大體積混凝土溫度裂縫控制技術應用進展

李凌旭+馬明昌+李水茜

摘要：近年來，隨著我國經濟的快速增長，綜合國力的提升和城市建設越發加快，高層建筑、大跨度橋梁結構、大壩結構等隨處可見，而在這些重要的大型混凝土工程中，混凝土溫度裂縫控制問題一直是工程界重視的問題之一，所以對大體積混凝土溫度裂縫產生的機理及其控制措施的運用研究顯得至關重要。本文在分析大體積混凝土溫度裂縫產生主要原因——溫度應力的基礎上，對大體積混凝土溫度裂縫的主要控制措施-材料控制、冷卻水管、設置永久變形縫、設置溫度后澆帶、跳倉施工法等技術的運用進展。

Abstract： In recent years， with the rapid economic growth， the improvement of overall national strength and the acceleration of urban construction， high-rise buildings， long-span bridge structures and dam structures can be seen everywhere. In these important large-scale concrete projects， crack control has always been one of the most important issues in engineering. Therefore， it is very important to study the mechanism of mass concrete temperature cracks and its control measures. Based on the analysis of temperature stress， which is the main cause of temperature cracks in mass concrete， this paper analyzes application progress of the main control measures of temperature cracks in mass concrete， such as material control， cooling water pipe， permanent deformation joint， temperature post-cast strip and sequence method construction method and other technologies.

關鍵詞：大體積混凝土；溫度裂縫；控制技術；進展

Key words： mass concrete；temperature crack；control technology；progress

中圖分類號：TU37 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）04-0113-03

0 引言

近年來，城市土地資源的稀缺和國民經濟的發展帶來基礎建設的飛速發展，超高層建筑在我國不斷出現，工程建設的規模也逐漸朝著大型化、綜合化和復雜化方向發展，為了建筑安全性考慮，建筑物基礎底板的尺寸均比上不結構的平面尺寸要大很多，這些結構都比較厚實、現澆工程量大、水化熱多導致混凝土內外溫度梯度大，極其容易產生溫度裂縫。當然，在建造和使用過程中，只能要求盡量不出現和少出現有害裂縫，完全杜絕裂縫是不可能實現的。

大體積混凝土開裂的影響因素（材料、入模溫度、內外約束條件、降溫措施等）有很多，很復雜，往往不是單一因素造成的，采取措施減低裂縫的開展實際上就是裂縫控制工程，這是一項龐大的系統工程。混凝土結構開裂會影響結構耐久性并影響其正常使用，所以采取相應的技術措施去處理和解決溫度應力、并按裂縫開展去處理以最大限度地減少混凝土開裂顯得尤其重要。

1 溫度應力與溫度裂縫

1.1 溫度應力的定義

對于大體積混凝土的定義，迄今為止尚無統一的說法。美國混凝土學會（ACI）、日本建筑學會、大體積混凝土施工規范（GB50496—2009）》[1][2]均根據自己的研究成果對其進行了定義，但由于闡述側重點不一樣，導致定義不是很全面。僅用混凝土的幾何尺寸來定義和用混凝土內部溫度與環境溫度之差達到某規定值來定義大體積混凝土，也是不夠嚴謹的。所以綜合闡述，從幾何尺寸、溫度差導致溫度應力、裂縫控制措施等三方面去定義較為全面，即：大體積混凝土結構為現場澆筑的幾何尺寸較大，且采取了相應的技術措施去處理溫度差值、解決溫度應力，最大限度地減少混凝土開裂的混凝土結構[3]。

從上述對大體積混凝土定義的闡述可知，在大體積混凝土結構中，裂縫的產生大都與溫度應力有關[4]。混凝土溫度應力一般約為30天。該階段混凝土的絕熱溫升與混凝土單位體積中水泥用量和水泥使用品種有關，并隨混凝土的齡期按指數關系遞增，該階段彈性模量隨混凝土齡期的增長而逐漸增高。中期應力為自早期結束至混凝土冷卻到穩定溫度時止，該階段混凝土性能趨于穩定，其彈性模量變化不大。晚期應力為中期結束至后期使用階段，這時溫度應力主要是由于外界氣溫和水溫的變化所引起。上述各個階段的溫度應力均為該階段產生的溫度應力與前期階段殘余應力疊加之結果。溫度應力之和結果是產生較大拉應力，便開始出現溫度裂縫。

1.2 溫度應力的危害

混凝土為脆性材料，抗拉強度只是抗壓強度的1/10～1/20左右，其拉伸能力也很小，在短期加載過程中的極限拉伸變形更加小，所以大體積混凝土結構設計中通常要求不出現拉應力或出現很小的拉應力[6]，而大體積混凝土結構基本不配置鋼筋的，或僅僅在其表面或孔洞位置處配置少量鋼筋，所以一旦出現了拉應力（水化熱溫度應力）就只能依靠混凝土自身來承受，抗拉性能差的脆性混凝土很容易產生裂縫。endprint

混凝土結構開裂不僅直接影響結構外觀，還會造成鋼筋銹蝕、混凝土碳化、降低強度，縮短結構耐久性，影響其正常使用，所以采取相應的技術措施去處理和解決溫度應力、并按裂縫開展去處理以最大限度地減少混凝土開裂顯得尤其重要。

2 溫度裂縫控制方法

2.1 材料控制方法

根據影響大體積混凝土開裂的因素，逐個分析裂縫產生原因，然后提出確實可行的一套裂縫緩解技術方法是重要的。溫度裂縫控制首要應該從基礎方法-材料的選擇方面去考慮。由前可知，大體積混凝土裂縫的產生大都與溫度應力過大有關，而溫度應力主要來源于水泥水化熱，所以：①合理選用低或者中水化熱的水泥，以降低混凝土溫度峰值；②在混凝土中添加適當的混合材料（主要是粉煤灰）可以減少水泥的用量，降低混凝土的絕熱溫升；③在混凝土材料中摻加緩凝劑或高效減水劑，減少拌合混凝土時的用水量和減少水泥用量；④選擇粒徑較大、顆粒形狀較好、熱學性能好且級配良好的骨料。例如，王嘉楊[7]在參考大量文獻的基礎上，提出材料控制方法為：適當選擇降低混凝土水化熱的材料，降低混凝土成型時的溫度，在混凝土拌合物中添加纖維的措施來提高混凝土的抗裂性，達到阻止混凝土裂縫發展的目的。劉偉[8]通過試驗對摻加粉煤灰、乳化瀝青和聚丙烯纖維等改性材料混凝土的力學性能進行了研究，對多摻改性材料大體積混凝土抵抗溫度應力的能力進行了驗證。

2.2 水管冷卻法

由于水泥用量大，水泥水化時大量的熱量匯集導致混凝土內部溫度急劇上升（內部溫度可達60～90℃左右），而混凝土是熱的不良導體，自身溫降速度較慢，為了保證工程質量，加快工程施工進度，冷卻水管法是大體積混凝土溫控常用措施之一，即：在混凝土中預埋一些網狀水管，利用管中循環冷水（可用地下水、江、河、湖泊、自來水等各種水源）的流動來降低混凝土內部的溫度。20世紀中期，美國設計的胡佛壩為當時世界上最高的混凝土壩體，就選用了水管冷卻降溫的方法，進行了現場大量試驗，表明水管冷卻對混凝土壩體降溫效果十分明顯，由此成為大體積混凝土溫控方面的一項重要的措施[9]。

在我國，朱伯芳院士早年就研究了大壩混凝土中冷卻水管方面的計算問題，并運用積分變換法對大體積混凝土有熱源平面問題的進行了嚴格的詳細的解答[10]，同時他對非金屬聚乙烯水管的降溫方法進行討論并對計算方法進行了深入研究，建立了水管冷卻等效熱源傳導方程[11]。在熱-流耦合算法溫度場計算方面，劉杏紅[12]等在通用有限元軟件ABAQUS平臺上，開發熱流耦合用戶子單元，以官地碾壓混凝土重力壩某一澆筑塊為例驗證熱流耦合算法和用戶子單元的可靠性和合理性；段寅[13]等并采用等效算法和精細法對某混凝土壩的幾個澆筑塊進行分析，并對比了它們的計算結果。

2.3 設置永久變形縫

為了降低地基不均勻沉降、地震作用以及溫度應力和收縮變形等因素對建筑物的影響，在建造建筑物之前預先將變形敏感部位的結構斷開，留出一定變形縫，以保證各部分建筑物相互之間有足夠的寬度而在變形過程中降低建筑破壞的可能性。大體積混凝土地下室永久變形縫的設置，一般要求整個結構體系在設縫處完全脫開，特別要使高層與裙房徹底脫開，防止各自沉降對整體結構變形產生較大的影響。因地下室深埋在土中，變形縫構造設計的重點在于確保防潮、防水，在實際過程中，地下室變形縫通常有止水帶內埋式構造和可卸式構造。

2.4 跳倉施工技術

基于“抗與放”的原則，我國“跳倉法”由裂縫控制專家王鐵夢教授提出，施工時將大體積混凝土施工面劃分成若干區域，按照“分層澆筑、隔塊施工、整體成型”的原則進行分布施工。經過短期的溫度應力釋放，再把若干個小塊體連成整體，達到依靠混凝土自身的抗拉強度抵抗下一段混凝土所產生的溫度應力的目的。跳倉法施工原理示意圖如圖1所示[14]。近年來，“跳倉法”被廣泛運用于地下室底板等大體積混凝土結構中，李棟[15]等將“跳倉法”運用于超長、超寬、超深混凝土地下結構-北京藍色港灣工程基礎底板施工中；林沛華[16]等將跳倉法施工技術運用于廣州世紀云頂雅苑工程地下室超長、超寬底板大體積混凝土中。

跳倉施工技術對大體積混凝土澆筑起到很好的抗滲、抗裂作用，施工時應注意相鄰兩塊之間的間隔時間不少于 7天。但其有對混凝土澆筑時間控制和大體積混凝土接縫應力處理方面的缺點。[6]

3 結論

本文以大體積混凝土的概念、溫度應力的發生和發展、溫度應力的危害為基礎，詳細闡述了溫度裂縫的主要五種控制措施-材料控制、冷卻水管、設置永久變形縫、設置溫度后澆帶、跳倉施工法等技術的運用進展。

①材料控制方法作為一種基礎的裂縫控制方法，通過選用低或者中水化熱的水泥、添加適當的粉煤灰、摻加緩凝劑或高效減水劑、選擇性質合適且級配良好的骨料等手段，可以有效減少水或水泥的用量、降低混凝土的絕熱溫升，降低裂縫的開展。

②冷卻水管、設置永久變形縫、設置溫度后澆帶、跳倉法為傳統和新興的施工控制技術，同樣為大體積混凝土在施工和使用過程中起到了較好的抗裂作用。

參考文獻：

[1]蔡正詠.混凝土性能[M].北京中國建筑工業出版社，1998.

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[6]江昔平.大體積混凝土溫度裂縫控制機理與應用方法研究[D].西安建筑科技大學，2013.

[7]王嘉楊.高層建筑大體積混凝土基礎溫度裂縫控制的研究[D].西安建筑科技大學，2009.

[8]劉偉.多摻改性材料大體積混凝土溫度應力有限元分析[D].西安建筑科技大學，2009.

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[15]李棟，劉濤瑞，靳艷軍.超長超寬超深水位下混凝土結構跳倉法施工技術[J].施工技術，2007，36（12）：61-63.

[16]林沛華，許少杰，葛毓東.某工程地下室底板大體積混凝土跳倉法施工技術[J].施工技術，2009，38（4）：85-87.endprint