浅谈大体积混凝土温度裂缝成因及预防对策

2018-10-15

天津职业院校联合学报 2018年9期

(天津市建筑工程职工大学，天津 300074)

1.大体积混凝土的定义

目前，对于大体积混凝土的定义，国内外都有相应的解释。国外方面，日本建筑学会标准(JASSA)最早提出了定量化的表述：“结构断面最小尺寸在80cm以上，水化热引起的混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土，称为大体积混凝土”；而其他美国、德国、法国等国家都只在规范中定性地进行了描述，如美国混凝土学会(ACI)指出：“体积大到必须对水泥的水化热及其带来的相应体积变化采取措施，才能尽量减少开裂的一类混凝土”。

我国针对大体积混凝土的定义主要来源于规范，GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》定义为：“混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m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”；JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》则定义为“体积较大的，可能由胶凝材料水化热引起的温度应力导致有害裂缝的结构混凝土”。

对比国内外文献可知，目前关于“大体积混凝土”尚未有几何尺寸的统一量化标准。但是，基本都从温度变化和收缩裂缝方面进行了定义和阐述，强调了大体量水化热造成的内外温度差问题必须采取措施予以处理。

2.温度裂缝成因及预防对策

2.1 裂缝成因

从微观上看，作为组成大体积混凝土的主要材料，水泥在大体积、大尺量的施工中会积聚大量水化热，造成内部温度的升高。升温过程中大量的水化热不能有效地释放、传递到表层，而降温过程中混凝土的保温性能又使得内部降温速度远远低于表层，导致内部温度应力集中；从宏观上看，大体积混凝土强度具备抵抗破坏约束的能力，内部温度应力和外部抗拉约束应力两方面相互抗衡。当内部温度应力超过混凝土能够承受的约束拉力极限时，造成温度裂缝的出现。

2.2 预防对策

实践表明，如果对于大体积混凝土温度裂缝不采取有效的处理措施，不仅会影响到建筑物(构筑物)的整体美观和安全耐久，甚至会出现受力隐患。因此，对温度裂缝的预防控制应从“防”入手，在材料、设计、施工等方面采取控制手段，尽力避免或将裂缝控制在许可范围之内，最大程度减少温度裂缝的危害和使用缺陷，达到温度裂缝“治”的目的。

2.2.1 选择适宜的原材料

要保证大体积混凝土施工质量，首先必须从组成混凝土的原材料质量抓起。普通混凝土是由水泥、水、粗细骨料、外加剂、矿物质掺合料，按比例配制，经过振捣密实成型、养护硬化而成的人工石材。

(1)水泥。作为拌制混凝土的主要原材料，水泥的品质、用量与水泥水化热、碱骨料反应密切相关。在工程中，应根据实际使用要求、强度、环境条件选择水泥品种和标号，在保证强度的前提下优先选用低水化热水泥。严格控制水泥进场检查和保管储存，防止水泥受潮。

(2)骨料。混凝土中的粗、细骨料是有效抵抗水泥石收缩裂缝的主要成分之一。粗骨料主要在粒径和体量方面对水泥石收缩产生约束和阻力，粒径和体量越大，混凝土收缩越小；细骨料则从颗粒级配、砂率、细度模数等因素直接或间接影响混凝土拌制的工作性和收缩性。另外，粗细骨料的含泥量都会影响混凝土的干缩性，减少骨料的含泥量也能够有效预防混凝土裂缝的产生。所以在使用中，尽可能选用粒径较大、级配良好、含泥量少的骨料，对裂缝进行一定的控制。

(3)水。从混凝土拌合开始，到浇筑凝结硬化，水的作用都非常重要。单位体积用水量和水灰比是影响混凝土工作性能和裂缝控制的两个非常重要的指标。在施工中，应该严格控制水的质量、用量和比例。混凝土的拌制及养护宜采用饮用水，不得使用未经检测和处理的地表水、地下水。

(4)外加剂和掺合料。混凝土外加剂品种众多，常用于大体积混凝土的有减水剂、缓凝剂、引气剂等，掺量都非常小。适宜的外加剂不仅能够有效降低水泥水化热，而且可以增强混凝土的抗裂性能，提高浇筑质量。使用时应特别注意外加剂的添加剂量和时间，以适应施工工艺的要求。掺合料，常用的有粉煤灰、矿粉、硅灰等，这类矿物粉末通过颗粒之间的“滚珠轴承”效应，增加拌合物之间的润滑，起到替代部分水泥的作用。粉煤灰等掺合料在与减水剂的共同作用下，还能改善混凝土的工作性、耐久性，显著降低大体积混凝土的水化热。

2.2.2 按设计进行配比

在保证混凝土原材料质量和用量的基础上，严格按照设计进行配制是大体积混凝土温度裂缝控制的关键。混凝土配合比应按照国家现行设计规程和技术规范进行设计，我国现行常用的规范包括《普通混凝土配合比设计规程》、《混凝土结构工程施工及验收规范》等。现场试配时，还应根据砂石原料的级配、品质、所添加的外加剂和掺合料进行适当调整，保证混凝土的坍落度能够满足工作性和使用要求。

2.2.3 严格控制施工方法与工艺

(1)混凝土的浇筑与振捣。大体积混凝土普遍体量大，对整体性要求高。施工时应遵循“分层定点、薄层浇筑、循序渐进”的原则，根据结构尺寸和面积不同，通常可采用全面分层、分段分层以及斜面分层的方法。第二层混凝土应在第一层初凝之前及时浇筑，过程中注意对浇筑时间、速度、温度进行控制，浇筑后进行二次振捣。对于不同深度的梁、板等构件，可根据实际情况适当设置施工缝。合理的分层分缝施工方法不仅能够缩短浇筑时间，减少混凝土暴露面积，同时给内部水化热留出释放时间，避免大量积聚产生裂缝。

(2)混凝土的养护与拆模。混凝土浇筑后要及时进行养护，可以表面覆盖草帘、麻袋、棉被等洒水保温保湿，延缓降温速度，防止表层温度骤降形成过大的内外温差。终凝后还应持续浇水保证混凝土一直处于湿润养护状态。普通硅酸盐水泥拌制的混凝土至少养护14天，矿渣、火山灰水泥等拌制的混凝土至少养护21天。养护过程中密切关注温差降和气温变化，随时增减保护层厚度。严格按施工规范、时间和强度要求把握拆模时间，过早拆模会导致混凝土强度不足，容易引发裂缝发展。

(3)混凝土的测温与监控。大体积混凝土在浇筑振捣时，早期水化热大量积聚，使得块体内部中心位置形成持续的高温区；而拆模之后，保温层的去除又会让表面温度受到环境温度的影响而下降。为了及时掌握大体积混凝土的温度变化，浇筑之前要预先埋设测温监控点，密切关注温差波动，以更好的指导混凝土的养护工作。测温点的布控一般是每个平面设置一组，至少包括混凝土内顶部、中心、底部3个。同时在混凝土表面留设测温传感器，用以监测养护层内空气温度。测温和养护工作设专人负责，每天依据实测温度和气象资料进行数据分析，比较基础里表温差和降温速率，及时进行保温调整。保证养护期间混凝土内外温差不大于25℃，降温梯度不超过超过2℃/d。升温及降温阶段，严禁随意揭开养护材料，至混凝土内部温度与环境温差值恒小于 20℃时停止测温工作。

3.工程实例分析

3.1 工程概况

福建某储罐工程建设2台160000m3的LNG预应力混凝土全容罐。储罐基础为钢筋混凝土灌注桩，在承台与桩基础间采用直径1.5m桩帽连接。工程承台底板面积约6000，混凝土量约6032m3；共分8次浇筑成型，其中中心区承台半径30.55m，剩余为圆弧段。承台板面面积大，表面平整度、浇筑时间不易控制，混凝土浇筑施工质量要求高。

3.2 工程抗裂预防对策

3.2.1 原材料选择

水泥选定为水化热比较低的标号42.5级普通硅酸盐水泥，3天及7天水化热分别为227J/g、277J/g；掺合料选择S95粒化高炉矿渣粉和II级粉煤灰，替代部分水泥用量，降低单位体积用水量和水灰比；外加剂采用高效缓凝减水剂，延缓凝结速度和时间；骨料的选择满足工程要求和GB/T14685-2011的有关规定，粗骨料选用粒径5-25mm级配连续、含泥量小于0.5%的非碱活性的碎石，细骨料选用细度模数2.3-3.0，含泥量小于2%，泥块含量不大于0.5%的中砂。

3.2.2 配合比设计

混凝土配合比严格按照福建建筑工程质量检测中心设计完成并确认。

3.2.3 施工技术措施

图1 推移式连续浇筑

(1)斜面分层推移式浇筑法。储罐底板混凝土浇筑采用斜面分层推移法(图1)，厚度控制在每层400～500mm，以混凝土自动流淌面为摊铺坡度进行斜坡推进，确保第二层混凝土在第一层初凝之前进行浇筑。混凝土随浇随捣，振捣时快插慢拔，至表面水泥浆均匀且不再冒泡时停止。对于边缘混凝土用直径为Φ30的小振捣棒在模板与钢筋之间进振捣，赶尽聚积在模板上的气泡。浇筑过程中每个阶段采用四台以上振动棒将混凝土振捣密实，严防漏振，同时用海绵等物及时去除泌水产生的表面浮浆；浇筑完成后进行两次抹面，降低表面形成收缩裂缝的几率。

(2)保温保湿养护。混凝土浇筑完毕后，及时进行妥善的保温、保湿养护。采用洒水湿润的土工布+塑料薄膜+保温棉被三层覆盖，同时在最外侧保温棉被上再加一层厚塑料薄膜用木方压住，予以隔绝空气、蓄热保温。混凝土保持连续养护至少14天，根据天气条件及温差情况适当调整养护材料厚度，特殊要求部位适当延长养护时间。

(3)信息化测温监控。为做好温控措施，现场采用两台JDC-2型测温仪(一台备用)进行温度监测。预先将温度传感器埋设在基础承台中心、距上下表面各50mm处，另外在空气和保温层中各埋设一个测温点，监测环境温度和保温层内温度。考虑到大体积混凝土的分层推移式浇筑，以中心区和核心区为重点在各区域内均匀布置。将测温仪与电脑连接，汇总各测点温度数据，绘制实际温度、温差以及环境温度的升降曲线。随时把控混凝土里表温差、表面温差、降温梯度和降温速率，超过控制要求时立即采取措施。