、 维护带来诸多不便和安 全隐患。结合工程项目实际， 将温度控制和裂缝控制技术应用在大体积 昆 凝土 皇 原材料选用与配置、 混凝土浇筑 与养护等过程， 通过温度控制目标设计， 有效降低胶凝材料水化热、 降低混凝土出机 口温度、 入模温度、 绝热温升； 通过计算确定后浇带 间距或跳仓 间距 ， 合 理选择浇筑方法 、 养护 和保 温措 施等 ， 降低 混凝土 的表面和 内部最 大拉应 力， 解决了大体积混凝土开裂和渗漏等缺陷难于控制的施工技术难题 ， 为大体积混凝土的施工提供了参考。 关键词： 大体积混凝土； 温度应力； 温度控制； 裂缝控制 中图分 类号 ： T U 5 2 8 文献标志码 ： B 文章编 号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 5 ) 0 3 0 9 1 0 4 O 引 言 民用建筑高层及超高层建筑的基础 、 转换层 ， 工 业建筑的设备基础以及市政公用工程都存在大体积 混凝土的施工 问题。美 国混凝 土学会 A C I - 2 0 7认 为， 大体积混凝土是“ 现浇混凝土结构， 尺寸大到需 要采取措施降低水化热和水化热引起 的体积变化 ， 以最 大 限 度 地 减 少 混 凝 土 的开 裂 ” 。我 国 G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ( 大体积混凝土施工规范 认为， 大体 积混凝土是“ 混凝土结 构物实体最小几何尺寸不小 于 1 i n的大体量混凝土 ， 或预计会 因混凝土中胶凝 材料水化引起 的温度变化和收缩而导致有害裂缝产 生的混凝土” 。日本建筑学会标准( J A S S ) 认为 ， “ 结 构断面最小尺寸在 0 8 I T I 以上 ， 水化热引起混凝土 内最高温度与外界气温之差超过2 5 C的混凝土， 称 为大体积混凝土” 。可见， 国内外规范都比较关注 大体积混凝土的温度控制、 温度应力和裂缝控制问 题 。本文结合工程项 目， 就大体积混凝土的配置 、 温 度控制 、 温度应力计算 、 温度控制措施进行了施工实 践 。 1 大体积混凝土配 比设计 1 1 配置 目标 某超高层住宅项 目的筏板基础， 筏板厚度为 1 6 0 0 2 0 0 0 mm， 所要求的混凝土强度等级为 C 3 5， 收稿 日期 ： 2 o 1 4 - 0 4 - 2 4 作者简介 ： 王军强( 1 9 7 3一) ， 男， 陕西渭南人 ， 副教授， 研究方向： 钢 筋混凝土结构。 基金项 目： 住 房和城乡建设 部 2 O l 1年研究 开发项 目( 2 O l 1 一 K 3 - 2 5) ； 江苏省建设系统科 技项 目( Z D 1 9 ) Ema i I ： w a n g i u n q i a n g 7 3 9 9 1 6 3 c o rn 抗渗等级 P 6 ， 筏板基础下设素混凝土垫层 ， 筏板施 工期间处 于 5月 中旬 ， 日均气 温 2 5 ， 最高 温度 3 5 C 。根据大体积混凝土的工程应用特点 ， 在混凝 土的配置与施工方面， 提出了如下配置 目标要求。 1 ) 温控指标要求 混凝土浇筑体的最高温度控制， 即温升峰值 T m 7 O ； 混凝土浇筑体表 面与大气温差不 宜大 于 2 0 C； 混凝土浇筑块体 的里表温差 ( 不含混凝土 收缩的当量温度 ) 不宜大于 2 5 ( 2 ； 混凝土浇筑体 的 降温速率不宜大于 2 0 d 。 2 ) 温度应力控制要求 混凝土温度应力的控制主要包括混凝土表面拉 应力和混凝土内部最大拉应力的控制。混凝土表层 拉应力按照下式计算 ： =0 5 a E( t ) L I T ( t ) K 。 ( 1 ) 式中 混 凝 土 在 龄 期 t时 的表 层 拉 应 力 ( MP a ) ； 混 凝 土 线 膨 胀 系 数 ， 可 取 1 0 l 0一 o C ： E( t ) 混 凝 土 在 龄 期 t时 的 弹 性 模 量 ( MP a ) ； t T ( t ) 混 凝 土在 龄 期 t时 的 内表 面 温差 ( o C) ； 。 混凝土徐变引起 的应力松弛系数 ， 无 试验资料时候可取 0 5 。 混凝土 内部最大拉应力可按下式计算 ： = E o K o R( T m 一 ) ( 2 ) 一 式中 混凝土内部最大拉应力 ( MP a ) ； 混 凝 土 线 膨 胀 系 数 ， 可 取 1 0 四川建筑科学研究 第4 1 卷 1 0 一 ： E n 混凝土在准稳定温度时的弹性模量 ( MP a ) ； K 混凝土徐 变引起 的应力松 弛 系数 ， 无试验资料时候可取 0 5； R 混凝土基础约束 系数 ； 混凝土内部最高温度( ) ； 混凝土浇筑体准稳定温度( ) 。 混凝土基础约束系数 R反应混凝土非 自由变 形的条件， 与混凝土接触的介质条件、 混凝土浇筑体 厚度 、 浇筑体的长度等有关 ， 混凝土基础约束系数 R 根据下式确定 ： R=1一( c o s h ( c E 0 0 5 L ) ) 。 ( 3 ) 式中尺 混凝土基础约束系数 ； 混凝土浇筑体的厚度( m m ) ； E 。 混凝 土 在准 稳定 温 度时 的 弹性模 量 ( MP a ) ； C 约 束 介 质 单 位 面 积 水 平 变 形 刚 度 ( N ra m ) ， 对于风化岩 ， 低等级素混凝 土取 0 60 1 ， 对配筋 混凝土取 0 1 0 1 5； 混凝土浇筑体的长度( m m) ， 计算 可 以确 定分 仓 间距或 者 控 制后 浇 带 间 距 。 3 ) 混凝土温控抗裂安全性要求 工程设计 目标为混凝土表层温控抗裂安全系数 和内部温控抗裂安全系数均不小于 1 4 。 结合工程应用 目标 ， 所配置 的大体积混凝土强 度等级为 C 3 5， 抗渗等级为 P 6 ， 温控标准和温度应 力满足设计要求。采用 6 0 d强度指标进行配合 比设 计 ； 混凝土拌 和物 1 h延时坍落度 可取 为 1 6 51 8 0 m m； 拌和物泌水率小于 1 0 L m 。 1 2配置依 据 本工程依 据 J G J 5 5 -2 0 1 o 普通混凝 土配合 比 设计规程 、 C E C S 2 0 3 ： 2 0 0 6 ( 自密实混凝土应用技术 规程 、 G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ( 大体积混凝土施工规范 、 J rI S 2 0 2 1 0 1 0 水运工程大体积混凝土温度裂 缝控制技术规程 、 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9 ( 普通混凝土长 期性能 和 耐久 性 能 试验 方 法 标 准、 G B 5 0 1 1 9 2 0 0 3 ( 混凝 土外 加剂 应用技 术规 范、 G B 5 0 1 0 8 2 0 0 8 ( 地下工程防水技术规范 等进行大体积混凝 土的配合比设计 、 试验、 温度控制和裂缝控制研究施 工实践， 重点是将温度控制和裂缝控制技术引入混 凝土配置与混凝土施工全过程 。 1 3配比设计 水泥为普通硅酸盐水泥 P 0 4 2 5 ， 初凝时间 2 2 1 rai n ， 终凝时间 2 7 3 m i n ， 3 d和 2 8 d抗压强度分 别为 2 5 9 MP a和 5 1 4 MP a 。掺合料采用粒化高炉 矿渣粉( $ 9 5 ) 和粉煤灰 ， 粒化高炉矿渣粉 7 d和 2 8 d 活性指数分别为 8 0 和 9 5 ， 比表面积 4 1 9 I n k g ， 需水量为 9 3 ， 粉煤灰为 I级 粉煤灰 ， 细度 ( 0 0 4 5 m m方孔筛 ) 7 0 。外加剂采用 P C A聚羧 酸高性 能减水剂 ， 减水率 2 6 2 ， 1 h经时变化量 3 0 mi D _ ， 常压泌水率 比为 5 2 。采用膨胀剂为 U E A 水中7 d 限制膨胀 率 0 0 2 7 ， 空气 中 2 1 d限制膨 胀率 0 0 0 8 。细骨料为 区中砂 ， 细度模数 2 7 ， 含泥量 0 6 ， 泥块含量 0 4 。粗骨料为 5 3 1 5 m m 的连 续级配碎石， 含泥量 0 7 ， 针片状颗粒含量 2 。 根据工程 目 标和使用要求， 在满足强度、 抗渗性 能、 体积稳定性、 工作性能等的基础上， 大体积混凝 土配比设计和施工控制的重点是温控设计。具体是 根据温控标准确定原材料的组成、 温度 、 混凝土绝热 温升、 分层分块、 保温层厚度、 浇筑养护等现场温控 措施。试验最后确定的大体积混凝土配合 比见表 1。 表 1 大体积抗渗混凝土的配合比 k g m。 2大体积混凝土的性能 对 于工作性能， 试验 中主要测试 了混凝土的和 易性、 坍落度和 1 h 坍落度。对于力学性能， 大体积 混凝土防止早期强度的发展 ， 分别测试 了 1 2 h和 2 4 h抗压强度 ， 考虑后期 强度 的发展 ， 测 试 了 7 d 、 2 8 d 、 6 0 d强度。对抗渗性和膨胀性能也相应进行验 证性测试 ， 具体性能指标见表 2 。试验结果表 明， 1 2 h抗压强度8 MP a， 2 4 hl 2 MP a ， 满足要求 ， 这个 有利于预防早期开裂 ， 混凝土 2 8 d强度虽然发展稍 微慢一些， 但后期 6 0 d 强度达到了 C 4 5的要求， 对 于大体积混凝土利用后期强度的做法表明是合理 的。混凝土初始坍落度为 1 9 2 m m， 1 h后的坍落度 为 1 8 0 m m， 坍落度的经时损失满足混凝土从搅拌站 运输到浇筑面的工作性要求 。混凝土的渗透压力达 到 0 8 MP a ， 满足设计的 P 6要求。限制膨胀率达到 2 0 1 5 N o 3 王军强， 等： 大体积混凝土配比设计与裂缝控制技术 9 3 0 0 3 1 ， 这个对于补偿 混凝土 收缩开裂 是有意义 的。 表 2 大体积抗渗 混凝土的性能 2 h 2 4 h 7 d 2 8 d 6 0 d 1 h 1 初始 后 水中7 d 7 2 1 1 6 2 5 6 3 3 5 4 8 7 1 9 2 1 8 0 好0 8 0 0 3 1 3 大体积 混凝 土的温度控 制 3 1 胶凝材料水化热总量 大体积混凝土中采用 的胶凝材料为水泥 、 粉煤 灰 、 粒化高炉矿渣粉 ， 根 据下式计算其 产生 的水化 热 ： Q = +k ：-1 ) ( 4 ) Q 。 ( 5 ) 式 中k 、 k 2 对于分别为 2 0 掺量 的粉煤灰和 矿渣粉 ， 分别取 0 9 5和 0 9 3 ； t 龄期( d ) ； Q 。 水泥水化热总量 ( k J k g ) ； Q 、 Q 分别为 3 d和 7 d时累积水泥水化 热 ( k J k g ) ， 本工 程计算 时分别取 2 4 3和 2 8 8 ； n 常数 ， 随水 泥 品种 、 比表 面积等 因 素不同而异。 计 算 的 Q 。为 3 3 4 5( k J k g ) ，Q 为 2 8 2 7 ( k J k g ) 。 3 2 混凝土出机口温度与浇筑温度计算 混凝土出机 口温度 按照式 ( 6 ) 计算 ， 浇筑温 度 按照式 ( 7 ) 计算。 = 0 2 0 一 ( + + )+ T p = +( 一 ) ( 0 1 +0 2 + 0 3 )+ ( 7 ) 式中 、 、 、 每立方米混凝 土中砂子、 石子 、 胶 凝材 料 、 水 的质 量 ( k g ) ； 、 、 、 混凝 土 中砂 子、 石子 、 胶 凝 材 料 、 水 的 人 料 温 度 ( ) ； 环境温度( ) ； 0 混 凝 土装卸 转运 时 的温 度变化系数 ； ： 混凝 土运输 时 的温度 变 化系数 ； 混凝 土浇 筑 时的温 度变 化系数 ， 计算 时， 取 ( 0 + 0 2 +0 3 )= 0 5 ； 混 凝土 泵送 时 的温度变 化系数。 3 3 大体积混凝土绝热温升与最高温度计算 混凝土浇筑后 ， 龄期 t 时的混凝 土绝热 温升根 据下式计算 。 ： W Q( 1 一 e - m t ) ( 8 ) pc 式 中 卜每 立 方 米 ? 昆凝 土 胶 凝 材 料 用 量 ( k g m ) ； 龄期( d ) ； p 混凝土质量密度( k g m ) ； c 混凝土比热容 ( k J k g o C) ； m 系数 ， 与水泥品种、 比表面积 、 浇筑温 度等 因素有关 ， 取 0 3 0 5 d 。 混凝土浇筑后的最高温度 ， 浇筑层 厚度为 1 8 m， 温升折 减 系数 取 0 5 9 2 ， 混 凝 土 内部 最 高温 度 按下式计算 ： T m a =T p + 0 5 9 2 ( 9 ) 式中 混凝土浇筑温度 。 考虑水泥温度为 4 0 ， 其他材料温度为 2 O ， 计算 的混凝 土 出机 口温度 为 2 2 4 ， 绝 热温 升为 4 4 3 ， 假定泵送距离为 5 0 n l ， 浇筑温度为 2 9 1 o C， 混凝土内部最高温度为 5 5 3 C 7 0 ， 混凝土表 面 ( 5 01 0 0 m m) 处温度 为 4 0 9 ， 混凝 土最高温度 与表面温差为 1 4 4 2 5 o C。 3 4 混凝土温度应力与收缩变形量计算 混凝土温度应力参照式( 1 ) 、 ( 2 ) 计算。混凝土 的抗拉强度 7 d和 1 4 d的经验值 为 1 9 3和 2 1 6 MP a ， 则抗裂安全系数分别可以达到 1 4以上 。 结合工程实际 ， 整理出混凝土温控计算结果 ， 见 表 3 。 表 3 混凝土温度控制计算结果 堕堡盟 垫 出 机口浇 筑 ( Q 0 ( Q k J k g ) k J k g ) ( ( 最高最大表层最大 收缩 温度温差 拉应力拉应力 变形量 C C MP a MP a 1 0一 5 5 3 1 4 4 0 5 4 1 5 3 1 6 5 4大体 积混凝土的裂缝控 制 1 ) 施工方法 的选 择。本工程筏板 基础 的特征 是厚度没有超 2 m， 面积相对较大 ， 混凝土浇筑量相 对大 ， 施工场地和浇筑能力相对有限， 选用 了整体推 移连续浇筑法施工。后浇带的留置或者跳仓间距的 四川建筑科 学研 究 第 4 l 卷 确定 ， 可以根据筏板基础的底部约束条件 、 混凝土体 的厚度 、 混凝土的温度应力要求 、 混凝土的要求 、 施 工环境等综合考虑 ， 并按计算结果设置。 2 ) 施工配 比和原 材料 的质量控 制。应 与混凝 土搅拌站进行密切的沟通 和联 系， 明确混凝土 的原 材料要求 ， 包括水泥的品种、 规格 、 等级 ， 掺合料的类 型 、 等级、 细度 、 掺量 ， 外加剂 的要求 ， 粗细骨料 的要 求。明确混凝土抽样检测 的内容 ， 包括 和易性 的测 试 、 强度 的测试、 抗渗性 能的测试 、 出机 口温度测试 等。大体积混凝土的配置 ， 考虑温控指标 的要求 ， 有 效引入掺合料 ， 降低水化热 ， 引入膨胀剂 ， 减少混凝 土收缩徐变 ， 这些有利于大体积混凝土的温度控制。 3 ) 混凝土浇筑要求 。浇筑前应进行技术交底 ， 采用两次振捣的方式 ， 确保混凝 土的密实。在 昆凝 土初凝前或预沉后 ， 在混凝土成型表面采用整平和 摸压的方式 ， 防止混凝土表面早期收缩 开裂或非结 构性细小裂缝的出现 。 4 ) 混凝 土保温和养护要求 。根据确 定的混凝 土温控条件 ， 确定混凝土浇筑后的养护措施 和保温 措施。保温养护是大体积混凝土施工的关键环节， 保温养护能减少表面的散热， 降低内外温差， 提高混 凝土的水化程度， 提高混凝土的抗拉性能， 降低混凝 土的自约束应力 ， 减少混凝土温度应力 的有害影响。 5 ) 大体积混凝土 的测温。对于大体积混凝土 ， 需要控制出机 口温度、 浇筑温度 、 内外最大温差 、 降 温速率等。根据需要在混凝土体内布置监测点， 每 条监测轴线 ， 布置 4 6个监测点 ， 浇筑体厚度方向， 靠近约束 的底层以上 5 01 0 0 m m、 中部 、 顶层l 三 l 下 5 01 0 0 m m需要 布置测试点， 厚度较大 的， 需要在 中部加密测试点 ， 按测点 间距不大于 5 0 0 6 0 0 m m 布置。测试元件 的选择和布置应符合要求 ， 及 时进 行温度监测结果 的分析 ， 发现异常或温度超标 ， 及时 预警采取相应措施。 5 结 语 随着城市化进程 的推进 和土地资源的稀缺 ， 大 体积混凝土在建筑中的应用越来越多。在大体积混 凝土的施工实践 中， 大量存在 开裂、 渗漏 等施工难 题 。将温控指标引入 昆凝土的配置 、 运输 、 浇筑 、 振 捣与养护 ， 采取适宜 的设计与施工技术 ， 合理控制温 度应力 和混凝土的变形 ， 对于预 防大体积混凝 土的 约束应力 、 温度变化等引起的裂缝是有利的 ， 这些对 于大体积混凝土的设计、 生产、 施工、 养护等有参考 意 义。 参 考 文 献 ： 1 G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9大体积混凝土施工规范【 s 2 J G J 5 5 -2 0 1 1 普通混凝土配合比设计规程 s 3 J G J n0 2 叭1混凝土泵送技术规程【 s 4 王军强 自密 实防水 混凝 土 的配制 与施工 技 术 J 混 凝土 ， 2 0 1 1 ( 0 7 ) ： 1 0 4 1 0 6 5 G B T 5 0 0 8 2 -2 0 0 9普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法 标准 s 6 何隽 ， 赵林 ， 孙 晓东 ， 等 超长地下 混凝土结构无 缝设计及 施工 J 施工技术 ， 2 0 1 2 ( 1 2 ) ： 8 7 - 8 9 7 G B 5 0 1 1 9 -2 0 0 3混凝土外加剂应用技术规范 S