大體積混凝土溫度裂縫控制與優(yōu)化分析

蘇建濱

（福建長泰第一建筑有限公司，福建 漳州 363900）

大體積混凝土廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，并已采用大體積混凝土泵送，但由于其存在溫度裂縫問題日益突出，嚴(yán)重影響建筑的安全性和耐久性，降低工程項(xiàng)目的建設(shè)質(zhì)量。目前，溫度裂縫問題已成為大體積混凝土結(jié)構(gòu)的重要研究方向，需要深入、細(xì)致地研究大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的原因和機(jī)理，并有針對性地采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 大體積混凝土溫度裂縫生成原因

1.1 大體積混凝土的特點(diǎn)

（1）大體積混凝土結(jié)構(gòu)橫截面的長、寬、厚都相對較大。

（2）由于水泥的體積大，在水化過程中會(huì)釋放大量水化熱，而混凝土本身的導(dǎo)熱性差，因此，大體積混凝土內(nèi)部會(huì)積聚大量水化熱，導(dǎo)致中心溫度升高。

（3）大體積混凝土的彈性模量不大，蠕變大，溫度升高主要是由壓應(yīng)力引起的。隨時(shí)間增加、溫度下降，大體積混凝土的彈性模量增加，并且蠕變?nèi)匀缓苄　Ｈ绻篌w積混凝土的內(nèi)部溫度與外部溫度之間存在較大差異（即溫度梯度非常陡峭），會(huì)導(dǎo)致大體積混凝土的溫度應(yīng)力過大，進(jìn)而容易開裂。

1.2 大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

大體積混凝土一旦產(chǎn)生裂縫將影響建筑物的整體質(zhì)量。大體積混凝土屬于特殊材料，開裂的原因很多。一是在施工過程中，施工人員沒有嚴(yán)格遵守大體積混凝土的比重要求，導(dǎo)致大體積混凝土的承重性能下降，材料易碎，無法承受上層壓力，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫。二是原材料成本過低，材料質(zhì)量不合格，也是大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因。三是大體積混凝土的內(nèi)部溫度無法適應(yīng)外部溫度，溫差過大，產(chǎn)生溫度裂縫。并且大體積混凝土的開裂原因大多與溫度有關(guān)。

1.3 混凝土裂縫的危害

混凝土起到凝結(jié)建筑結(jié)構(gòu)整體堅(jiān)固性的作用，好的混凝土結(jié)構(gòu)可以保證建筑物的穩(wěn)定性，并可以大大減少因地質(zhì)災(zāi)害造成的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。已經(jīng)建好的建筑物中，輕微裂縫會(huì)影響建筑物外觀，連續(xù)裂縫會(huì)直接影響建筑物的壽命，并威脅人們的生命、財(cái)產(chǎn)安全。在施工過程中大量的混凝土裂縫將直接影響建筑物的安全。

2 大體積混凝土溫度裂縫影響因素

2.1 溫度變化

大體積混凝土具有熱膨脹和收縮的特性。當(dāng)外部或內(nèi)部溫度變化時(shí)，大體積混凝土?xí)a(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，大體積混凝土就會(huì)變形，產(chǎn)生溫度裂縫。

2.1.1 溫差

大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般要求一次性整體澆筑。澆筑后，水泥因水化引起水化熱，由于是大體積混凝土，積聚在內(nèi)部的水化熱不易散發(fā)，其內(nèi)部的溫度顯著升高，而表面散熱較快，形成較大溫度差，導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。

2.1.2 水化熱

澆筑完成后48h內(nèi)，由于產(chǎn)生水化熱，大體積混凝土內(nèi)部溫度不斷升高，導(dǎo)致其中心溫度較高，上下溫度較低，溫差的變化率不大。如果溫度測量記錄中的最大溫差小于25℃，可以采取優(yōu)化配合比、冷卻系統(tǒng)布局、降低出口溫度、分層和維護(hù)等措施控制大體積混凝土的內(nèi)部水化熱。

2.2 混凝土收縮

在實(shí)際建筑工程中，最常見的是混凝土收縮產(chǎn)生裂縫。其中，塑性收縮和干收縮是混凝土變形的主要原因，還存在自生收縮和碳化收縮。混凝土收縮裂縫大多數(shù)是表面裂縫，裂縫寬度較小，呈十字形，形狀不均勻。

2.3 地基基礎(chǔ)變形

在建筑工程中，地基基礎(chǔ)的垂直沉降或水平位移不均勻都會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生額外的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過大體積混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。地基沉降不均勻的主要原因有：地質(zhì)勘測準(zhǔn)確性不足或測試數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、地面地質(zhì)差異太大、結(jié)構(gòu)載荷差太大、不同類型的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及橋梁基礎(chǔ)位于滑坡體、洞穴上、斷層之類的不良地質(zhì)區(qū)域等。

2.4 鋼筋銹蝕

鋼筋銹蝕是造成大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。為防止鋼筋腐蝕，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按規(guī)格確定保護(hù)層的厚度，在施工期間控制混凝土的水灰比，并加強(qiáng)振動(dòng)，以保證混凝土的致密性，防止氧氣侵入。同時(shí)，減少含氯鹽的混合物用量，特別是在沿海地區(qū)或其他腐蝕性空氣和地下水較強(qiáng)的地區(qū)，必須嚴(yán)格控制鋼筋銹蝕。

3 大體積混凝土溫度裂縫控制措施

大量的研究結(jié)果表明，大體積混凝土結(jié)構(gòu)中不可避免會(huì)產(chǎn)生裂縫，重要的是采取合理的預(yù)防和控制措施，避免裂縫產(chǎn)生和蔓延。大體積混凝土的工程條件復(fù)雜，施工條件不同，混凝土原料也有很大不同。因此，預(yù)防和控制大體積混凝土的溫度裂縫不是一件簡單的事情，需要對原材料、設(shè)計(jì)、構(gòu)造及監(jiān)控等問題進(jìn)行分析。

3.1 材料控制措施

3.1.1 選擇低熱或中熱水泥

由于礦物成分和混合物含量不同，水泥的水化熱明顯不同。目前，礦渣硅酸鹽水泥的水化熱小于普通水泥的60%，并且其耐腐蝕性優(yōu)于普通水泥。

3.1.2 選擇性能較好的骨料

選擇熱學(xué)性能較好、含泥量較少的骨料，并嚴(yán)格控制骨料等級和泥漿含量。對于粗骨料，通常選用連續(xù)級配為10～40mm的碎石，泥漿含量為1%或以下；對于細(xì)骨料，通常細(xì)度系數(shù)為2～3.11，沙子和中型沙子的泥漿含量應(yīng)不超過3%，同時(shí)，沙子中不應(yīng)有有機(jī)雜質(zhì)。在大體積混凝土澆筑過程中，可以拋入一定數(shù)量和標(biāo)準(zhǔn)的碎屑并掩埋，以減少水泥用量，吸收水化熱，抑制大體積混凝土開裂。

3.1.3 添加劑以減少水泥消耗

在大體積混凝土中混合一定量的混合材料，可以減少水泥消耗，并有效降低大體積混凝土的水化熱。目前，通常選用粉煤灰作為散裝混凝土的混合材料。粉煤灰不僅可以代替部分水泥，還可以減少水化熱產(chǎn)生的高溫峰，提高混凝土的強(qiáng)度和密度，減少收縮和變形，并降低混凝土的可加工性。最大含量取決于水泥的類型，通常可以替代10%～30%的水泥。用粉煤灰替代30%的水泥，可以將混凝土的隔熱溫度降低2℃～3℃。

3.2 設(shè)計(jì)控制措施

3.2.1 合理選擇結(jié)構(gòu)類型，避免應(yīng)力集中

在設(shè)計(jì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)方形空隙和突然變化。孔設(shè)計(jì)應(yīng)為圓形，以減少應(yīng)力集中。在孔周圍加設(shè)傾斜的鋼筋和鋼絲網(wǎng)，并在可變截面中逐漸更改。

3.2.2 減輕大體積混凝土的約束

合理的接縫可減輕大體積混凝土的約束，縮小約束范圍。降低地基混凝土的強(qiáng)度，以減少溫度應(yīng)力，防止大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。當(dāng)?shù)鼗A(chǔ)是軟土?xí)r，可使用沙墊加固地基基礎(chǔ)，以減少地基基礎(chǔ)對混凝土的約束。同時(shí)，可以增加地基基礎(chǔ)的承載力，減少水的影響。當(dāng)基座是硬巖時(shí)，可在基座底部放置一層滑動(dòng)層，如鋪設(shè)油氈、瀝青砂漿等。在大型高層建筑中，可以考慮安裝后澆帶，以減少混凝土的溫度變形，防止出現(xiàn)溫度裂縫和收縮裂縫。

3.3 施工控制措施

3.3.1 降低進(jìn)入模具的混凝土溫度

①添加冷卻劑或冰，以混合混凝土。通常冰的添加率為混合水的40%～50%，溫度可降低約5℃～7℃。此過程非常簡單，并且已被大多數(shù)項(xiàng)目采用。②預(yù)冷骨料。常用的預(yù)冷方法有水冷和空冷。③低溫或夜間施工。南方的春季、秋季等低溫季節(jié)更適合大體積混凝土澆筑。

④在高溫季節(jié)采取保溫和冷卻措施，以縮短混凝土的運(yùn)輸和暴露時(shí)間。混凝土的入口溫度應(yīng)盡量控制在25℃以下。

3.3.2 后澆帶留置

在施工過程中，后澆帶處的鋼筋是連續(xù)的，在澆筑混凝土后早期不易將其從模板中移除，可在混凝土硬化后移除。地面混凝土澆筑時(shí)，必須嚴(yán)格控制澆筑時(shí)間，并與地質(zhì)調(diào)查設(shè)計(jì)部門溝通，確定沉降值，在設(shè)計(jì)沉降明顯后再澆筑混凝土。澆筑前應(yīng)對后澆帶兩側(cè)的混凝土進(jìn)行鑿毛并仔細(xì)檢查，這將直接影響混凝土的內(nèi)聚力和冷縫的產(chǎn)生。還需放置橡膠止水帶，以防止泄漏，防水時(shí)應(yīng)加固結(jié)構(gòu)表面。

3.3.3 控制大體積混凝土內(nèi)外部溫度

通過采用“外部保護(hù)和內(nèi)部減少”或“外部存儲(chǔ)和內(nèi)部分散”的方法來降低大體積混凝土內(nèi)部和外部的溫度差和溫度梯度，以提高大體積混凝土的表面溫度，降低其中心溫度。為避免大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，在澆筑并固化混凝土后，可在混凝土表面使用絕緣材料或儲(chǔ)水槽，以減慢表面混凝土的冷卻速度。絕緣材料應(yīng)為低成本、低導(dǎo)熱性的草編袋、木板、干沙等。同時(shí)，節(jié)水養(yǎng)護(hù)具有良好的隔熱效果，可以防止混凝土表面開裂，而且水溫控制不應(yīng)太低，加水速度也不能太快。澆筑混凝土后，可以使冷水循環(huán)流經(jīng)埋在內(nèi)部的冷卻水管，以降低混凝土的溫度，減少大體積混凝土內(nèi)部和外部之間的溫差。

4 結(jié)語

在施工過程中，混凝土的使用率很高，大量的混凝土裂縫直接影響建筑物的安全。良好的混凝土結(jié)構(gòu)不僅能確保建筑物的穩(wěn)定，而且能大大降低因地質(zhì)災(zāi)害帶來的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。大體積混凝土已廣泛應(yīng)用于建筑工程，要根據(jù)工程結(jié)構(gòu)的具體情況科學(xué)選用大體積混凝土的原料，如選用低熱水泥、細(xì)砂、礫石、優(yōu)質(zhì)粉煤灰以及具有減水、阻滯和引氣作用的復(fù)雜混合物。科學(xué)地布置工藝計(jì)劃，從而使工程項(xiàng)目符合工程結(jié)構(gòu)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，全面控制大體積混凝土溫度裂縫。