大体积砼施工的温度裂缝控制

常玉东 饶 斌

摘要:大体积砼结构在施工中容易产生裂缝,已为众多的工程实践所证实。文章在前人研究的基础上,分析了大体积砼温度裂缝产生的机理与危害,同时提出了选择中低热的的水泥品种、降低砼的浇筑温度、尽量减少单位体积的水泥用量、合理配筋等控制措施。

关键词:大体积砼施工;温度裂缝;浇筑温度;水泥用量

中图分类号:TU528文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)20-0145-02

随着我国改革开放政策的不断深化,国民经济得到迅速发展,综合国力不断增强,城市建设也发生了日新月异的变化。最引人注目的就是一座座高楼大厦拔地而起,耸入云天,鳞次栉比,构成了现代城市的新景观。但也出现了许多崭新的技术课题亟待解决,大体积砼的温度裂缝控制就是其中之一。

一、大体积砼与温度裂缝

(一)大体积砼的涵义

所谓大体积砼,是指任何就地浇筑的大体积混凝土,其尺寸之大,必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题,以最大限度减少开裂。。由此可见,大体积砼所具备的条件和重要问题可以归纳如下:(1)结构尺寸比较大,具体而言,断面最小尺寸在80厘米以上;(2)水化热引起的内部最高温度比较大。具体而言,与外界气温之差预计超过250℃;(3)必须采取温度控制措施,尽可能减少温度变形及其引起的开裂。在高层建筑中出现大体积砼结构的部位主要是基础。特别是沿海地区在软土地基上建造的高层建筑,很多采用片筏基础或桩与筏板复合基础,其筏板又兼作地下室的底板。一般地,这种底板的面积较大(1000m2以上),厚度也在80厘米以上,大多数在2.0米左右,厚的可达到5米。砼底板浇筑后,其内部最高温度一般在50℃～80℃,与外界气温明显相差25℃以上。如果不采取一定的措施,砼将很容易开裂,影响结构的整体性并造成地下水渗漏,为整个工程带来极其严重的危害。

(二)大体积砼温度裂缝的危害

大体积砼结构在施工中容易产生裂缝,这已为众多的工程实践所证实。据初步统计,厦门和福州两个城市就有10多座高层建筑在施工中遇到地下室砼底板有害裂缝问题,有的工程因此被迫停工处理,有的工程还不得不修改设计、降低层数,造成极大的损失。因而近年来,大体积砼的裂缝问题越来越引起各方面重视。长期的工程实践表明,造成大体积砼出现裂缝的因素极其复杂而且是多方面的。其中:(1)砼配合比设计上的问题:水泥用量大,水泥发热量大,造成砼水化热温升过高,温度变化急剧;水灰比大,灰浆量大,造成砼收缩量过大;原材料性能不良,造成砼本身抗裂能力低。(2)砼施工质量上的问题:下料不均匀,振捣不密实;浇筑安排不善,砼内部形成冷缝。(3)砼养护土的问题:砼表面裸露干燥,风吹日晒,同部与表面温差过大;外界气温骤降时砼表面无保温措施。(4)结构型式及构造上的问题:几何尺寸大,超长超厚;形状突变处未妥善处理;配筋不合理。大体积砼由于温度变化而产生的裂缝称为温度裂缝。众所周知,混凝土在凝结硬化过程中,其水泥会释放出大量的水化热,使砼的温度显著上升。根据美国垦务局提出的公式,混凝土内部最高温升与混凝土的绝热温升有关,计算公式如下:

Tmax=(W×Qo)/(C×T)(1)

式中:Tmax——混凝土的最高绝热温升,℃ ;

W——每立方米混凝土的水泥用量,kg/m3;

Qo——单位水泥28 d积累水化热;

C——混凝土比热,取993.7 J/(kg·K);

T——混凝土的密度,取2400 kg/m3。

根据混凝土最高绝热温升Tmax可求出混凝土内部的实际最高温升 Tt。

混凝土的硬化过程是水化热不断积蓄与散发的过程。试验表明,一般在3d左右龄期混凝土内部温升将达到最大值,之后则呈降温态势。这是因为3d内水泥水化快,水化热释放速度大于热量散发速度而导致混凝土升温;3d左右后水化热趋于缓慢,水化热释放量不足以抵消热量的散发,使混凝土降温。对于不同的混凝土浇筑厚度H和浇筑后不同龄期的温度变化,通过大量的实测,根据此可求出各种龄期时混凝土内部的实际最高温升Tt。计算公式如下:

Th=Tt+To(2)

式中:Th——混凝土浇筑后内部最高温度,℃ ;

Tt——混凝土浇筑后内部实际最高温升,℃ ;

To——混凝土浇筑时成型的温度,℃ 。

一般地,425#普通砼酸盐水泥每公斤发热量达375kJ,如果每立方米砼采用350公斤水泥,则在绝热状态下,砼的温度将净升高约580℃。同样的水泥用量在2米厚的砼底板工程中,其内部净温升也将达37℃~40℃。如果是夏季施工,砼的浇筑温度往往超过300℃,则砼内部和最高温度将超出700℃。由于水泥的水化热释放主要集中在早期,使混凝土在浇筑后短短几天其内部温升就很快上升到最高峰,随后开始降温。混凝土温度的这种变化可能造成两种后果:首先,在混凝土升温期,砼表面散热条件好,热量向大气散发,温度上升较少,而内部则散热少,温度持续上升,这样形成的内表温差(温度梯度)会在砼表层产生较大的拉应力。当该拉应力超过砼的抗拉强度时,砼表面将产生裂缝。其次,在砼后期降温过程,由于温度下降引起砼体积收缩变形,这种变形受到地基及结构边界约束时也会产生大的拉应力。当该拉应力超出砼的抗拉强度时,砼将在约束面开裂,严重时形成贯穿裂缝,这就是温度裂缝。因此,应当针对工民建大体积砼自身的特点,对其温度及温度应力的变化规律、温度裂缝的控制技术等方面开展一系列的研究。这对推动当前大体积砼施工技术的进步,保证工程质量,更好地为我国城市的现代化建设服务具有极大的现实意义。

二、大体积砼与温度裂缝的主要控制措施

大体积砼之所以开裂,主要是砼所承受的拉应力与砼本身抗拉强度之间矛盾发展的直接结果。因而为了控制大体积砼温度裂缝的开展,就必须从降低砼温度收缩应力和提高砼本身抗拉性能这两方面综合考虑,采取各种有力的措施。

(一)选择中低热的的水泥品种

造成砼温度上升的唯一热源就是水泥的水化热,它取决于水泥的品种和水泥的用量。资料表明,不同品种与标号的水泥,其水化热有着显著的差异。在水泥用量相同的条件下,尽可能地选用中低热水泥,要以显著减少水化热含量,从而有效地减少砼的温升。比如425号普通砼酸盐水泥的发热量相当于525号普通砼盐水泥发热量的90%,425号矿渣水泥的发热量只相当于525普通砼酸盐水泥发热量的80%。

(二)尽量减少单位体积的水泥用量

尽量减少单位体积砼的水泥用量,目的也就是为了减少水泥的总发热量,削减砼的温升值。在实际的大体积砼工程中,根据电算分析和实测结果,每立方米砼的水泥用量每增减10kg,对1.0米厚结构的砼温度升降为10℃,对2.0m厚结构的砼温度升降为1.3℃。减少水泥用量对削减砼温升的效果是显著的,因而成为温度控制中最有效的措施之一。

(三)降低砼的浇筑温度

混凝土经过出机、运翰、浇筑、振捣、平仓等一系列工序后的温度称浇筑温度。由于砼是在浇筑温度的基础上继续升温,因而浇筑温度的高低对砼整体温度的影响是明显的。比如福建地区一般冬季施工的砼筑温度在10℃～15℃,夏季施工的砼浇筑温度可达32℃～36℃,季节性相差20℃。因而在夏季浇筑砼,对控制砼的最高温度是极为不利的。为了降低砼的浇筑温度,首先要控制骨料与拌和水的温度,必要时可加冰拌加;其次尽量缩短运输时间,并在运输、泵送过程中采取一定的遮阳措施,尽量减少砼的冷量损失。根据工程经验,建议最高浇筑温度控制在30℃以下为宜。

(四)合理配筋

根据实践经验,在大体积混凝土结构中适当配置构造钢筋,能够提高结构抵抗温度应力和收缩力的性能。当然,如果配筋率较高,可能造成不但不能抵抗收缩应力反而增加自约束应力的不利后果。一般来说,在大体积砼中配置温度筋,宜细宜密,可选用Φ8钢筋,间距5m,双向布筋。进行适当配筋后,在局部应力集中区域,由于钢筋的存在使一定范围内的应力重新分布,缓解应力集中状态,这样就可以推迟砼裂的出现,提高了砼的抗裂性能。

(五)内部埋冷却水管

在砼浇筑前预埋设好冷却水管网,待到砼初凝后即开始连续通冷水循环,让流动的低温水带走一部分水化热,从而达到削减砼温升的目的。水管冷却是一种在大坝施工普遍采用的温控措施,但在建筑工程大体积砼施工中较少采用。这主要因为一方面水管冷却方案要耗费一定量的管材及布置专门的供水系统,给工程施工带来一定的困难;另一方面建筑工程大体积砼色厚度一般较薄,其它温控措施基本能够达到控制目的。但对于个别的工程,如果砼厚度较大或结构比较特殊,在其它措施不能有效地控制砼温升的情况下,应当考虑采取水管冷却方案。

(六)加强砼表面蓄热保温

前述措施的直接结果都是减少水泥水化热削减砼内部温升。但往往砼内部温度仍然较高,而表面温度较低,造成内表温差太大。为了控制砼的内表温差和延缓砼的降温速率,一个非常重要和必要的措施就是必须对砼表面进行妥当的蓄热保温。即使在炎热的夏季,砼表面的保温仍然是必要的。当外界是气温较低或在施工养护期遇到寒潮袭击时,更应切实做好保温工作。我们认为,由于草袋在国内大部分地区都容易取得,价格便宜,而且根据实践经验,草袋的保温效果要比油布、帆布等都好,容易满足温控要求,所以工程上普遍利用草袋作砼保温层,应用很广。通常的做法是:先在砼表面铺一层塑料薄膜,然后在上面铺一层或两层草袋,最后在草袋上面再铺一层薄膜,形成薄膜包草袋型式。实践表明,这种保温型式可以达到极佳的保温效果。比如厦门某国际广场地下室二层,由塔楼地下室及车库两部分组成。塔楼CT5承台厚2.8m,底板面设计标高-8.0m,共有三个电梯井,电梯井底板面-8.70m。其中,1-L轴线以北底板面由中往东西做15cm结构找坡。轴线部位有一条2m宽的加强带承台为矩形。平面尺寸72.0m×29.6m,属于大体积混凝土。混凝土总方量约为5900m3。承台侧壁均已砌筑砖胎膜。吴荣昌采用先覆盖两层塑料薄膜,再盖2～3层麻袋,且遮盖严密,以保湿保温。薄膜的搭接不得小于150mm,麻袋的搭接不得小于100mm,且上、下层麻袋搭接位置必须错开。墙柱插筋之间狭小空间必须特别注重保温措施。麻袋的湿润以喷雾代替洒水,以免混凝土内外产生过大温差造成的副作用。因施工期间平均气温为12℃左右。混凝土浇筑后晚间气温较低时,用钢管架搭设50cm高悬空架,按50m2盏碘钨灯照射混凝土表面,进行加热。在实施过程中,保温层的实际厚度应根据实时温度监测的结果视温差大小而调整。最终混凝土内部与表面温度差最大为23℃,小于25℃满足规范要求。养护14天结束后,经过对底板混凝土表面检查,无明显的温度裂缝,达到了预期结果。

参考文献

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作者简介:常玉东(1975-),男,中国交通建设股份有限公司二公局四公司工程师,研究方向:公路桥梁。