超大体积混凝土温度裂缝控制技术.pdf

第3 6卷第 4期 2 0 1 0年 8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 1 0 5 超大体积混凝土温度裂缝控制技术 程 志， 郭 宏， 韩云 山 ( 中北大学理学院， 山西 太原0 3 0 0 5 1 ) 摘要： 从超大体积混凝土的定义出发， 阐述了产生温度裂缝的主要因素， 并针对超大体积混凝土的特点， 从设计、 施工、 材 料、 温控技术等方面制定了一系列温度裂缝控制措施。 关键词： 超大体积混凝土； 温度裂缝 ； 控制技术 中图分类号： T U 3 7 文献标识码 ： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 41 0 5 04 0 引 言 J G J 5 5 2 0 0 0 普通混凝土配合比设计规程 明 确给出了大体积混凝土 的定义 ， 即混凝土结构物实 体最小尺寸大于或等于 1 r n时 ， 或预计会因水 泥水 化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土 称为大体积混凝土。该定 义从总体上对 大体积 混凝土作了定量和定性的描述， 并指出了大体积混 凝土温度裂缝 的主要成因。 随着工程技术水平的不断发展 ， 为满足社会需 要 ， 一些体积更加庞大的混凝土不断出现 ， 应用于高 层基础 、 大坝等结构中。通常将这些超长 、 超宽 ( 一 般长、 宽均超过 6 0 m) 、 超厚 ( 一般为 1 m以上 ) 的混 凝土称为超大体积混凝土。它的特点是： 水泥水化 时放出的水化热更多， 温度裂缝控制难度会更大。 超大体积混凝土的特点决定了其裂缝控制的难 度将更大 ， 必须从设计 、 施工、 材料 、 温控技术、 养护 等多方面采取措施进行裂缝预防、 检测和控制 。超 大体积混凝土温度裂缝的成因主要有三方 面： ( 1 ) 水泥水化热； ( 2 ) 约束条件； ( 3 ) 外界气温的变化。 1 超大体积混凝土温度裂缝产 生的 主要因素分析 1 1 温 度及 温度效 应 混凝土结构物的温度分布是指某一时刻混凝土 结构内部及表面各点的温度状态。当混凝土结构浇 筑后 ， 由于混凝土内部的水化热、 外界的太阳辐射 以 及气温变化等因素 的影响 ， 混凝土结构内部会处于 不同的温度状态。影响混凝土结构温度分布的因素 主要有 内部和外部两大类 。 收稿 日期 ： 2 0 0 8 一 l 1 _ 0 7 作者简介 ： 程志( 1 9 7 9一)， 男 ， 山西朔州人 ， 讲师 ， 研究方 向为现代 施工技术 、 工程项 目管理。 E m a i l ： mi y o u 2 01 1 8 1 6 3 e o m 1 1 1 外界温度的影响 自然环境 中的混凝 土结构物， 受大气温度 变化 作用， 而各种气象因素在一年四季、 每天甚至每时每 刻都在发生变化。混凝土结构的最大温差与不同季 节的气候特征有密切关系。 混凝土结构中发生的温度变化 ， 与结构的方位、 表面朝向很有关系。结构的水平表面最高温度发生 在中午太阳辐射最强烈时刻之后， 同时在混凝土结 构物的向阳面与背 阳面间发生最 大温差 ； 垂直表面 上的最高温度随表 面朝 向不 同而在不 同时刻出现， 发生壁厚方向的最大温差分布。 1 1 2 水化 热 水泥水化释放的水化热会引起混凝土浇筑块 内 部温度剧烈变化 ， 是 影响混凝土温度分布 的主要 内 部因素。 根据 测 算 ， 水 泥 的水 化 热 值 约 为 2 0 04 0 0 k J k g ， 它可 以使混凝土的温度升高 3 O 4 O ( 按 绝热情况计算 ) ， 如果再叠加上混凝 土浇筑 时 自身 的温度( 如3 0 4 0 ) ， 则超大体积混凝土中的最 高温度可以达到 6 0 一8 O c 【= ( 按绝热情况计算) 。 而水泥的水化放热时 间较长 ， 需要几十天 以至几个 月 ， 其中前 3 7 d的放热量最大。由于超大体积混 凝土的导热能力较差 ， 尺寸越厚大， 混凝上内部的热 量散发到外界所需 的时 间就越长 ， 即超大体积混凝 土的散热延续时间会很长 ， 因此在外表 面温度突变 的情况下 ， 混凝土内部各层的温度变化要慢得多 ， 存 在明显的滞后现象。当混凝土构件尺寸很厚 大， 如 厚度达到 2 m时， 混凝土的中心部位已接近绝热状 态。故在 同一时间内， 通过单位厚度的热量也小得 多 ， 导致每层混凝土所得到的热量或扩散 的热量有 较大的差异， 从而在混凝土结构中形成沿壁板厚度 方向的不均匀温度状态。根据实测资料可知， 通常 情况下 ， 沿混凝土结构厚度方 向的较大温差分布为 一 指数曲线 。 1 0 6 四川建筑科学研究 第 3 6卷 由于混凝土结构经受各种 自然环境条件变化的 影响 ， 从浇筑时起 ， 混凝土结构的表面与内部各点温 度都在发生变化， 结构物的内表面处还不断地以辐 射、 对流和传导等方式与周围空气介质进行热交换， 由于混凝土结构的构造与使用要求不同， 导致结构 物尺寸形状上的差异 ， 因此 ， 混凝土结构物处于十分 复杂的热交换过程中， 其温度分布是不均匀的也是 很复杂的。混凝土结构温度分布的不均匀性和复杂 性 ， 导致混凝土结构中温度效应的产生。 混凝土结构的温度效应 ， 主要是指由于混凝土 结构中温度分布不均导致的在结构物中产生温度应 力和温度变形等不良现象。 1 2 结构约束 超大体积混凝土结构受到的约束 ， 一般分为 内 约束和外约束两种 j 。 1 2 1 内约束 一 个物体或一个构件本身各质点之间的相互约 束作用， 称为“ 内约束” 。 超大体积混凝土在水泥水化时， 会形成外低内 高的温差， 这种温差会使超大体积混凝 土内部温度 分布不均匀 ， 会引起质点发生的变形不一致 ， 从而产 生内约束。超大体积混凝土中心 由于温度较高 ， 所 产生的热膨胀也较表面大 ， 因而在混凝土 中心产生 压应力 ， 而表面则产生拉应力。当表面拉应力超过 混凝土的抗拉强度时， 就会在超大体积混凝土的外 表面产生裂缝 ， 这种裂缝 比较分散、 裂缝宽度小、 深 度也很小 ， 俗称“ 表面裂缝” 。它一般发生在浇筑后 的温度上升阶段 ， 是 由于混凝土体积发生膨胀所形 成的。 1 2 2 外约束 一 个物体 的变形受到其他物体的阻碍， 一个结 构的变形受到另一个结构 的阻碍 ， 这种结构与结构 之间、 物体与物体之间、 物体与构件之间、 基础与地 基之间的相互牵制作用， 称作“ 外约束” 。 超 大体积混凝 土浇筑后 数 日( 一般 不少 于 5 d ) ， 水泥水化热基本上释放完毕， 由于环境温度较 低， 这时， 超大体积混凝土就会从最高温度开始逐渐 降温， 降温的结果会引起混凝土的收缩。同时， 混凝 土中多余水分也随之蒸发 ， 这样 ， 就会引起混凝土体 积出现不同程度的收缩。而地基、 其他结构往往会 对超大体积混凝土进行约束， 让其不能自由变形， 在 这种外部约束的作用下， 混凝土的内外温差就会产 生温度应力。这种温度应力一般是拉应力 ， 当该温 度应力超过混凝土 的抗拉强度时， 就会从约束面开 始向上出现开裂 ， 从而形成温度裂缝。若温度应力 足够大， 裂缝会连续产生 ， 甚至会贯穿整个截面。贯 穿裂缝会严重影响结构的性能 ， 它会破坏结构 的整 体性、 耐久性、 防水性 ， 给结构带来重大的损伤 ， 直接 影响到工程结构安全。贯穿裂缝一般发生在混凝土 的温度下降阶段， 而且外部约束较大， 裂缝一般与约 束面成直角关系。如约束体为桩基、 岩体以及老混 凝土结构面时， 约束力会更大， 产生的温度应力也会 更大。但只有在 温差 ( 最高温度 与最 终稳定温度 差) 2 5 以上 ， 才会出现这种裂缝。此外 ， 不 同的约 束体会导致不 同的贯穿裂缝， 且其发生部位和裂缝 的多少也会不一样 。若产生贯穿裂缝 ， 后期养护不 到位 ， 还会加剧裂缝发展 。 2 超大体积混凝土温度裂缝控制技 术 大量工程实践经验都证 明， 结构物不可能不出 现裂缝 ， 裂缝是材料的一种固有缺陷、 固有特征。如 果对超大体积混凝土的裂缝作过于严格的限制 ， 则 施工难度大， 会带来成本的急剧上升。但可以采取 措施 ， 对裂缝进行控制。 对超大体积混凝土来说 ， 由温度收缩应力引起 的贯穿性裂缝会严重降低结构的整体性和耐久性， 应避免出现。由温度收缩应力引起的表 面裂缝 ， 一 般不影响结构的瞬时承载力 ， 可不做专 门处理。但 对不影响结构承载能力却影响混凝土耐久性和防水 性的表面裂缝 ， 可根据实际的需要防止钢筋锈蚀、 混 凝土碳化、 酥松剥落等加以封 闭或补强处理。对基 础、 地下或半地下结构 ， 裂缝主要影响防水性能。当 缝宽只有 0 2 0 3 m m时， 虽然早期有轻微渗水， 但经过一段时间后， 裂缝一般可以自 愈合， 可不进行 专门处理； 若缝宽超过 0 2 0 3 m lT l 时， 其渗水量 与裂缝宽度的三次方成正比， 且渗水量随裂缝宽度 的增大而增加很快 ， 应对其进行灌浆加固L 4 J 。 2 1 设计 ( 1 ) 改变约束 条件， 设置滑动层 。基础垫层 和 基础之间采用三毡四油防水层作为滑动层减小地基 对基础的约束， 降低约束应力。 ( 2 ) 设置构造钢筋。在超大体积混凝土内设置 必要的温度配筋， 配筋宜选用小直径 、 小 间距 ； 在截 面突变和转角处， 孔洞转角及周边 ， 增加斜向构造配 筋 ， 以改善应力集中， 防止裂缝 出现。 ( 3 ) 在易裂的边缘部位设置暗梁， 提高该部位 的配筋率。 ( 4 ) 合理设置后浇带 ， 保留时间大于 6 0 d ； 后浇 带 内梁中钢筋连续通过 ， 板中钢筋可断开， 在二次浇 筑 昆 凝土前 ， 根据规范要求连接板中普通钢筋 。 2 0 1 0 N o 4 程志， 等： 超大体积混凝土温度裂缝控制技术 1 0 7 2 2材料 2 2 1 水泥 针对超大体积混凝土结构 的特点， 选择低水化 热水泥。因为其在假定外 部温度没有变化 的情 况 下， 可减少混凝土的内外温差 值， 起到减少温度 应力的作用。选择水泥时， 还应合理控制好水泥的 细度 ， 这样 ， 才能在减少温度应力 的同时 ， 确保水 泥 混凝土的早期强度 ， 从而更有效地控制温度裂缝。 2 2 2 矿物掺合料 在施工中， 掺人 2 0 4 0 的粉煤灰， 可取代 一 部分水泥， 从而消减水化热产生的高温峰值。另 外， 粉煤灰还可以优化水泥石内部结构， 提高混凝土 早期强度。 2 2 3集料 集料在混凝土中的体积超过 5 0 ， 在成型阶段 是一种导热介质， 因此， 选择导热系数高、 热传导能 力强的集料 ， 可有效降低混凝土 的内外 温差 值。 另外， 集料 自身的温度对水化热 的产生也有 一定 的 影响， 集料 自身温度越高， 水化热也就越大。因此， 在制备混凝土时， 应根据当 日气候和集料温度， 对集 料进行必要 的降温处理。 2 2 4外加 剂 在控制超大体积混凝土温度裂缝时， 外加剂应 选择能调节混凝土凝结时 间和硬化性能的缓凝剂 、 减水剂。 缓凝剂能在对混凝土的后期物理力学性能无不 利影响的情况下 ， 延缓混凝土的凝结时间， 从而增加 混凝土的降温散热时间， 使混凝土内外温差 值减 小。如缓凝剂 J MP C A ， 可使混凝土初凝时间加 长3 8 h 左右。减水剂对混凝土强度的影响一般 体现在降低水灰比上， 低水灰比可使混凝土迅速硬 化， 提高混凝土早期强度； 另外， 在减少拌和水用量 的同时， 相应地减少了水泥的用量 ， 从而达到降低水 化热的目的 J 。 2 3施工 2 3 1 用分层 连续 浇筑 或推 移 式连 续 浇筑混凝 土 采用分层连续浇筑或推移式连续浇筑， 混凝土 层间的间隔时间应尽量缩短 ， 必须在前层混凝土初 凝之前 ， 将其次层混凝土浇筑完毕 。层 间最长的时 间间隔不大于混凝土的初凝时间。当层间间隔时间 超过混凝上的初凝时间， 层面应按施工缝处理 ： ( 1 ) 消除浇筑表面 的浮浆、 软弱 混凝 土层及松 动的石子， 并均匀露出粗骨料 ； ( 2 ) 在上层混凝土浇筑前 ， 应用压力水 冲洗混 凝土表面的污物 ， 充分湿润 ， 但不得有水 ； ( 3 ) 对非泵送及低流动度混凝土 ， 在 浇筑 上层 混凝土时 ， 应采取接浆措施。 2 3 2 二次投料及二次振捣 大量的工程实践证明， 采用二次投料水泥裹砂 法和二次振捣法， 可提高混凝土的极限抗拉强度。 所谓二次投料水泥裹砂法， 即先将水和水泥拌 成水泥浆， 搅拌时间大约 1 m i n ， 然后加入砂 子和石 子 ， 搅拌成混凝土。该法可改善混凝土内部结构 ， 减 少 混凝 土 浇筑 人 模 时 的离 析 现 象 ， 节 约 水 泥 达 2 O ， 或提高强度 1 5 。 所谓二次振捣 ， 即对未初凝的混凝土在振动界 限之前进行二次振捣。通过二次振捣可排除混凝土 因泌水在粗骨料 、 水平钢筋下部生成 的水分和空隙 ， 提高水平钢筋的握裹力、 竖向钢筋的抗拔力， 增大水 密性， 提高混凝土抗压强度， 减少混凝土内部裂缝， 防止因混凝土下沉而出现 的裂缝。有关资料证 明， 采用二次振捣可使水平钢筋 的握裹力增加 1 3 ， 竖 向钢筋初始抗拔能力提高 1 0 0 ， 2 8 d 混凝土的抗 压强度提高 1 0 1 5 。二次振捣关键要掌握好 二次振捣的时间， 该时 间为混凝土经振捣后尚能恢 复到塑性状态的时 间， 一般又称为振捣界限。振动 界限的判断方法一般有两种 ： 一种是将运转着 的振 动棒逐渐插入混凝 土中时 ， 混凝土仍能恢 复到塑性 状态 ， 当振动棒拔出时 ， 混凝土能 自动填满形成的孔 洞 ， 而不会在混凝 土 中留下孔穴 ， 此时施加二次振 捣 ， 时间最为合适 ； 第二种是采用测定贯人阻力值的 方法来判断 ， 国外一般均采用这种方法 ， 即当标准贯 入阻力值达到 3 5 N n u n 以前进行二次振捣 ， 此时 不会损伤已成型的混凝土。 二次振捣的具体适宜时间， 需根据水泥品种、 用 量、 混凝土的坍落度和气温等因素决定， 一般应控制 在混凝土浇筑后 1 3 h时问内。 2 3 3 埋设冷却水管， 降低混凝土内部温度 对施工要求 比较高的工程 ， 可 以在混凝土内埋 设水管 ， 通过低温水 循环 ， 排 出混凝 土 内部大量热 量 ， 以降低混凝土温度。 2 3 4加 强施 工管理 提高混凝土的质量 ， 以保证混凝上强度的均匀 性 ； 薄层 、 短间歇、 均匀上升 ， 以避免相邻浇筑块之间 过大的高差及侧面的长期暴露； 加强混凝土养护。 2 4温度监测 温度监测技术是现代大体积混凝土施工的先进 技术。通过对混凝土温度的监测 ， 实时监控混凝土 内部温度变化的情况， 采取相应控制措施， 可有效控 制裂缝 的产生。超大体积混凝土温度控制的测试 内 容如下 1 0 8 四川建筑科学研究 第 3 6卷 2 4 1 混凝 土绝热 温升 的 测试 混凝土绝热温升的测试有两种方法 ： 间接法 和 直接法 。间接法是用水泥的水化热、 水泥用量、 混凝 土比热、 混凝土密度来计算混凝土绝热温升； 直接法 是用混凝土绝热温升实验仪直接测定混凝土绝热温 升。直接法测定结果准确 ， 但是 ， 实验设备和实验过 程 比较复杂 ， 一般用于大型工程 中。中小型工程常 不具备这种条件， 一般用间接法即可满足要求。 2 。 4 2 混凝 土浇 筑温度 的监 测 监测混凝土浇筑时的温度， 保证浇筑温度不要 超过控制标准， 以便控制混凝土浇筑后的温度升高 峰值。同时， 也包括对混凝土搅拌、 运输过程中温度 的监测和混凝土原材料温度的监测。 2 4 3 养护过程 中的温度监测 一 般监测浇筑后混凝土内部 、 表面、 底部的温度 和环境气温的变化情况， 用来控制混凝土的降温速 度和内外部温差( 一般要求温差 a 2 5 ) ， 也可 用来进一步计算混凝土中的温度应力 ， 确定混凝土 的抗拉强度是否大于此时混凝土 中产生的拉应力 ， 保证对裂缝的控制。这些监测结果能及时反馈现场 大体积混凝土浇筑块 内温度变化的实 际情况， 以及 所采用的施工技术措施的效果， 为工程技术人员及 时采取温控对策提供科学依据。 混凝土的浇筑温度 ， 系指混凝 土振捣后位于混 凝土上表面以下 5 O一1 0 0 ra i n深处的温度。混凝土 浇筑温度的测试每工作班( 8 h ) 不应少于2 次。 大体积混凝土浇筑块体内外温差、 降温速度及 环境温度的测试， 一般在前期每 2 4 h测一次， 后 期每 4 8 h测一次。 大体积混凝土浇筑块体温度监测点的布置， 以 能真实反映出混凝土块体的内外温差、 降温速度及 环境温度为原则。 2 5养护 混凝土浇筑完毕后 ， 应及时按温控技术措施 的 要求进行保温养护， 并应符合下列规定： ( 1 ) 保温养护措施 ， 应使混凝 土浇筑块体 的内 外温差及降温速度满足温控指标的要求 ： ( 2 ) 保温养护的持续时间应根据温度应力包括 混凝土收缩产生的应力加以控制、 确定 ， 但不得少于 1 5 d ， 保温覆盖层的拆除应分层逐步进行 ； ( 3 ) 在保温养护过程中， 应保持混凝土表面的 湿润。 同时， 在养护过程中， 保持良好的湿度和抗风条 件 ， 使混凝土在 良好 的环境下养护。施工人员需根 据事先确定 的温控指标 的要求 ， 来确定超大体积混 凝土浇筑后的养护措施。 塑料薄膜、 草袋等可作为保温材料覆盖混凝土 和模板， 覆盖层的厚度应根据温控指标的要求计算。 并可在混凝土终凝后， 在板面做土围堰灌水进行保 温和养护 。水的热容量大 ， 覆水层相 当于在混凝土 表面设置 了恒温装置。在寒冷季节可搭设挡风保温 棚 ， 并在草袋上设置碘钨灯。另外 ， 因为土是 良好 的 养护介质 ， 有条件 的应及时回填土。拆模后 ， 应采取 预防寒潮袭击、 突然降温和剧烈干燥等措施。 3 结 语 超大体积混凝土由于其 自身具有超长 、 超宽、 超 厚的特点 ， 内部释放的水化热较普通混凝土大很多 ， 因而其裂缝控制更加困难。本文通过分析超大体积 混凝土裂缝产生的主要因素， 从设计、 施工、 材料、 温 控措施、 养护等多个角度， 提出了超大体积混凝土的 裂缝控制技术。随着工程技术的不断发展， 新的施 工工艺、 新材料的不断出现 ， 一定会有更加先进的控 制措施问世 。 参 考 文 献： 1 J g J 5 5 - 2 0 0 0普通混凝土配合比设计规程 s 北京： 中国建 筑工业 出版社 ， 2 0 0 1 2 朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中国 电力 出版社 。 2 0 0 3 3 江昔平 超大体积混凝土温度裂缝产生机理分析与抗裂控制 新对策 J 混凝土， 2 0 0 7 ， 2 1 8 ( 1 2 ) ： 9 8 1 0 2 4 李文兵 大体积混凝土的温度裂缝及其控制技术探讨 D 成 都： 西南交通大学， 2 0 0 6 5 屈伟 大体积混凝土施工裂缝控制措施 j 建筑科学， 2 0 0 7 ( 5 ) ： 7 5 - 7 7 6 蔡惠华 大体积混凝土温度裂缝施工控制 J 水运工程， 2 0 0 7 ， 4 0 3 ( 6 ) ： 1 1 2 - l 1 6 7 杨和礼 基础大体积混凝土裂缝的控制 J 武汉大学学报( 工 学版 ) ， 2 0 0 7 ( 1 0 ) ： 3 4 9 - 3 5 4