大体积混凝土温度场及裂缝控制研究

李泽宇 代礼平

中建二局第一建筑工程有限公司 北京 100000

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（JAS－SA）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[1]。

2 强化大体积混凝土施工管理的必要性分析

随着我国经济的发展，传统的多、高层建筑已无法满足人们生活、办公的需要，超高层建筑得到越来越广泛的应用。超高层建筑的地下室底板较厚、体积较大，通常采用大体积混凝土施工技术完成地下室底板的浇筑。然而，大体积混凝土对比普通体量的混凝土结构断面尺寸更大，导热性能更差，聚集在混凝土内部的热量更不容易散发；混凝土表面散热较快，内部散热慢，导致混凝土内部和表层温差越来越大，进而导致大体积混凝土内产生不均匀的温度变形和温度应力，当其温度拉应力超过极限抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝。因此，如何有效降低大体积混凝土的水化热，避免其因升温、降温产生裂缝，从而保证大体积混凝土的施工质量是大体积混凝土施工技术的重点和难点。为避免大体积混凝土由于温差导致的裂缝，以实际过程为例，分析了大体积混凝土产生温差的原因，并根据原因提出了大体积混凝土裂缝控制措施，以此为相似工程提供借鉴。

3 温度裂缝成因

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]。最后，混凝土两面的温度也是不同的，一般来说，靠建筑内部较近的混凝土的热量不容易释放，而外侧的则较容易，因此内侧可能会出现持续膨胀的情况，最终导致裂缝的产生。

4 大体积混凝土温度控制方法

4.1 合理控制原材料、优化配合比

混凝土配合比设计的原则是在保证混凝土抗压强度满足要求的前提下，尽量提高其抗拉性能。混凝土的原材料与配合比要经试验室试配，检查合格后方可采用。为降低混凝土水热化，对混凝土配合比进行优化时，需要在保证混凝土强度等级的基础上，尽可能减少水泥用量。为了使混凝土具有较大的抗裂能力，在施工之前，由项目部牵头组织拌和站，对混凝土的原材料以及配合比方面进行控制。合理选择原材料及优化配合比，使混凝土绝热温升减小，提升抗拉强度及极限拉伸变形能力，减小混凝土热强比及膨胀系数。第一，水泥的品种与用量是影响混凝土力学性能与混凝土温度变形的重要因素。在选择水泥时，应从水泥的标号、熟料的矿物组成、细度等方面进行综合考虑。考虑到现场工期、地理位置及气候条件影响，为提升混凝土抗裂性能及强度，采用低热矿渣水泥、较高标号中热硅酸盐水泥，并掺入一定的粉煤灰，以增强耐磨性及抗蚀性。第二，在混凝土内掺入一定数量的粉煤灰，以改善混凝土的黏塑性，降低混凝土水化热。粉煤灰掺到混凝土中后，能降低水化热，减少干收缩，改善新拌混凝土的和易性。但考虑到其早期强度较低，项目最终决定选用性能良好、各项指标符合国家标准、CaO含量不超过10%的二级粉煤灰。第三，考虑到现场工期及恶劣天气的影响，在与拌和站协商后，决定使用外加剂来增强混凝土的早期抗裂性能，例如，减水剂、引气剂、膨胀剂及早强剂等。①减水剂是最常用、最重要的外加剂，具有减水增塑的作用，能够在保持混凝土坍落度及强度不变的前提下，减少水的用量、水泥用量，并降低混凝土的绝热升温。②引气剂的作用是通过在混凝土中产生大量微小气泡的原理来提高混凝土的抗冻融耐久性，主要用于极寒天气。③在混凝土中添加膨胀剂，膨胀剂会与混凝土中的氢氧化钙发生反应，生成钙矾石结晶颗粒，使混凝土产生适度膨胀，在内外约束条件下产生一定的内压应力，与收缩产生的应力相互抵消，建立混凝土内部平衡。④混凝土早强剂是指能提高混凝土早期强度，并且对后期强度无显著影响的外加剂。早强剂的主要作用在于能加速水泥水化的速度，促进混凝土早期强度的发展，既具有早强功能，又具有一定减水增强功能。第四，优化配合比设计，严格控制砂石骨料的含泥量。选择粗骨料时，从粗骨料的品种、级配、颗粒形状和大小等方面综合考虑，层层筛选，最终选取5～40mm连续级配花岗岩碎石粗骨料；选择细骨料时，从细骨料的平均粒径、颗粒级配与砂率等进行综合考虑，并最终选用石英含量高，颗粒形状浑圆、洁净，具有平滑筛分线，平均粒径为3.8mm，含泥量小于1.5%、泥块含量小于0.5%的中粗砂[3]。

4.2 运输过程控制

运输过程中宜采取以下措施：①高温天气，为混凝土运输车设置隔热遮阳布，有效降低运输过程中的混凝土温度回升；②混凝土运输、浇筑器具，如混凝土泵、振捣棒等提前浇水冷却或采取遮阳措施；③合理安排浇筑仓位，尽量缩短混凝土的运输时间；④合理组织施工，混凝土运输至现场尽快入仓，混凝土入仓后及时进行平仓振捣，加快覆盖速度，尽量缩短混凝土的暴露时间。

4.3 浇筑过程控制

浇筑过程中，应注意以下要点：①混凝土浇筑尽量避开白天高温时段施工；②混凝土入模温度宜控制在25℃以下；③混凝土分层浇筑时，严格按照设计要求执行，不得任意改动混凝土浇筑层厚。底板混凝土浇筑铺料方法采用台阶法铺料，台阶宽1.6m，高30cm，台阶法铺料从浇筑块体短边一端向另一端铺料，采用边前进、边加高的方法，逐步向前推进并形成明显的台阶，直至把整个仓位浇筑至收仓高程。在这过程中，由于混凝土泵所在位置较低并朝向相反方向进行平行浇筑作业。当下层混凝土出现凝固状态时便可对上层进行混凝土浇筑作业，这种浇筑方式有利于减少出现裂缝问题，从而保障混凝土浇筑质量较好。在实际混凝土浇筑施工中，需要保证混凝土自吊斗距浇筑区域距离小于2m，如果现场空间条件有限，存在浇筑高度过高的情况，则可以利用溜管、串桶进行辅助浇筑。然后，根据钢筋疏密程度及混凝土结构特征，对浇筑层厚度进行合理控制。

4.4 混凝土振捣

在进行混凝土振捣施工的过程中，应采用自上而下的振捣作业方式。尽最大可能保障插入和拔出的速度一致，再根据插拔速度和位置来明确插拔区间。通常情况下，采用并列插入方式和交错插入方式，施工人员可根据具体实际情况选择相应的插入方式。这类方式有助于降低混凝土当中出现气泡保障混凝土质量。施工人员在施工设计阶段就要分析出混凝土浇筑和振捣施工的需求量。根据需求量的大小对使用泵设备进行合理配置，从而保障混凝土施工质量全面提升。为了保障混凝土在出料的过程中振捣施工起到相应作用，提升振捣密实度，便可在每个混凝土出料口位置设置多个振捣棒。在浇筑施工的第一阶段，施工人员可以将振捣棒，放置在出料口位置，从而让混凝土出料快速并自然形成流淌坡状态。在第2阶段过程中，便会形成多角状态，要在混凝土下部进行施工。在第3阶段过程中，施工人员便要将振捣棒放在中间倾斜位置，从而让振捣作业满足浇筑过程中的技术需求。

4.5 混凝土养护控制

混凝土初凝与完成凝结之间存在着较长的时间间隔，如果不能够科学养护，将会降低混凝土质量，甚至还需要返工处理。在混凝土养护过程中，首先要对混凝土施工环节出现的问题进行修复，如振捣环节内没有及时消灭气泡，或泌水率与规范标准不相适应等。模板拆除掉后，作业人员要对混凝土仔细检查，保证混凝土质量与标准所符合。如有问题出现，则需结合实际情况，采取针对性的修整修复措施。如有开裂问题出现于混凝土部分位置，作业人员可在开裂位置粘贴纤维布，对开裂部位进行填充和修复。其次，作业人员要将现场环境条件纳入考虑范围，采取浇水、覆盖、涂抹养护剂等养护措施，养护工作要在拆除模板后的12个小时内进行。如果于冬季开展混凝土施工活动，更是要养护管理混凝土。若环境温度在-10摄氏度以下，需将暖棚法运用过来，科学处理25mm以上直径的钢筋。且对混凝土灌注温度严格控制，尽量不要低于5摄氏度。细薄截面灌注时，则要保持10摄氏度以上的温度。施工过程中，要分层持续开展混凝土灌注工作，按照20mm以上标准控制混凝土厚度。

4.6 温度监测控制

通过温度监测，掌握天气变化规律、原材料温度情况、混凝土出机口温度、混凝土浇筑温度、浇筑块内部温度变化等，并分析随时调整温度控制措施。①施工现场值班室设置水银温度计进行日常气温观测，并随时做好记录。②项目部质检部、试验室在混凝土浇筑前采用温度计及时对混凝土原材料及混凝土出机口温度进行温度监测，并做好记录，依此调整温控措施。③混凝土浇筑每4h检测一次出机口温度，入模温度测量，每台班不应少于2次。④对于敷设冷却水管的底板，测试浇筑体里表温差、降温速率及环境温度，每昼夜不应少于4次。⑤大体积混凝土浇筑体内温度检测点布置采用埋设测温线，通过电子测温仪进行测量，具体布置方式如下：如，每100m2仓面面积不少于1个测点，沿混凝土浇筑体厚度方向按表层、底层和中心温度测点进行布置，共3个点，则底板共布置15个测温监测点。其次，混凝土浇筑体表层温度测点宜埋设在冷却水管与混凝土上表面1/2处；再次，混凝土浇筑体底层温度宜在混凝土浇筑体底面以上与冷却水管距离1/2处；最后，混凝土浇筑体中心温度测点宜在混凝土浇筑体中心冷却水管左侧10cm处[5]。

5 结束语

综上所述，大体积混凝土的温度控制是裂缝控制的关键一环，通过对具体大体积混凝土工程实例浇筑后温度变化情况的研究，确定了大体积混凝土结构在浇筑后极易产生裂缝的原因，并据此提出了可行的裂缝控制措施。①结合《大体积混凝土施工标准》与对实际工程实例的研究，造成大体积混凝土结构产生裂缝的主要原因，一是混凝土内外温差超过25℃；二是温度下降速率超过2℃/d。②在混凝土浇筑前期、混凝土浇筑过程以及混凝土浇筑完成后可以通过降低水化热的产生、加速水化热的弥散以及做好混凝土的养护等措施，以降低水化热对大体积混凝土的影响，从而达到裂缝控制的目的。