大体积混凝土温度裂缝控制措施

谷 克 翰

(中铁五局集团路桥工程有限责任公司，广东 广州 511458)

大体积混凝土一旦开裂，尤其是不稳定的裂缝，就会对建筑工程的结构造成极大的安全隐患。大体积混凝土温度裂缝控制技术的探究应从两个方面着手，一方面，最大程度上提高抗裂能力，增强本身特性；另一方面应从改善约束、控制温度等减小温度应力的措施开展。

1 大体积混凝土开裂分析

根据大体积混凝土温度裂缝的产生机理，可以得出，当混凝土由于变形受到的内外约束引起的应力σ(t)超过抗拉强度Rf(t)时，便会出现裂缝。其中，抗拉强度Rf(t)是混凝土受内约束产生的应力σN(t)与受到外约束引起的应力σW(t)的和。即：

σ(t)=σN(t)+σW(t)

(1)

应力σN(t)是内外温差ΔT(t)引发的相对形变受到内约束造成的。

应力σW(t)是由混凝土结构内部从最高温度Tmax降低至外界环境温度Th(t)时引发的收缩变形受到外约束的抑制而造成的。其温降值ΔT(t)为：

ΔT(t)=[Tj+T(t)-Ts(t)-Td(t)]max-Th(t)|t=t0

(2)

其中，Td(t)为非温度收缩因素引起的收缩当量温度；Th(t)为环境温度值；t0为混凝土内部温度降低至外界温度时的时间：

σW(t)=σZ(t)+σS(t)+σ0(t)-σX(t)

(3)

其中，σZ(t)为总温降收缩受约束造成的应力；σS(t)为收缩变形受约束造成的应力；σ0(t)为其他次要因素造成的应力；σX(t)为徐变释放的应力。

综上，若满足式(4)，便会抑制大体积混凝土温度裂缝的形成：

Rf(t)>σN(t)+σZ(t)+σS(t)+σ0(t)-σX(t)

(4)

由式(4)左边可知，避免出现温度裂缝的关键是抗拉强度要超过由众多原因导致的应力；由式(4)右边可知，降低总温度应力、内外温差应力、收缩应力，提高混凝土变形能力，增强松弛的能力，是避免温度裂缝出现的有效措施。

2 制备阶段控制

在控制大体积混凝土产生温度裂缝领域，材料的选择与制备至关重要。混凝土包含的原材料众多，本文主要从提高抗拉强度、降低水化热、缓解混凝土的收缩等方面进行阐述。

2.1 水泥和水的选择

关于水泥和水的选择，主要考虑三个方面的内容，分别是：降低水化热、减少水泥用量以及控制用水量。

1)降低水化热。

水泥作为一种矿物质，其放热量及放热速率是有一定的顺序的，具体如表1所示。而不同的矿物有着不同的特性，具体如表2所示。它们在熟料中的含量不同，水泥的性质也略有不同。根据表1，表2可知，若要降低大体积混凝土内部和外表面的温度差异，减少水化热的释放，则要在水泥中适当地加强硅酸二钙和铁铝酸四钙的比例，并且限定铝酸三钙和硅酸三钙的用量。

表1 不同熟料矿物的水化热

表2 不同矿物特性

在大体积混凝土工程项目的实际施工过程中，对于水泥的选择还应综合考虑坍落度、强度、水化热等众多因素。当前，实际施工中，采用最为普遍的是普通的硅酸盐水泥和矿渣硅酸盐水泥。

2)减少水泥的用量。

大量的试验与工程实践表明，水泥的使用量越多，水化热越高，每立方米混凝土的水泥含量每增加或减少10 kg，水泥水化热可使温度升高或降低1 ℃。

3)减少水的用量。

用水量的增多会导致混凝土的干缩率增大，通常情况下，每增加1%的用水量，可提高2%～3%的干缩率。

2.2 粗细骨料的选择

为使水泥充分发挥它的作用，粗骨料的选择应以最大粒径最为适合。粗骨料的规格和型号不仅影响了混凝土浇筑的施工技术，还对配筋间距和模板形状造成了影响。选用连续级配粗骨料的混凝土有着极好的和易性，可减少水的用量，从而减少收缩。

在石子的选择方面，应该结合实际的施工情况，选用粒径与级配均较好的石子。粗骨料的形状、特性严重影响着混凝土的用水量及和易性，因此对于粗骨料的选择，片状及针形的颗粒其重量均要小于15%。对于细骨料而言，应尽量选用中、粗砂[1]。

2.3 掺合料的选择

在实际施工项目中，常用的掺合料包括：粉煤灰、硅灰、矿渣及沸石粉等，它们可有效降低胶凝材料产生的水化热，同时又减少了水泥的用量。但是矿物掺合料的数量、品种以及掺加形式，会对水化热造成不同的影响。

1)矿渣。矿渣在碱性条件下可呈现较高的水硬性，其大小与玻璃体含量及其自身的化学成分息息相关。

2)粉煤灰。经验证明，添加水泥用量15%的粉煤灰可以有效降低约15%的水化热。水泥水化热与粉煤灰的用量成反比，应该根据实际调整掺合料的用量。

3)沸石粉。沸石粉作为一种细掺料，其形状为架状，且富含有铝硅酸盐，来源和应用广泛。需水性略高于粉煤灰，实际施工过程中与其他掺料共同作用[2]。

3 施工阶段控制

3.1 混凝土配合比的优化确定

为了避免混凝土出现温度裂缝，必须采用适当的措施及方法减小水泥水化热和混凝土强度的比值，即其热强比(Q水泥/R混凝土)。借鉴以往大量的工程经验，针对现场实际情况和特点，不断优化单方混凝土中的水泥用量，控制砂率、水灰比及初凝时间等因素。

3.2 控制出机温度和浇筑温度

在施工过程中，要最大程度上减小混凝土的浇筑温度。在混凝土的运输过程中，减小运输及停留时间，降低在此过程中的吸热。

通常情况下，混凝土的浇筑温度应保证在30 ℃以下的范围内；冬季施工时要注意保温，做好混凝土表面的防冻养护，尤其是在初凝期，一般采用加热骨料、热水拌合的方法保证混凝土原材料的温度达标，其浇筑温度不应超过50 ℃[3]。

3.3 合理分层分块浇筑

大体积混凝土项目在施工时通常是分块浇筑的。分块浇筑可以分为两类：分段跳仓浇筑法和分层浇筑法。分层浇筑法又可分为分段分层浇筑、斜面分层浇筑以及全面分层浇筑法三大类，如图1所示。

分段分层浇筑的方法适用于拌和能力较低且抗渗要求不高的大体积混凝土结构；斜面分层浇筑一般用于结构尺寸较大但是壁厚较薄的混凝土结构；全面分层浇筑可以实现混凝土的均匀散热，一般在拌合和运输均能满足混凝土在初凝前连续浇筑的情况下使用。

4 养护阶段控制

在保温养护混凝土时，可以在其表面覆盖麻袋、塑料薄膜等材料，确保水分不过分散失，且需要在覆盖物下适当喷洒一定量的水分以维持混凝土外表面的湿润。大体积混凝土的保温养护时间长短应根据温度应力来确定，对于外界环境较为寒冷的工程，其混凝土的保温周期应该相对延长。

5 结语

通过分析可以得出，水泥的种类和使用量、抗拉强度、配筋率、收缩变形、浇筑温度、外界环境条件等是影响温度应力大小的原因。因此，应该从混凝土的材料选择、施工方法以及设计等方面综合采用合理的措施，实现有效抑制温度裂缝出现的目标。