大體積混凝土基礎裂縫控制

摘要：大體積混凝土應用在工程重要的部位，一旦大體積混凝土出現較大裂縫，對工程影響極為嚴重。本文闡述了大體積混凝土裂縫產生的原因和防裂縫的施工技術內容，并結合工程實例，介紹了大體積混凝土溫控計算和裂縫控制措施，以達到防止大體積混凝土開裂的目的，確保大體積混凝土工程施工質量。

關鍵詞：水泥工程；大體積混凝土；裂縫控制

由于大體積混凝土基礎具有極高的結構安全穩定性，因此在水泥工程建設中占有重要的地位。回轉窯、磨機等大型設備基礎，筒倉結構的基礎等承受荷載大的結構，通常都采用大體積混凝土建造。

關于大體積混凝土的定義，雖然不同國家和地區對大體積混凝土的解釋不盡相同，但總結主要還是從定量和定性兩個方面來定義。美國混凝土學會對其有過規定：“任意就地澆筑的混凝土，其尺寸之大，必須要求采取措施解決水泥水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度地減少裂縫時，均可稱為大體積混凝土”。其次是日本建筑學會標準的規定：“結構斷面最小尺寸在80cm以上，水化熱引起混凝土內的最高溫度與外界氣溫之差，預計超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土”。

由此可見，大體積混凝土經常出現的問題，不是力學上的結構強度，而是以控制混凝土溫度變形裂縫，從而提高混凝土的抗滲、抗裂、抗腐蝕性能，以提高建筑結構的耐久年限而為突出任務。

在大體積混凝土結構中，由于結構截面大，水泥用量多，水泥水化釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和收縮作用，由此形成的溫度收縮應力是導致鋼筋混凝土產生裂縫的主要原因，這種裂縫有表面裂縫和貫通裂縫兩種。表面裂縫是由于混凝土表面和內部的散熱條件不同，溫度外低內高，形成溫度梯度，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，表面的拉應力超過混凝土的抗拉強度引起的。貫通裂縫是由于大體積混凝土在強度發展到一定程度、混凝土逐漸降溫，這個降溫差引起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形，受到地基和其他結構邊界條件的約束而引起的拉應力，超過混凝土抗拉強度時所可能產生的貫通整個截面的裂縫。這兩種裂縫在不同程度上，都屬于有害裂縫。由此可知大體積混凝土結構所承受的變形，主要是溫差和收縮而產生的，因此在大體積混凝土施工中，應以控制溫差和混凝土的收縮作用為重點，控制大體積混凝土裂縫的產生。

下面就以水泥工程中常見的回轉窯基礎為例，對大體積混凝土施工的裂縫控制進行一些淺析。

1、工程概況：

某水泥工程回轉窯窯墩頂板，厚度2 .5m，長14m，寬11.6m，混凝土強度等級C30，根據其定義屬大體積混凝土范疇。

2、施工條件

該工程在夏季進行施工的大體積泵送混凝土，混凝土強度等級C30，施工期間平均氣溫24℃。

3、原材料及配合比

（1）優選水泥品種，首選采用水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，次選使用普通硅酸鹽水泥。

（2）在混凝土中根據施工的不同需要添加外加劑，混凝土中采用摻SBTJM減水劑，改善混凝土性能，減少水泥用量，降低水化熱；改善混凝土的和易性、泵送性、粘聚度等性能。

（3）粗骨料采用級配碎石，符合相應規范要求。

（4）該工程混凝土設計強度等級為C30，混凝土配合比（坍落度控制在120mm～140mm）見表1。針對已確定的配合比設計，進行溫升計算，從理論上初步確定是否需要采取降溫措施。

材料名稱水水泥細骨料粗骨料外加劑

材料用量（kg/m3）37015572811405

表1

4、混凝土內外溫度差計算

4.1 混凝土內部溫度

實際上混凝土的內部最高溫度，是由其澆筑溫度，水泥水化熱引起的絕熱溫升和混凝土澆筑后的散熱溫度三部分所組成的。

可采用圖表法（理論與實踐相結合的方法）來計算混凝土內部最高溫度值：

Tmax=T0+Th·ξ（τ）（3-1）

式中：T0——混凝土澆筑溫度

Th——混凝土絕熱溫升

ξ（t）——不同澆筑塊厚度、不同齡期降溫系數（表2）

其中：混凝土澆筑溫度T0取值24℃

混凝土絕熱溫升由公式Th= W·Q/c·ρ（3-2）求的

式中：W ---每立方米混凝土水泥用量（370Kg/ m3）；

Q ---每千克水泥水化熱量（普硅水泥為377KJ/Kg）：

c—混凝土的比熱在0.84～1.05 kJ/（kg· K）之間，本式取0.97 kJ/（kg·K）

ρ—混凝土的密度，取2400（kg/ m3）；

不同齡期、不同澆筑塊厚度混凝土降溫系數（表2）

澆筑塊厚度

（m）不同齡期（d）時的ξ值

36912151821

1.00.360.290.170.090.050.030.01

1.50.490.460.380.290.210.150.12

2.50.650.620.590.480.380.290.23

3.00.680.670.630.570.450.360.30

則根據（式3-1）得各齡期混凝土中心溫度：

當3D時，Tmax（3）= 24+ 59.9·0.65=62.9℃

當6D時，Tmax（6）= 24+ 59.9·0.62=61.1℃

當9D時，Tmax（9）= 24+ 59.9·0.59=59.3℃

當12D時，Tmax（12）= 24+ 59.9·0.48=52.7℃

當15D時，Tmax（15）= 24+ 59.9·0.38=46.7℃

當18D時，Tmax（18）= 24+ 59.9·0.29=41.4℃

根據以上數據畫出混凝土中心溫度變化趨勢圖（圖1）

4.2 混凝土表面溫度

混凝土表面溫度可由公式：

Tb（t）=Tq+4·h'（H-h'）[Tmax（τ））-Tq]/H 2（式3-3）

式中：Tq——混凝土齡期τ時，大氣平均氣溫

Tmax（τ）——齡期τ時，混凝土中心溫度

h'—混凝土虛厚度 （m）

H —混凝土計算厚度（m）

其中：根據圖1可知齡期3d時，混凝土中心溫度最高為62.9℃，

h'=K·λ/β（式3-4）

式中 K---折減系數，取0.666；

λ---混凝土的導熱系數，取2.33 W/ m·K

β—混凝土模板及保溫層的傳熱系數，取3.88 W/ m2·K

H=h+ 2 h'（式3-5）

式中 h—混凝土實際厚度，為2.5m

根據（式3-3）可得齡期3d時混凝土表面溫度為40.6℃

5、裂縫控制措施

根據以上計算可知，混凝土內外最大溫差為22.3℃，混凝土內部溫度降溫速率基本均勻（見圖1），其中有7d（第9d至第15d）降溫速率大于規范規定的1.5℃/d。故采取保溫法，減少混凝土內外溫差及混凝土降溫速度。

（1）選擇較低的氣溫進行澆筑。優選科學合理的澆筑方法，減少澆筑層厚度及摻加緩凝減水劑。

（2）插入式振搗器應快插慢拔，插點要均勻排列，逐點移動，順序進行，防止遺漏，均勻振實。提高混凝土的密實度和抗拉強度，減小收縮變形。

（3）混凝土澆筑后，表面用塑料薄膜覆蓋以保水，上鋪兩層麻袋以保溫；結構物四周在模板外側覆掛兩層麻袋，并經常澆水養護。混凝土養護時間不得少于15d。

（4）為了及時掌握混凝土內部溫度變化，采用JDC-2型電子測溫儀進行測溫，在混凝土中心、底面和表面各布設有代表性3個點來反映混凝土的溫度變化情況。在規定的時間段將所測數據與理論計算值復核，作為保溫養護的措施依據。