大體積混凝土溫度裂縫的成因及預防措施

陳漢清廈門中宸集團有限公司（361000）

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大體積混凝土溫度裂縫的成因及預防措施

陳漢清
廈門中宸集團有限公司（361000）

摘要:首先簡要介紹了大體積混凝土溫度裂縫產生的機理、預防措施，然后結合工程實例重點闡述了通水冷卻溫差控制措施并評價其效果，最后總結了大體積混凝土施工溫度裂縫控制要點，希望能供業內同行參考。

關鍵詞:大體積混凝土；水化熱；溫度應力；溫度裂縫

1大體積混凝土溫度裂縫產生的機理

大體積混凝土在施工過程中產生裂縫的原因有很多，包括表面收縮、內外溫差、外部荷載、鋼筋銹蝕等，其中，溫度裂縫是大體積混凝土裂縫控制的重點，下面主要闡述溫度裂縫產生的原因。

1.1水泥的水化熱

大體積混凝土由于水泥水化時會放出大量的水化熱，而混凝土自身體積較厚，表面直接和空氣接觸，散熱條件較好，熱量可以向大氣中散發，表面溫度上升較少。混凝土自身導熱性較差，水泥水化熱積聚在混凝土內部不易散發，溫度會上升較多這樣就會形成外低內高的溫差，產生溫度應力，若溫度應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土就會產生裂縫。

1.2內外約束條件

基礎混凝土一般與地基整體澆筑在一起，當溫度變化時，由于外部約束和內部約束的存在，混凝土不能自由變形?；炷翝仓笤缙跍囟壬仙龝r，產生的膨脹變形受到地基土約束面產生壓應力，此時混凝土的彈性模量很小，徐變和應力松弛卻較大，與基層連接也不太牢固，從而壓應力較小。混凝土表面溫度下降較快，受溫差產生的溫度應力和內部約束的影響，混凝土表面會產生很大的拉應力。因此，混凝土內部熱量積聚產生熱膨脹，靠近中心產生壓應力，遠離中心產生拉應力，若產生的拉應力超過混凝土的抗拉強度，會出現垂直裂縫。當內外溫差小于25℃，產生的裂縫幾率較低[1-2]。因此，降低混凝土內外溫差和改善約束條件，是防止混凝土產生裂縫的重要措施。

1.3外界氣溫引起的變化

混凝土在澆筑過程中產生的溫度與外界氣溫的變化有著直接的關系，澆筑產生的溫度同時也影響混凝土內部溫度。文獻[3]中提到：當大體積混凝土的澆筑溫度升高時，水泥的水化速度加快，混凝土內部最高溫度出現時間提前。如果外界氣溫下降，特別是氣溫驟降，會加大混凝土的溫度梯度，致使溫度應力增大。此時，混凝土內部產生壓應力，外部產生拉應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土的表面就會出現裂縫。

2大體積混凝土溫度裂縫的預防措施

2.1科學選用材料，適當使用外加劑

1）科學選用水泥

優先選擇中低水化熱硅酸鹽水泥或低水化熱礦渣硅酸鹽水泥，如復合水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、火山灰質硅酸鹽水泥等優質水泥，有利于降低混凝土溫度梯度。水泥水化熱的指標應滿足: 3 d的水化熱不宜大于240 kJ/kg，7 d的水化熱不宜大于270 kJ/kg[4]。

2）骨料控制

細骨料宜采用細度模數大于2.3的中砂,含泥量不應大于3%。粗骨料宜選用連續級配，粒徑5～31.5 mm，含泥量不應大于1%。一方面應盡量使用高強度骨料，另一方面砂率和坍落度應盡量選用較小數值，以減小孔隙率，避免裂縫產生。

3）摻合料與外加劑

第一，可適當的在混凝土中加入能降低水化熱的粉煤灰，粉煤灰除了能改善混凝土性能外，還能減少水泥用量，節省成本。第二，添加UEA。在水泥硬化過程中，UEA能補償冷縮與干縮，從而降低裂縫發生的可能性。

2.2降溫處理

在混凝土內部預埋水管，當大體積混凝土澆筑后，通過冷水進出，可有效降低混凝土內部溫度。冷卻水管通常采用鋼管、鋁管、聚乙烯塑料管等比較耐熱耐腐蝕的材料。施工單位應結合實際條件，選擇合適的降溫水管。在混凝土澆筑之前，為了防止出現意外情況，先進行通水試壓，管道顯示密閉良好，通水順暢，再進行下一步工序。大體積混凝土對溫度很敏感，混凝土澆筑之后要密切關注混凝土溫度變化情況，將混凝土實際溫度控制在合理范圍之內。冷卻水在混凝土澆筑至水管高程后立即循環，混凝土內外溫差控制在25℃內，水溫3～4 h監測一次，測量進、出水口溫度，一般出水口溫度較進水口溫度高5～6℃，應持續到澆筑完7 d以后。指派專業技術人員，設置溫度檢測點，做好標記方便以后使用，收集混凝土溫度變化數據，將檢測的數據繪制成溫度變化曲線進行對比，以便采取有效措施，降低或保護混凝土溫度。冷卻完畢后，冷卻管壓入同強度的水泥漿，水泥漿中加入微膨脹劑。

2.3加強養護

混凝土二次抹平之后，應及時養護并覆蓋毛毯及塑料薄膜保溫，防止水分過分蒸發，造成表面裂縫。將混凝土每天降溫速率控制在2.0℃/d范圍內，混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃，保濕養護的持續時間不得少于14 d。墻、電梯基坑等位置，安裝豎向模板保持混凝土形狀，成形7天以后拆模，注意檢查整個混凝土成形的情況，查看是否有裂縫和歪斜情況出現。

3工程案例

3.1工程概況

城建大廈工程位于廈門市海滄區南海三路南側。地下2層，地上25層，建筑高度99.9 m。主樓采用筏板基礎，尺寸46.3 m×36.4 m，厚度為2.2 m，采用密實級配抗滲防水混凝土C35，抗滲等級P8。經過測算得出，混凝土澆筑總量約3 900 m3，屬大體積混凝土類型，必須一直連續澆筑。本工程大體積混凝土內部采用預埋冷卻水管進行循環通水降溫，表面采用覆蓋毛毯進行保溫。

3.2冷卻水管與測溫管布置

3.2.1冷卻水管布置

循環冷卻水管采用DN50的鍍鋅鋼管，分上、中、下三層錯開布置，每層對稱布設，采用中間注入冷卻水的方式，縮短冷卻水循環路徑，提高冷卻效果，有利于減小內外溫差。冷卻水管水平間距為2 500 mm，垂直間距為600 mm，距混凝土上、下表面各為500 mm，距離混凝土側面為1 000 mm。循環冷卻水共設置6個獨立循環系統,分別是上部、中部和下部以及電梯井上部、中部和下部?；炷翝仓晾鋮s水管高程后立即通水循環，及時帶走混凝土內部產生的熱量，避免產生較大的溫差。

3.2.2測溫管布置

測溫管采用DN20鍍鋅鋼管。為準確掌握大體積內部混凝土溫度變化,本工程共對稱布設80組間距為5 m的測溫點，每組測溫點包括上、中、下三個測點，上、下測點各距板面100 mm。

3.3循環冷卻、測溫管理

3.3.1循環冷卻

當混凝土澆至冷卻水管高程時，立即通水冷卻，控制進水口流量并隨時監測進、出口水溫差。當進、出口水溫差超過10℃時，應立即采取措施加大進口水流速和流量，將溫差控制在10℃以內，提高冷卻水吸收混凝土水化熱的能力，避免混凝土內部升溫過高，造成內外溫差超過規范要求而產生溫差裂縫。

3.3.2測溫管理

采用電子測溫儀，直接讀出各測溫點的實際溫度。在澆筑后3～4 d內混凝土水化熱最大，因此在混凝土澆注5 d之內，每2～4 h測一次，以后6～15 d內每4～8 h測一次，并作好測溫記錄。室外溫度及周圍環境溫度,每晝夜至少定時定點測量4次，并把測溫記錄及時反饋給技術人員，以便及時發現問題并采取相應的技術措施。當觀測每一個測點時，對環境溫度與對應測點處的實際溫度進行詳細記錄，及時整理日報表，繪制溫度變化曲線。同時，還應該充分了解溫度變化的具體情況，按照現場溫差的實際數據采取相關的措施，如發現混凝土內外溫差大于25℃，應立即采取有效措施，增加表面保溫層厚度和加大循環水的流速等。

3.4溫度曲線及分析

3.4.1溫度變化與極值

表1最高溫度及其出現時刻匯總

根據每組測溫點的測溫記錄，可以繪制出溫度隨時間的變化曲線。本工程筏板基礎具有對稱性,因此選取4組具有代表性測溫點進行分析，分別是1、15、19、36四組基本成對角線的測溫點，每組測溫點混凝土上部、中部和底部的溫度隨時間的變化關系如圖1～4所示，最高溫度及其出現時刻匯總見表1。

由圖1～4可以看出，同一組測溫點處筏板混凝土底部和中部的溫度明顯高于上部的溫度，其主要原因為混凝土上表面與環境空氣間熱傳導對混凝土溫度影響較大。本工程大體積混凝土施工前在底板所做的防水層、保護層顯著降低了筏板底板向下的熱傳導率，因此造成底部溫度較高。混凝土內部最高溫度出現在澆筑后72～96 h,也就是3～4 d,這與參考文獻[3]中提到的混凝土內部最高溫度出現在澆筑后3～4 d相符。

圖1測點1溫度變化曲線

圖2測點15溫度變化曲線

圖3測點19溫度變化曲線

圖4測點36溫度變化曲線

3.4.2混凝土表面與大氣溫差

通過測點1、15筏板上部混凝土溫度與毛毯下溫度曲線（見圖5～6）的對比可以看出，12月廈門市平均氣溫12～19℃，毛毯下溫度低于混凝土上部溫度，所有溫差最大不超過20℃，滿足大體積混凝土施工規范的要求[4]。

圖5測點1上部溫度與毛毯溫度對比

圖6測點15上部溫度與毛毯溫度對比

3.4.3混凝土內部溫度變化率

圖7、8分別給出了測點1、15處筏板大體積混凝土的溫度變化隨時間的變化。從圖中可以看出，在澆筑完成24 h內，混凝土內部溫度變化率較大，之后趨于平穩。內部溫度約在澆筑完成86 h后達到峰值，然后開始降溫，降溫速率均小于2℃/h。在混凝土外表面加強保濕和保溫措施，能使溫度下降速率控制在2℃/d，滿足大體積混凝土施工規范要求[4]。

圖7測點1溫度變化率曲線

圖8測點15溫度變化率曲線

4結語

大體積混凝土結構在施工時應對混凝土的材料選擇、溫度和養護等方面進行控制，大體積混凝土的施工質量除了必須滿足強度、耐久性、防水性等要求外，主要應對溫度變化和收縮引起的裂縫進行預防和控制。本文根據大體積混凝土的實際特點,總結了溫度裂縫形成的原因和常用的預防措施，結合工程實例對通水冷卻等溫差控制措施進行了詳細介紹,并根據實測的溫度曲線分析了其降溫效果。結果表明，這些措施可以有效地控制大體積混凝土在施工過程中產生的裂縫，并且應在大體積混凝土施工過程中對溫度進行實時監控，及時掌握溫度變化情況，并采取相應的措施。

參考文獻:

[1]譚維祖.混凝土收縮、開裂及其評價與防治[J].混凝土, 2001.

[2]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社.

[3]澆筑溫度對大體積混凝土溫度應力的影響[J].長安大學學報（自然科學版）,2011（09）.

[4] GB 50496- 2009,大體積混凝土施工規范[S].中華人民共和國國家標準.