温度引起的混凝土裂缝分析与控制

张向礼 中铁二十二局集团有限公司，北京 100043

温度引起的混凝土裂缝分析与控制

张向礼 中铁二十二局集团有限公司，北京 100043

通过混凝土温度计算，分析温度裂缝产生的原因及控制措施，介绍了几种常用的裂缝防治方法，建立了大体积混凝土温度发展曲线。

混凝土;温度裂缝;裂缝控制

concrete; Temperature crack; Crack control

1、前言

在混凝土施工过程中我们经常会发现微小的裂缝，引起混凝土裂缝的原因很多，其中温度是引起裂缝的一个重要原因。如何防止温度裂缝产生，如何解决好混凝土施工裂缝的控制已经是施工管理人员和技术人员迫切需要解决的技术难题。目前大体积混凝土施工过程中，出现裂缝现象时有发生，如果控制不好，就会对整个工程质量造成很大的影响，就会存在很大的安全隐患。对于大体积混凝土解释不尽相同，国标定义是：混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m，体积大于1000m3，或预计混凝土中水泥水化热引起温度和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土工程，都称之为大体积混凝土[1]。铁标定义:“混凝土结构实体最小尺寸等于或大于1m,或易由温度引起裂缝的混凝土，称为大体积混凝土[2]”。我国公路桥涵施工技术规范的定义是：“现场浇筑的最小边尺寸为1～3m且必须采取措施以避免水化热引起的温差超过25℃的混凝土称为大体积混凝土[3]。”虽然对于大体积混凝土的解释不尽相同，但是我们发现一个共同问题就是大体积混凝土更容易产生有害裂缝，而且温度对裂缝的影响至关重要，控制好温度，就等于消除裂缝产生的一个根源，我们以工程实例分析温度裂缝产生的原因及裂缝的控制。

2、工程实例

前扶铁路东发大桥采用简支梁桥跨结构，梁部采用跨度32m的预应力混凝土梁，共11孔，标准图号采用“前抚施-桥-16”。桥墩采用圆端形实体墩，设护面钢筋，桥台采用T型桥台，墩台基础均采用φ100cm的钻孔灌注桩基础。

3、混凝土施工理论温度计算及真实温度检测

桥墩混凝土设计为C35混凝土，理论配合比设计如下：

水泥：水：砂：碎石：普通减水剂

425 ：198 ：773 :1004 :4.25

该桥墩采取泵车浇灌施工工艺，拆模后出现了表面裂缝，裂缝出现位置基本处于墩柱圆端与直端变截面处靠近直端一侧，长度0.5～3m不等，如图1所示。

图1 墩柱立面

裂缝的出现立即引起业主、监理和施工单位的高度重视，施工单位立即进行分析研究，并安排进行温度监测。

由于胶凝材料水化热引起的混凝土内部实际最高温度与混凝土的绝热温升有关，下面通过理论计算和实际检测找出裂缝的原因。

3.1 水泥水化热:

Q0每公斤水泥28天的累计水化热，咨询水泥厂家

k1—粉煤灰掺量对应的水化热调整系数

k2—矿渣粉掺量对应的水化热调整系数

注：表中掺量为掺和料占总胶凝材料的百分数

由于当地的粉煤灰很难买到，价格有比较昂贵，所以当时没有掺加粉煤灰和矿粉等外掺料，胶凝材料温度计算如下：

3.2 混凝土温度计算

3.2.1 混凝土的绝热温升：

W—每m3混凝土的水泥用量(kg/m3)，设计配比为425kg/m3

C—混凝土比热 980J/(kg·℃)

ρ—混凝土容重 2400kg/m3

t—混凝土龄期(天)

m—常数，与水泥品种，浇注时温度有关

3.2.2 混凝土中心温度

式中：Tmax—混凝土中心温度(℃)

T(j)—混凝土浇注温度(℃)

ζ 1—不同浇注混凝土块厚度的温度系数，对3m厚混凝土为0.68

ζ 2—不同龄期水化热温升与浇筑块厚度关系系数，对3m厚混凝土3天时为0. 68

混凝土浇注温度T(j)=Tc+( Tp －Tc) ×(A1+A2+A3…+An)

式中：Tc—混凝土拌和温度(它与各种材料比热及初温度有关)

按多次测量资料，有日照时混凝土拌和温度比气温高5～7℃，无日照时，混凝土拌合温度比气温高2～3℃，按3℃计。

Tp—混凝土浇筑时的室外温度(六月下旬，当地室外平均温度按20℃计)

A1+A2+A3…+An—温度损失系数，查《大体和混凝土施工》P33表3—4得

A1—混凝土装卸，每次A=0.032(装料出料两次数)

A2—混凝土运输时A=Q×t,其中Q为6m3滚动式搅拌车其温升为0.0042，混凝土泵送不计。t为运输时间(以分钟计)从混凝土搅拌站到工地15分钟。

从混凝土温度计算得知，在混凝土浇筑后混凝土内部实际温升为54.2℃，比室外气温(20℃)高出34.2℃，必须采取相应措施，防止大体积混凝土因温差过大产生裂缝。

3.3 分析：通过对温度监测，实测混凝土内部最高温度达59℃，混凝土温度峰值出现在混凝土浇筑后第三天，温度发展曲线如图2。

图2 温度发展曲线图

凝土初凝时间为5小时20分钟，终凝为6小时25分钟。由于裂缝发生在墩身变截面处，另对变截面处温度进行监测，测点布置如图3。

图3 测点布置

经过监测1点3天时温度为57℃,2点3天时温度为52℃，实测温差为5℃。

通过分析，认为裂缝主要为温度裂缝，并伴有干缩收缩裂缝。在变截面处存在温度梯度,所以裂缝出现在变截面处.经检测裂缝宽度均在0.2mm以下，深度在2～4cm之间。

4、裂缝产生原因分析和采取的控制措施

4.1 裂缝产生原因分析

4.1.1 水泥水化热。水泥水化反应是放热过程，混凝土结构在硬化期间产生大量水化热，而水化热的产生主要集中在初期，这使得混凝土内部温度不断上升，在缺乏保温措施的情况下，混凝土表面热量散失较快，温度接近环境温度，使得混凝土表面和内部温差很大，混凝土内部膨胀高于外部，此时混凝土表面受到很大的拉应力，而混凝土早期抗拉强度很低，因而出现裂缝[4]。

4.1.2 干燥收缩。混凝土拌和水中有 80%的自由水要蒸发，自由水的逸散一般不引起收缩，但混凝土过于干燥而形成吸附水脱水时，其伴生的干缩却是不容忽视的。厚大结构的表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢，表面的干缩受到中心部的约束，将在表面产生拉应力，这往往也会促使裂缝产生[5]。

4.1.3 外界温度。外界气温愈高，混凝土的浇灌温度也愈高，这对控制温升是有利的。而外界气温剧降，则会大大增加混凝土表面与内部的温度梯度，这样就会产生不利因素。总之，气温的剧变将会危害大体积混凝土的质量。

4.2 经过分析对混凝土质量控制提出以下途径：

4.2.1 选用合格的原材料，优化混凝土配合比,用等量替代的办法减少水泥用量,掺加粉煤灰。

4.2.2 降低水化放热和控制混凝土的内外温差。

4.2.3 掺加外加剂，减缓混凝土凝结时间，提高混凝土整体性能。

4.2.4 对大体积混凝土采取分层浇灌，分层厚度一般为 80cm～ 100cm，这样可加速散热减少混凝土硬化中的水化热，降低内外温差，避免温差应力引起的裂缝。

4.2.5 防止因早期干缩而产生裂缝。浇筑完毕后要及时覆盖，并蓄水养护，保持表面经常湿润，应注意水养护时表面与内部温差不得超过 25℃，否则，必须覆盖塑料薄膜和保温材料，以起到既保水又保温的效果。

4.3 结合现场实际情况，综合考虑，经过进一步优化分析，采取的具体措施如下：

4.3.1 严格控制砂、石材料的质量，特别是级配和含泥量指标。选用5～31.5连续级配碎石，细度模数2.6～3.0中砂，砂含泥量控制在2%以内,石含泥量控制在1%以内，并不得混有有机质等杂物，以提高水泥石的黏结力，提高抗拉强度。

4.3.2 采用聚羧酸减水剂，减少水泥用量,延迟水泥的水化速度，降低混凝土内部的温度峰值[6,7,8,9]。

4.3.3 选用优质掺和料。由于水泥为甲供材料，只有普通硅酸盐水泥可供选择，故在混凝土中掺入适量粉煤灰，以减少水泥水化热，降低内部温度。采用等量取代法，掺量为20%,配合比如下：

水泥：水：砂：石：粉煤灰：聚羧酸

324 ：159 ：734 ：1102 ：81：4.46

实测掺加聚羧酸减水剂和粉煤灰的混凝土初凝时间为10小时25分钟，终凝为11小时35分钟，温度发展曲线如图4。

图4 温度发展曲线图

对比图2可见混凝土温度峰值出现的时间推迟，峰值也相应降低。

实测掺加粉煤灰和聚羧酸减水剂后,混凝土内部最高温度为45℃，温度峰值大幅降低。

4.3.4 严格控制混凝土的坍落度，确保混凝土质量均匀。

4.3.5 严格控制混凝土的入模温度

大体积混凝土最好在春秋季施工，夏季施工要避开中午温度高峰期。施工过程中应对砂、石材料洒水降温，保证水泥库通风良好，拌和水采用地下水。

4.3.6 改进混凝土施工技术

泵车要做到在墩柱全断面内均匀布料，保证混凝土均匀，消除骨料离析现象。采取分层浇灌，控制混凝土浇筑速度，加强振捣工艺，使混凝土内部气泡充分排出，提高混凝土密实性。在混凝土初凝前进行二次抹压以消除初期裂缝[10]。

4.3.7 采取保温措施，加强混凝土养护工作。

混凝土浇筑完成后，在模板外侧采用土工布包裹，土工布洒水浇湿，在土工布外侧用塑料薄膜包裹严密，既做到保湿又起到很好的保温效果，减小了混凝土的内外温差。

4.3.8 加强混凝土的测温工作

为及时掌握混凝土内部温升与表面温度的变化情况，对混凝土设计专门的测温方案，采取专人负责，建立混凝土的测温曲线，以指导混凝土施工。在混凝土内部温度下降速率缓和，内外温差值在25℃以下时方可拆模。根据实际监测情况，现场拆模一般控制在4天后进行。

5、结束语

大体积混凝土裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象，裂缝产生不是不可控制的，只要遵循科学规律采取适当的方法，可以控制裂缝的产生甚至消除裂缝。温度是混凝土产生裂缝的一个主要原因，我们在施工过程中尽可能地控制温度，通过调整大体积混凝土施工时间，调整施工工艺，加强混凝土原材料控制等办法，我觉得对混凝土裂缝控制会起到很大的作用。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.中华人民共和国质量监督检验检疫总局. GB50496-2009大体积混凝土施工规范[S].北京:中国计划出版社.2009

[2]中华人民共和国铁道部.TB10424—2003.铁路混凝土与砌体工程施工质量验收标准

[S].北京:中国铁道出版社.2004

[3]中华人民共和国交通部. JTJ 041-2000.公路桥涵施工技术规范[S].北京:人民交通出版社.2000

[4]胡如进.水泥水化热对混凝土早期开裂的影响[J].水泥.2007(04)

[5]杨长辉，王川，吴芳，黄洪胜，刘本万.混凝土强度和干燥收缩预测模型的研究[J].重庆建筑大学学报.2003(3)

[6]邓国颂,杨东杰,庞玉霞,楼宏铭.减水剂对水泥水化过程的影响研究[J].新型建筑材料.2010(3):5-7

[7]陈建奎.混凝土外加剂原理与应用[M].北京.中国计划出版社.2004

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[9]何廷树.混凝土外加剂[M].西安：陕西技术出版社.2003

[10]李效华,韩全章,龚平.基础大体积混凝土裂缝控制实践[J].混凝土.2006(4):77-78

Temperature crack analysis and caused crack control

Zhang xiangli China railway 22th bureau group Co., LTD.,Beijing 100043,china

Through the concrete temperature calculation, Analysis the reason and the temperature crack control measures, This paper introduces some common methods of crack prevention, Build a big volume concrete temperature development curve.

TU528.07

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.043

张向礼 男，1978年出生，工程师，2002年毕业于西南交通大学土工工程专业，学士学位；研究方向:混凝土配合比设计及施工方面。