大體積混凝土裂縫控制研究

趙正玉

(馬鋼利民建安責任有限公司 安徽馬鞍山 243000)

大體積混凝土裂縫控制研究

趙正玉

(馬鋼利民建安責任有限公司 安徽馬鞍山 243000)

隨著建筑技術不斷的提高，幾乎所有的現代建筑結構都離不開大體積的混凝土構件。如何使得這些構件在固化時，不會因為釋放水化熱量及溫度變化而導致這些建筑產生裂縫是土建科研工作者面臨的重要課題。溫度應力理論為基礎，結合工程實例，并應用Midas/Gen軟件對上述問題進行數據模擬，掌握應力峰值分布情況，對大體積混凝土裂縫控制研究有重要借鑒作用。

大體積混凝土；裂縫；應力峰值；水化熱

在建筑工程中，大體積混凝土是指構件厚度大于1m的混凝土結構[1]或混凝土澆筑后，由于水泥水化熱引起結構體內外溫差大于25℃的建筑構件。隨著建筑技術不斷的不斷進步，由這種溫度差導致的建筑構件出現裂縫的狀況逐漸引起設計和施工人員的關注[2]。究其原因是多方面因素造成的，有施工的外部環境因素，氣候條件等因素，更主要的還是大體積混凝土構件的內部因素造成，如水泥的水化熱釋放導致構件內外溫度差異使得混凝土結構收縮變形而出現裂縫。

施工初期，大型建筑構件在硬化過程中，水泥水化的同時釋放出較多熱量，而混凝土與周圍環境的熱交換較慢，所以混凝土內部的熱量不斷增加，使其內部溫度不斷升高，混凝土的體積膨脹變大。經過一段時間的水化熱量釋放，混凝土中的熱交換過程逐漸減弱，溫度較低。在一熱一冷的溫差變化影響下，混凝土構件會產生收縮而引起變形的發生。

1 工程實例

本工程為大型筏板基礎，厚度尺寸為1.5m-2 m不等，屬于大體積混凝土。整個一塊筏板基礎由若干條后澆帶分隔開來。取圖1中左上角一小塊筏板基礎作為研究對象，尺寸為長度為30m，寬度為22 m，厚度為2 m，局部厚度為1.5m。

圖1 筏板基礎大體積混凝土測溫點位布置圖

2 大體積混凝土內外溫度應力的推算

2.1 關于溫度應力及其產生的根源

2.1.1 溫度應力的基本概念

正如自然界任何物質都有熱脹冷縮的現象一樣，混凝土構件遇到內外部溫度升降的影響時也會發生變形。在若構件兩端受到約束條件下，構件可以自由伸縮。此時，由于溫度變化而導致的形變不會在其內部產生應力。相反，在構件兩端固定條件下，溫度升高時，混凝土構件膨脹無法實現，則在其內部產生壓應力。同理，溫度降低時，混凝土構件收縮也無法實現也會產生拉應力。這種應力在土建工程中稱為溫度應力。

2.1.2 探究溫度應力產生的根源

水泥作為現代所有大型建筑混凝土的最重要基本材料，在與水混合時會釋放出大量的熱量，這正是導致建筑構件溫度發生變化的主要原因。相關文獻資料表明，水化放熱熱量大致為200kJ/kg-400kJ/kg，這些熱量足以使得隔熱狀態下的建筑構件升溫30℃-40℃，若疊加上構件本身的溫度，就會使得構件內部溫度升得更高。但是，這種水化熱釋放的周期較長，一般要幾個月的時間，而且熱量釋放呈現遞減趨勢。當建筑構件規模較小時，其內部的熱量比較容易傳導到空氣等介質中去，所以這種水化熱造成的危害性就比較小[3]。

對于大型的混凝土構件，由于混凝土自身的散熱能力較弱加上體積較大，熱傳導比較緩慢，集聚在構件體內的熱量一時難以完全釋放出來。在構件完工的初始階段(一般10天左右)，構件內部溫度不斷升高導致其體積膨脹，隨著釋放熱量的減少，溫度升高變緩。大約過幾個月后，大型的混凝土構件由于持續散熱而導致其內部溫度下降，從而引起收縮。由于這些大型建筑構件在溫度升降的過程中會受到地基等因素的制約，在其內部就會產生壓應力和拉應力。

2.2 溫度應力的測算方法

一般來說，混凝土構件內部熱量的釋放速度與構件的結構和體積大小相關。體積越大、越厚，散熱的速度就越慢[4-6]。在建筑構件的厚度大于5m的情況下，它的溫度升高幾乎接近于絕緣狀態下的升溫。

而本工程筏板基礎最厚處為2 m。則采用如下算法：

2.2.1 混凝土的中心溫度計算：

Tmax=Tj+Thξ

(2-1)

式中：

Tj—混凝土的澆筑溫度(℃)；

Th—混凝土最終絕熱溫升(℃)；

(2-2)

ξ—不同澆筑厚度的溫降系數；

Q—水泥水化熱(kJ/kg)；

mc—每立方米混凝土中水泥用量(kg/m3)；

c—混凝土比熱，c=0.96kJ/h·K；

ρ—混凝土重度，ρ=2400kg/m3。

2.2.2混凝土的表面溫度計算

H=h+2h′

(2-3)

式中：

（b）You should look up the words the meanings of which are unclear.

H—混凝土計算厚度(m)；

h—混凝土實際厚度；

(2-4)

K—折減系數，K=0.666；

λc—混凝土導熱系數，取λc=2.33 kN/(m·k)；

β—保溫材料傳熱系數[W/(m2·k)]，

(2-5)

δi—第i種保溫層厚度(m)；

λi—第i種保溫導熱系數[W/(m·k)]；

βq—空氣傳熱系數，βq=23 W/(m·k)。

齡期τ時，計算厚度為x處時的混凝土溫度Tx(τ)之間的關系，從而推導出式：

(2-6)

其中：Tx(τ)，Tq，ΔT(τ)意義分別為：在齡期為τ時，待求的建筑構件在厚度為x溫度(℃)，構件所處的外部環境溫度(℃)和建筑構件中心溫度與外環境的溫度差(℃)。

顯然，當x=h′，即可求得混凝土的表面溫度，按下式計算，

(2-7)

式中：

Tb(τ)——齡期τ時，建筑構件體表溫度(℃)。

2.2.3大型建筑構件的溫度應力計算公式

基于構件的混凝土彈性模量、溫度、干縮形變、徐變等是隨混凝土齡期而變化的，所以，混凝土溫度應力計算只能采用增量法，把時間τ分成若干段Δτi，計算各段產生溫度應力增量，然后疊加，如下式：

經計算得：該工程混凝土應力∑Δσ(τ)=0.5MPa

3 溫度應力數值模擬

依據筏板基礎實際結構情況，地基：48 m×34m×2.0m，筏板基礎：30m×22 m×2.0m。選取一工程實物模型為某大型商場的建筑筏板基礎，具體尺寸為：厚度2.0m，長度48 m，寬度34m，混凝土的初始凝固時間為5h。選用材料標準為：普通硅酸鹽水泥，強度為C3，水泥初始凝固時間為5h。模擬分析計算結果如下：

3.1 溫度變化分析結果

圖2 應力隨溫度變化圖

3.2 控制點的溫度應力及溫度變化曲線

圖3 最高(低)溫度應力及抗拉強度變化范圍曲線

圖4 溫度變化曲線圖

4 結論

通過對上述筏板基礎施工過程的數值模擬和理論分析，以及建筑構件內部應力變化及溫度變化曲線，可以看出在水化反應過程中應力變化的規律：

在澆筑大型建筑混凝土構件過程中，隨著水化反應的進行，構件內部釋放大量熱量，導致在混凝土中心的溫度應力逐漸增大。從上述結果分析可以發現，溫度應力的最大值在第48 h出現，大約為3.50MPa。此時，構件內部的溫度值約66.73 ℃左右。

大型建筑構件在釋放水化熱及自身內部升溫的同時，由于存在較大溫度差的原因，使得混凝土構件的地基溫度有一定的上升，影響地基深度大約為1.8 m。混凝土外表面溫度為47.54℃，混凝土外表面與外界大氣的溫差約為20.54℃。

溫度升至峰值溫度后，開始緩慢下降，但不同深度的混凝土溫度的上升和下降速度也不一樣，上表面層升降溫較快，中心降溫較慢。混凝土內的水化熱釋放過程中，由于受到構件內部結構、厚度及外界的氣候、環境等因素的影響而產生一些波動，但是溫度變化的趨勢是不會改變的。

混凝土內部的溫度分布狀況是沿厚度方向的中間最高，向上向下逐漸降低，上表面層的溫度與保溫覆蓋和澆水養護有關，同時也影響表面層的溫度高低和升降溫的快慢。

[1] 林一,王凱,高榮雄.大體積混凝土裂縫控制研究[J].土木工程與管理學報,2011.3

[2] 賴新亮,李濤.大體積混凝土裂縫控制研究[J].工程技術,2007.18

[3] 鄭汗枝.對超長、超寬地下室底板大體積混凝土裂縫控制研究[J].四川建材,2009.5

[4] 徐國強.上海虹橋機場地鐵東站大體積混凝土裂縫控制研究[J].建筑施工,2009.8

[5] 方先梅.大體積混凝土裂縫的分析及防治[J].中國西部科技,2011.10

[6] 龔劍,李宏偉.大體積混凝土施工中的裂縫控制[J].施工技術,2012.6

Study of Controling The Crack of The Mass Concrete

ZHAO Zheng-yu

with constant enhancement of construction technology, mass concrete structures are also increasingly used in modern construction； however, a lot of hydration heat will be released in the solidification process of mass concrete, resulting in a major temperature and shrinkage change. Therefore, cracking in mass concrete will occur and affect durability of the structures. This paper is based on the theory of temperature stress in mass concrete, illustrated with some engineering examples. By the application of SoftwareMidas/Gen, we have stimulated temperature stress and hydration heat of mass concrete and summed up the stress peak distribution of mass concrete, serving as a reference for cracking control study on mass concrete.

the mass concrete；crack； stress peak； heat of hydration

2014-05-18

趙正玉(1962—)，男，馬鋼利民建安責任有限公司，工程技術人員。

安徽省教育廳人文社科基金(SK2012B579)。

TU375.6

B

1672-9994(2014)03-0029-04