控制筏板基礎大體積混凝土溫度裂隙的技術研究

焦明

摘要：建筑大體積結構會因水泥水化熱的作用而在混凝土內部產生溫縮拉應力，若采取的施工控制技術不當就會產生危害性裂縫。本項目在大體積筏板基礎施工時，采取使用低水化熱水泥、摻入外加劑降低水泥用量、提高混凝土抗裂性能、采用施工新工藝、加強養護等綜合措施，避免了溫度裂隙的產生。

Abstract： The large-scale structure of a building will cause temperature shrinkage tensile stress in the concrete due to the effect of cement hydration heat. If the construction control technology is adopted improperly， it will cause hazardous cracks. During the construction of large-scale raft foundations， comprehensive measures such as the use of low-hydration thermal cement and the addition of admixtures are adopted to reduce the amount of cement， improve the crack resistance of concrete， adopt new construction techniques， strengthen maintenance and avoid the occurrence of temperature cracks.

關鍵詞：大體積混凝土;溫縮應力分析;降溫措施;溫控監測

Key words： mass concrete;temperature shrinkage stress analysis;cooling measures;temperature control monitoring

中圖分類號：TU755? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）03-0266-03

0? 引言

隨著建筑物向更大面積及更高方向發展，工業與民用大體積混凝土結構日漸常見。因混凝土在凝固硬化過程中釋放出大量的水化熱，而大體積結構厚重，熱量積蓄在混凝土內部難以散失，使混凝土內部溫度峰值很高，當混凝土完成凝固后，熱量逐漸消散，大體積混凝土因降溫而收縮，再疊加混凝土失水干縮，是促使大體混凝土結構出現裂縫的主要原因。產生的裂縫及其帶來的病害對結構的安全使用造成嚴重危害。因此，對大體積混凝土因溫縮產生的裂縫進行預防及控制是我們需解決的重大課題。

1? 工程簡介

綠地·香湖灣10號地塊位于鄭州航空港區經濟綜合實驗區黃海路北側。占地69484.52m2，共設13棟單體建筑，總建筑面積227499.82m2。建筑類別為一類高層居住建筑和大型地下車庫。

地上建筑以30～33層為主，采用筏板基礎，筏板基礎厚度1.2～2.5m，強度等級為C35，抗滲等級為級P6。本工程筏板基礎的底板為大體積混凝土構件，施工時需采取有效的技術減少水熱化，并控制養護期間筏板各部位的溫差不超過規范規定，以避免混凝土溫縮應力、干縮應力產生裂縫給結構的安全使用帶來不良影響。

2? 因溫差而產生裂縫的機理

大體積混凝土結構產生的溫縮裂縫由表面裂縫和貫穿裂縫兩種類型構成。

2.1 表面裂縫

當大體積混凝土澆筑完成后，隨著水泥水化反應釋放出大量熱量使混凝土溫度升高，因混凝土表面熱量能得到良好散發而溫度增高不多;但混凝土結構內部熱量散發困難，其溫度增長相對混凝土表面要高出不少;造成混凝土結構內、外溫度不同，構成了溫度梯度，導致混凝土結構中心部位出現壓應力，而混凝土結構表面出現拉應力。如果混凝土極限抗拉強度小于此表面拉應力時，表面混凝土被拉裂，即產生表面裂縫。即使表面裂縫不屬于結構性裂縫，但當后期混凝土收縮時，易在表面裂縫處出現應力集中現象，導致裂縫得以進一步發展，形成影響結構正常安全使用的病害，故也需采取措施控制表面裂縫的生成。

2.2 貫穿裂縫

大體積混凝土達到一定齡期后，水泥基本全部完成水化反應，水化熱釋放已近尾聲。混凝土結構整體從較高溫度降溫至與外界常溫相近。降溫意味著體積收縮，同時疊加了混凝土中多余水分蒸發產生的干縮。因大體積混凝土結構往往受到邊界條件的約束而不能自由收縮，使得混凝土結構內出現拉應力，當混凝土極限抗拉強度不足抵抗此拉應力時，導致混凝土結構出現貫穿裂縫，此裂縫不僅貫通結構的厚度方向，還通常在整個截面上切斷了結構。使得結構整體遭到破壞，嚴重破壞了結構整體的防水性、安全性和耐久性。故需采取一切措施避免出現貫通裂縫。

3? 混凝土溫度應力和收縮應力的分析

通常大體積混凝土內部絕熱溫升很高，齡期3d時達到峰值，然后為降溫收縮，由于基礎及基底結構等的約束，底板出現溫縮拉應力，如果混凝土的極限抗拉強度小于此拉應力時，則導致出現裂縫。因此，本項目需對底板的溫縮應力及干縮應力進行核算，以便明確在擬采用的材料、施工工藝及養護條件下，評估大體積混凝土產生裂縫的可能性，從而根據分析、評估結論采取針對性的技術措施，確保大體積混凝土結構不出現有害裂縫。以下以本項目厚度最大（2.5m）筏板基礎為例說明分析及評估方法，以及為避免產生裂縫而采取的技術措施。

3.1 計算時的參數條件

本項目筏板基礎混凝土強度等級C35，抗滲等級為P8。采用商品混凝土，根據商品混凝土生產企業提供的混凝土配合比采用P.O.42.5水泥，其發熱量為375kJ/kg，每立方混凝土的水泥使用量為356kg。

進行此部分筏板基礎施工的時間為7月中至8月初，施工期間的外界環境最高溫度估計可超過35℃，但在正常施工條件下，入模的混凝土溫度控制不超過30℃。

3.2 混凝土溫度應力分析

3.2.1 大體積混凝土的最大絕熱溫升計算

計算水化熱完全不散失的情況下，該混凝土內部溫升值。此值計算式如下：

式中：Th—絕對隔熱時混凝土內部最大溫升（℃）;mc—混凝土拌和料中水泥（含膨脹劑）摻量（kg/m3）;Q—所用水泥28d內釋放的水化熱（kJ/kg），按375kJ/kg;c—混凝土構件比熱容，按0.97[kJ/（kg·K）];ρ—混凝土構件密度，按2400kg/m3;е—常數值，為2.718;t—混凝土澆注的齡期（d）;m—與澆筑時混凝土拌和料溫度有關的系數，本項目按30℃查表得m=0.406。

3.2.2 在當前施工條件下混凝土中心計算溫度

因實際施工時，混凝土構件的水化熱處于散發狀態，在當前施工條件下，混凝土內部溫升值按下式進行計算：

T1（t）=Tj+Th·ξ（t）（2）

式中T1（t）—t齡期時構件中心混凝土計算溫度（℃）;Tj—澆筑時混凝土拌和料溫度，取30℃;Th—絕對隔熱時混凝土內部最大溫升;ξ（t）—t齡期降溫系數，按表1取值。

按式（2）計算得各齡期底板混凝土中心計算溫度，列于表2。

3.2.3 混凝土溫縮應力

本工程地下室底板按外約束為二維時的溫縮應力（包括干縮應力）來進行計算，不同齡期混凝土拉應力、抗拉強度及抗裂安全度計算結果見表3。

大體積混凝土防裂安全系數K為1.15，由表2可知，在底板齡期9d前，不能滿足抗裂要求，故需改變混凝土配比及施工方案，以降低底板內部最大溫升值，以防止產生裂縫。

4? 采取的控制溫升的技術措施

能起到釜底抽薪作用的措施無疑是降低水泥水化熱，故以降低水泥水化熱為主要目標，本項目采取的綜合技術措施如下。

4.1 改用低水化熱水泥

因水泥水化熱是大體積混凝土溫升的原因，采用水化熱低水泥從源頭上控制溫升。本項目改用礦渣42.5水泥，其發熱量為334kJ/kg，降低水化熱10.9%。

4.2 合理摻入外加劑

如果單純增加單位水泥用量以滿足混凝土泵送所需的坍落度。則水化熱增加，混凝土降溫收縮加劇，更是促進了混凝土開裂。因此摻入適當外加劑獲得混凝土的施工性能。

①減水劑：摻高效減水劑的混凝土可大幅減小水灰比，且能使混凝土拌合物中水泥顆粒分布更為均勻，明顯改善混凝土中的空、孔隙分布情況，本項目在混凝土中摻入木鈣減水劑（即木質素磺酸鈣），摻入量為水泥重量0.25%。實踐證明，明顯改善了混凝土和易性，減少拌和用水約10%的同時也減少水泥用量約10%。

②膨脹劑：本項目還摻入了36kg/m3的UEA混凝土膨脹劑，其使混凝土硬化時產生微量體積膨脹，能夠對混凝土的溫縮及干縮進行部分或是全部補償，有效減少或避免混凝土產生裂縫。

③粉煤灰：在混凝土中摻入125kg/m3的Ⅰ級粉煤灰，其膠凝、減水作用不僅改善了混凝土和易性，也能替代部分水泥而降低水灰比，使溫度峰值顯著降低，并推遲溫度達到峰值時間，減少了溫縮應力及干縮應力。

4.3 嚴控粗細骨料質量

粗骨料采用自然連續級配，其拌制的混凝土和易性較好，可降低拌合水及水泥的用量，并獲是較高的抗壓強度。確保級配良好的情況下盡可能選用大粒徑碎石，因使用大粒徑粗集料亦可降低拌合水及水泥的用量，泌水隨之減少。從而使水泥水化熱減小，最終降低了混凝土的溫升。

國內經驗表明，當粗細集料含泥量過多時，不僅會促進混凝土的收縮，也導致混凝土抗拉強度的降低，對混凝土抗裂產生不利影響。本項目將粗集料的含泥量控制在1%以內，細集料砂的含泥量控制在2%以內。

4.4 施工技術措施

①為能降低混凝土的總溫升，減少混凝土內外溫差，對混凝土拌和物出機溫度及澆筑溫度進行控制是關鍵的措施。經分析，碎石及拌和水對混凝土的出機溫度影響最大，然后是砂，水泥的影響較小。因此，采取了拌和水中加冰，砂石料設遮陽棚覆蓋等降溫技術措施。

②要求商品混凝土生產廠家改進混凝土攪拌工藝，同時要求施工現場采用振搗新工藝。即采用“二次投料”、“二次振搗”的新工藝，以增加混凝土強度，提高抗裂性能。

③大體積混凝土盡量采用分層連續澆筑法，對于混凝土數量很大底板，澆筑能力不足時，采用了分段、分層，踏步式推進的澆筑方法。

④在側模的上留置孔洞，將振搗混凝土時出現的泌水排出。

4.5 抗裂安全系數計算

經采取上述技術措施后，水泥用量為283kg/m3，計算得混凝土中心最高溫度為53.9℃，不同齡期的抗裂安全系數均大于1.15。

5? 混凝土的保溫和養護

澆筑不久的混凝土抗拉強度低，一旦出現不利的溫濕度情況，在混凝土表面易發生溫縮和干縮裂縫。故需采取保溫措施，以減少混凝土中心與表面的溫差、混凝土表面溫度梯度，避免混凝土裂縫產生。采取表面覆蓋草簾等保溫材料進行保溫養護。以保持表面混凝土溫度，并控制混凝土內外溫差及混凝土降溫速率滿足規范要求。

按下式計算所需保溫層厚度：

式中：？啄—保溫層厚度（m）;λx—采用的保溫材料的導熱系數W/（m·K），草簾按0.14W/（m·K）;T2—大體積構件表面溫度（℃），T2=Tmax-25℃=53.9-25℃=28.9℃;Tq—養護期內外界平均氣溫，取24℃;λ—混凝土的導熱系數，按2.33W/（m·K）;Tmax-計算所得的混凝土內部最高溫度，53.9℃;Kb—傳熱系數的修正值，按2.0;h—底板厚度，2.5m。

由式（3）計算結果可知，草簾覆蓋厚度需大于29mm，故養護里先采用一層塑料膜進行保濕，然再覆蓋2層草簾，草簾總厚度為52mm。能夠確保底板中心與表面的溫差不超過規范要求的25℃。

6? 混凝土溫度控制

測溫點分別為距底板頂面10cm、中間均布、距底面10cm（如圖1所示）;此外基坑上、保溫層還各設一個測溫點，以準確、全面量測整個相關聯的各部位及外部環境溫度變化情況。

完成混凝土澆筑12h開始后開始測溫，前5d測溫頻率為1次/2h;5～10d時可延長到1次/4h;10d后可延長至1次/6h。當混凝土表面溫度接近外界環境氣溫，且混凝土中心溫度與環境氣溫的溫差小于25℃時，可以停止測溫工作，并移除保溫層。

圖2為筏板中心處的表面、中部、底表溫度監測所得的溫度—時間關系曲線圖，筏板中部在齡期80h時量測得51.9℃最高溫度，避免了在養護期間出現混凝土裂縫。由圖2可知，在溫度監測期間，中部與表面、底面之間溫差也控制在規范要求的范圍內。可見本項目采取控溫綜合措施是科學有效的。

7? 結束語

保溫養護是大體積混凝土溫控的最后關鍵環節，以確保降低大體積混凝土結構的內外溫差值，提高結構承受溫縮應力時的抗裂能力，達到防止或控制溫縮裂縫的目的。溫控時也要監測混凝土結構的降溫速率，并對溫測所得數據進行及時處理和分析，從而根據分析結果調整保溫養護措施以滿足溫控目標的要求。

參考文獻：

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