大体积混凝土温度裂缝控制技术应用进展

李凌旭+马明昌+李水茜

摘要：近年来，随着我国经济的快速增长，综合国力的提升和城市建设越发加快，高层建筑、大跨度桥梁结构、大坝结构等随处可见，而在这些重要的大型混凝土工程中，混凝土温度裂缝控制问题一直是工程界重视的问题之一，所以对大体积混凝土温度裂缝产生的机理及其控制措施的运用研究显得至关重要。本文在分析大体积混凝土温度裂缝产生主要原因——温度应力的基础上，对大体积混凝土温度裂缝的主要控制措施-材料控制、冷却水管、设置永久变形缝、设置温度后浇带、跳仓施工法等技术的运用进展。

Abstract： In recent years， with the rapid economic growth， the improvement of overall national strength and the acceleration of urban construction， high-rise buildings， long-span bridge structures and dam structures can be seen everywhere. In these important large-scale concrete projects， crack control has always been one of the most important issues in engineering. Therefore， it is very important to study the mechanism of mass concrete temperature cracks and its control measures. Based on the analysis of temperature stress， which is the main cause of temperature cracks in mass concrete， this paper analyzes application progress of the main control measures of temperature cracks in mass concrete， such as material control， cooling water pipe， permanent deformation joint， temperature post-cast strip and sequence method construction method and other technologies.

关键词：大体积混凝土；温度裂缝；控制技术；进展

Key words： mass concrete；temperature crack；control technology；progress

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）04-0113-03

0 引言

近年來，城市土地资源的稀缺和国民经济的发展带来基础建设的飞速发展，超高层建筑在我国不断出现，工程建设的规模也逐渐朝着大型化、综合化和复杂化方向发展，为了建筑安全性考虑，建筑物基础底板的尺寸均比上不结构的平面尺寸要大很多，这些结构都比较厚实、现浇工程量大、水化热多导致混凝土内外温度梯度大，极其容易产生温度裂缝。当然，在建造和使用过程中，只能要求尽量不出现和少出现有害裂缝，完全杜绝裂缝是不可能实现的。

大体积混凝土开裂的影响因素（材料、入模温度、内外约束条件、降温措施等）有很多，很复杂，往往不是单一因素造成的，采取措施减低裂缝的开展实际上就是裂缝控制工程，这是一项庞大的系统工程。混凝土结构开裂会影响结构耐久性并影响其正常使用，所以采取相应的技术措施去处理和解决温度应力、并按裂缝开展去处理以最大限度地减少混凝土开裂显得尤其重要。

1 温度应力与温度裂缝

1.1 温度应力的定义

对于大体积混凝土的定义，迄今为止尚无统一的说法。美国混凝土学会（ACI）、日本建筑学会、大体积混凝土施工规范（GB50496—2009）》[1][2]均根据自己的研究成果对其进行了定义，但由于阐述侧重点不一样，导致定义不是很全面。仅用混凝土的几何尺寸来定义和用混凝土内部温度与环境温度之差达到某规定值来定义大体积混凝土，也是不够严谨的。所以综合阐述，从几何尺寸、温度差导致温度应力、裂缝控制措施等三方面去定义较为全面，即：大体积混凝土结构为现场浇筑的几何尺寸较大，且采取了相应的技术措施去处理温度差值、解决温度应力，最大限度地减少混凝土开裂的混凝土结构[3]。

从上述对大体积混凝土定义的阐述可知，在大体积混凝土结构中，裂缝的产生大都与温度应力有关[4]。混凝土温度应力一般约为30天。该阶段混凝土的绝热温升与混凝土单位体积中水泥用量和水泥使用品种有关，并随混凝土的龄期按指数关系递增，该阶段弹性模量随混凝土龄期的增长而逐渐增高。中期应力为自早期结束至混凝土冷却到稳定温度时止，该阶段混凝土性能趋于稳定，其弹性模量变化不大。晚期应力为中期结束至后期使用阶段，这时温度应力主要是由于外界气温和水温的变化所引起。上述各个阶段的温度应力均为该阶段产生的温度应力与前期阶段残余应力叠加之结果。温度应力之和结果是产生较大拉应力，便开始出现温度裂缝。

1.2 温度应力的危害

混凝土为脆性材料，抗拉强度只是抗压强度的1/10～1/20左右，其拉伸能力也很小，在短期加载过程中的极限拉伸变形更加小，所以大体积混凝土结构设计中通常要求不出现拉应力或出现很小的拉应力[6]，而大体积混凝土结构基本不配置钢筋的，或仅仅在其表面或孔洞位置处配置少量钢筋，所以一旦出现了拉应力（水化热温度应力）就只能依靠混凝土自身来承受，抗拉性能差的脆性混凝土很容易产生裂缝。endprint

混凝土结构开裂不仅直接影响结构外观，还会造成钢筋锈蚀、混凝土碳化、降低强度，缩短结构耐久性，影响其正常使用，所以采取相应的技术措施去处理和解决温度应力、并按裂缝开展去处理以最大限度地减少混凝土开裂显得尤其重要。

2 温度裂缝控制方法

2.1 材料控制方法

根据影响大体积混凝土开裂的因素，逐个分析裂缝产生原因，然后提出确实可行的一套裂缝缓解技术方法是重要的。温度裂缝控制首要应该从基础方法-材料的选择方面去考虑。由前可知，大体积混凝土裂缝的产生大都与温度应力过大有关，而温度应力主要来源于水泥水化热，所以：①合理选用低或者中水化热的水泥，以降低混凝土温度峰值；②在混凝土中添加适当的混合材料（主要是粉煤灰）可以减少水泥的用量，降低混凝土的绝热温升；③在混凝土材料中掺加缓凝剂或高效减水剂，减少拌合混凝土时的用水量和减少水泥用量；④选择粒径较大、颗粒形状较好、热学性能好且级配良好的骨料。例如，王嘉杨[7]在参考大量文献的基础上，提出材料控制方法为：适当选择降低混凝土水化热的材料，降低混凝土成型时的温度，在混凝土拌合物中添加纤维的措施来提高混凝土的抗裂性，达到阻止混凝土裂缝发展的目的。刘伟[8]通过试验对掺加粉煤灰、乳化沥青和聚丙烯纤维等改性材料混凝土的力学性能进行了研究，对多掺改性材料大体积混凝土抵抗温度应力的能力进行了验证。

2.2 水管冷却法

由于水泥用量大，水泥水化时大量的热量汇集导致混凝土内部温度急剧上升（内部温度可达60～90℃左右），而混凝土是热的不良导体，自身温降速度较慢，为了保证工程质量，加快工程施工进度，冷却水管法是大体积混凝土温控常用措施之一，即：在混凝土中预埋一些网状水管，利用管中循环冷水（可用地下水、江、河、湖泊、自来水等各种水源）的流动来降低混凝土内部的温度。20世纪中期，美国设计的胡佛坝为当时世界上最高的混凝土坝体，就选用了水管冷却降温的方法，进行了现场大量试验，表明水管冷却对混凝土坝体降温效果十分明显，由此成为大体积混凝土温控方面的一项重要的措施[9]。

在我国，朱伯芳院士早年就研究了大坝混凝土中冷却水管方面的计算问题，并运用积分变换法对大体积混凝土有热源平面问题的进行了严格的详细的解答[10]，同时他对非金属聚乙烯水管的降温方法进行讨论并对计算方法进行了深入研究，建立了水管冷却等效热源传导方程[11]。在热-流耦合算法温度场计算方面，刘杏红[12]等在通用有限元软件ABAQUS平台上，开发热流耦合用户子单元，以官地碾压混凝土重力坝某一浇筑块为例验证热流耦合算法和用户子单元的可靠性和合理性；段寅[13]等并采用等效算法和精细法对某混凝土坝的几个浇筑块进行分析，并对比了它们的计算结果。

2.3 设置永久变形缝

为了降低地基不均匀沉降、地震作用以及温度应力和收缩变形等因素对建筑物的影响，在建造建筑物之前预先将变形敏感部位的结构断开，留出一定变形缝，以保证各部分建筑物相互之间有足够的宽度而在变形过程中降低建筑破坏的可能性。大体积混凝土地下室永久变形缝的设置，一般要求整个结构体系在设缝处完全脱开，特别要使高层与裙房彻底脱开，防止各自沉降对整体结构变形产生较大的影响。因地下室深埋在土中，变形缝构造设计的重点在于确保防潮、防水，在实际过程中，地下室变形缝通常有止水带内埋式构造和可卸式构造。

2.4 跳仓施工技术

基于“抗与放”的原则，我国“跳仓法”由裂缝控制专家王铁梦教授提出，施工时将大体积混凝土施工面划分成若干区域，按照“分层浇筑、隔块施工、整体成型”的原则进行分布施工。经过短期的温度应力释放，再把若干个小块体连成整体，达到依靠混凝土自身的抗拉强度抵抗下一段混凝土所产生的温度应力的目的。跳仓法施工原理示意图如图1所示[14]。近年来，“跳仓法”被广泛运用于地下室底板等大体积混凝土结构中，李栋[15]等将“跳仓法”运用于超长、超宽、超深混凝土地下结构-北京蓝色港湾工程基础底板施工中；林沛华[16]等将跳仓法施工技术运用于广州世纪云顶雅苑工程地下室超长、超宽底板大体积混凝土中。

跳仓施工技术对大体积混凝土浇筑起到很好的抗渗、抗裂作用，施工时应注意相邻两块之间的间隔时间不少于 7天。但其有对混凝土浇筑时间控制和大体积混凝土接缝应力处理方面的缺点。[6]

3 结论

本文以大体积混凝土的概念、温度应力的发生和发展、温度应力的危害为基础，详细阐述了温度裂缝的主要五种控制措施-材料控制、冷却水管、设置永久变形缝、设置温度后浇带、跳仓施工法等技术的运用进展。

①材料控制方法作为一种基础的裂缝控制方法，通过选用低或者中水化热的水泥、添加适当的粉煤灰、掺加缓凝剂或高效减水剂、选择性质合适且级配良好的骨料等手段，可以有效减少水或水泥的用量、降低混凝土的绝热温升，降低裂缝的开展。

②冷却水管、设置永久变形缝、设置温度后浇带、跳仓法为传统和新兴的施工控制技术，同样为大体积混凝土在施工和使用过程中起到了较好的抗裂作用。

参考文献：

[1]蔡正咏.混凝土性能[M].北京中国建筑工业出版社，1998.

[2]GB50496-2009，大体积混凝土施工规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[3]黄杰雄.某地下室底板大体积混凝土设计及施工[D].华南理工大学，2012.

[4]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[5]樊锐.跳仓浇筑的水电站厂房坝段温度应力仿真分析[D]. 西安理工大学，2010.

[6]江昔平.大体积混凝土温度裂缝控制机理与应用方法研究[D].西安建筑科技大学，2013.

[7]王嘉杨.高层建筑大体积混凝土基础温度裂缝控制的研究[D].西安建筑科技大学，2009.

[8]刘伟.多掺改性材料大体积混凝土温度应力有限元分析[D].西安建筑科技大学，2009.

[9]Hillerborg A. Analysis of crack formation and crack growth in concrete by means of fracture mechanics and finite elements[J]. Cement and Concrete Research， 1976（6）： 773-782.

[10]朱伯芳.混凝土高壩仿真的并层接缝单元[J].水利发电学报，1995（3）：14-21.

[11]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，1999：1-7.

[12]刘杏红，马刚，常晓林，等.基于热-流耦合精细算法的大体积混凝土水管冷却数值模拟[J].工程力学，2012，29（8）：159-164.

[13]段寅，向正林，常晓林，等.大体积混凝土水管冷却热流耦合算法与等效算法对比分析[J].武汉大学学报（工学版），2010，43（6）：703-707.

[14]袁昆.后浇带的应力分析及在大体积混凝土中的应用[D]. 西安建筑科技大学，2002.

[15]李栋，刘涛瑞，靳艳军.超长超宽超深水位下混凝土结构跳仓法施工技术[J].施工技术，2007，36（12）：61-63.

[16]林沛华，许少杰，葛毓东.某工程地下室底板大体积混凝土跳仓法施工技术[J].施工技术，2009，38（4）：85-87.endprint