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探讨大体积混凝土施工中混凝土裂缝和温度的控制要点

发表时间：2021/7/2 来源：《中国科技信息》2021年8月作者：冯昌振

[导读] 大体积混凝土在养护过程中释放出的水化热会产生较大的温度变化，大体积混凝土不同位置冷却速度不同，导致产生收缩应力不均匀，而出现裂缝。大体积混凝土裂缝影响结构的完整性，防水性和耐久性，并危及工程结构的安全性。

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摘要：大体积混凝土在养护过程中释放出的水化热会产生较大的温度变化，大体积混凝土不同位置冷却速度不同，导致产生收缩应力不均匀，而出现裂缝。大体积混凝土裂缝影响结构的完整性，防水性和耐久性，并危及工程结构的安全性。因此，在施工过程中应考虑控制混凝土裂缝，从原料，配合比，掺合料等方面提出了防裂措施。讨论温度控制措施在施工现场的效果，并提出了一些解决大体积混凝土裂缝具体的建议。
关键词：大体积混凝土；施工；混凝土裂缝；温度；控制
        引言：混凝土作为常见的建筑材料，已经发展了100余年，也是现代工程建设中使用最广泛，消耗最大的建筑材料。混凝土施工有着严格的施工规范和标准，尤其是大体积混凝土施工，要求更加严格。在温度或湿度变化引起的体积变化的条件下，混凝土结构可以自由收缩或膨胀，此种情况下混凝土不会开裂。然而实际施工中，混凝土的所有部分都受到一定程度的约束，不能自由收缩，当由外部因素造成的应力大于抗拉强度时，混凝土就会出现裂缝。
在大体积混凝土施工时，由于混凝土结构尺寸大，水泥水化热引起的混凝土温升不易及时消除，导致不同位置温度差异大，温度不一致就会导致冷却收缩时收缩比不同，继而引起体积的畸变出现内部应力，如果应力超过了混凝土自身的强度，就会产生裂缝。所以必须采取措施应对水泥水化产生的热量以及随之而来的体积变化，以便尽量减少温度裂缝。
        一、温度应力概述
        在大体积混凝土施工过程中，由于水泥水化过程中释放出的大量热量，混凝土本身具有一定的保温性能，因此内部温升范围比表面大得多，并且在冷却过程中表层与外部环境接触冷却速度快，内部冷却速度慢，造成了内外温度差。温度差的出现就会造成混凝土表面和内部冷却收缩不同，继而产生温度应力。根据应力的成因，温度应力可分为以下两类：
        1）自应力：如果内部温度不高，结构的湿度应力在边界上没有任何约束或完全是静态的。由于结构本身的相互约束，线性分布。
        2）约束应力：由外部约束对结构的全部或部分边界造成的温度应力，当温度变化时，该应力不能自由变形。在静定结构中，通常只发生自应力，而在超静定结构中，约束应力和自应力可能同时发生。
        二、大体积混凝土裂缝形成机理及控制
        2.1裂缝类型
        2.1.1宏观裂缝和微观裂缝
        混凝土是由水泥，沙子和石粒组成的两相复合脆性材料。在实际加施工中，大体积混凝土产生的裂缝主要两种，根据裂缝可视性分为宏观裂缝和微观裂缝。通常，尚未施加载荷的混凝土中存在的裂缝为微裂缝，一般情况下微裂缝混凝土通常不影响其使用，还可以承受拉力，但很容易引起应力集中并降低拉力强度。而实际项目中的大多数结构裂缝都是由抗拉强度不足引起的，微裂缝的宽度通常小于0.05mm。一般认为，混凝土中存在三种微裂缝：
        1）粘合裂缝是指骨料水泥浆粘结面的裂缝，主要出现在骨料周围；
        2）水泥浆裂缝是指水泥浆中出现在集料和集料之间的裂缝；
        3）骨料裂缝是指骨料本身的裂缝。
        在三种裂缝中，前两种裂缝较多，而骨料裂缝较少。微裂缝的存在对混凝土的基本性能有重要影响，如弹塑性，蠕变，各种强度，变形，泊松比，结构刚度，化学反应等。产生微裂缝的原因可以用混凝土的结构理论来解释，混凝土被认为是由骨料，水泥石，气体和水分组成的符合材料，因此在混凝土凝固时，产生不均匀的体积变形：水泥收缩率较大，骨料收缩率较小；水泥的热膨胀系数较大，骨料较小。它们之间的非自由变形导致相互约束的应力。根据结构理论的简单计算模型，假设圆形骨料不变形且均匀地分布在均匀的弹性水泥浆中，则水泥浆的收缩变形会引起内应力，从而导致胶粘剂微裂缝的发生。
根据危害，可分为三种类型
        1.贯穿裂缝
        当结构受到拉力，弯曲拉力和偏心拉力时，会导致结构表面开裂，从而形成贯通裂缝；大体积混凝土水化热形成的裂缝也大多是通过裂缝产生的。一旦出现这种裂缝，它将扩展到整个结构部分，将结构分开，并导致破坏结构的完整性和稳定性。因此，我们必须采取措施防止结构进一步恶化。
        2.深度裂缝
        结构的老化，结构的不规则变化和约束，混凝土的低等级，不适当的加固，超重载荷的突然作用，地震和冲击，使裂缝扩展到深层，危及结构的整体性能。
        3.表面裂缝
        如云纹裂缝，垂直裂缝，水平裂缝，收缩裂缝，均为表面裂缝。这通常是由于混凝土等级低，施工方法不当，维护不足等原因造成的，混凝土的温度变化取决于混凝土本身的热性能（包括水化热，比热，导热系数）和外部介质的温度条件。
        具体而言，混凝土温度变化的原因可分为四类：
        1）水泥胶结硬化引起的水化热；
        2）混凝土的浇筑温度与外界气温之间的差（以下简称初始温差）；
        3）混凝土浇筑后。从浇筑过程中的温度变化到长期运行后建筑物的稳定温度：
        4）由于外部温度的变化，混凝土中的温度变化。水泥的水化热是大体积混凝土结构中的主要温度因素，在浇筑块中测得的水化热温度升高通常达到15?25℃。在大陆严寒地区，一年的月平均温度变化可以达到零下30-50℃，在这种情况下，水化热的影响相对减小，外部温度的变化成为影响混凝土温度变形的主要因素。外部温度的定期变化可分为三种：年度变化，周期变化（周期10-30天）和日变化。年变化对混凝土深度的影响最大，而周期变化和日变化仅对混凝土表面产生影响。但是，对于大体积薄壁混凝土结构，必须要考虑周期或者日温度变化给其带来的影响。
        三、浇筑前后降低混凝土温度的措施
        3.1降低混凝土的热值
        水化热引起的混凝土最高温度是混凝土的绝热温升和混凝土的散热性能。因此，降低混凝土的热值和浇筑温度是重要的措施。
        1）水化热量低的水泥。由于不同的矿物成分和混合材料的数量，水泥的水化热变化很大。铝酸三钙和硅酸三钙高含量水泥的水化热高于高含量水泥的水化热。为了减少水化温度的升高和体积变形，大体积混凝土不宜使用水化热高的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，大热混凝土中不宜使用中热硅酸盐水泥和低热量矿渣水泥，不宜使用早强水泥。因此，在满足混凝土设计要求的前提下，应使用低水化热水泥。黄石长江大桥承台采用矿渣水泥。日本明石海峡大桥的锚固基础连续墙是由40％中热硅酸盐水泥，40％矿渣和20％粉煤灰制成的。
        2）掺粉煤灰。可以用适量的粉煤灰代替某些水泥，以减少水化热引起的高温峰值。众所周知，粉煤灰的水化热小于水泥的水化热，在7天内约为水泥的1/3，在28天内约为水泥的1/2。加入粉煤灰以减少水泥量可以有效地减少水合热约15％（水泥量的15％）。大体积混凝土的强度通常较低，并且允许使用更多的粉煤灰。另外，优质粉煤灰需水量少，可以减少耗水量，可以减少混凝土的单位耗水量和水泥消耗量；还可以减少混凝土自生体积的收缩，有的还略微膨胀，有利于防裂。粉煤灰还可以抑制碱集料反应并防止龟裂。
        3）尝试使用最大粒径较大的粗骨料。

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应尽可能使用粗粒料，其粒度要大，颗粒形状和梯度要好。因为粒径越大，骨料的孔隙率和表面积就越小，水泥浆和混凝土的水泥用量也就越小。同时，砂子的数量不要太多，最好使用没有粘土的高等级砂子。
        4）使用减水剂。加入减水剂可有效减少水和水泥的用量，可有效降低混凝土的温度。加入高效减水剂可以制备高强度混凝土（降低水灰比和用水量），或减少水泥量，但是降低水泥量可能不经济，因为高效减水剂并不便宜。但是，通过减水剂减少水泥和水的量对于降低混凝土的温度和减少干燥收缩具有重要意义。缓凝高效减水剂的加入可以抑制水泥的水合作用，减少水合温度的升高并防止开裂。它还可以延迟水化热的释放速率并降低热峰。这种减水剂有利于提高混凝土的流动性和抗张强度，可以避免大体积的影响。
        5）使用低流动性的混凝土。只有施工技术允许，尽量使用低坍落度的混凝土，低坍落度的混凝土耗水量少，有利于降低温度，减少收缩。同时，注意强度和耐用性所允许的最小水泥用量。
        6）充分做好后期强度。利用后期强度来减少水泥用量，大体积混凝土结构往往需要较长时间来承受浇筑后的荷载，因此可以使用长期混凝土的强度。大多数大体积混凝土与粉煤灰和其他矿物掺合料混合，后者具有更好的后期强度，可以使用60d或90d强度。
        3.2降低混凝土浇筑温度
        水化热引起的大体积混凝土体积变化和环境温度的周期性变化将导致开裂。如果将混凝土的初始温度降低到一定程度，则温度差将变小，并且产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度，从而可以避免混凝土开裂。根据结构的大小和环境条件，可以考虑以下方法来减小温差：
        1.应埋入冷却水管，并通过流动冷水降低混凝土的温度。
        2.混凝土结构用绝缘材料包裹，以减少混凝土结构的温差。当今，一些大体积混凝土经常采用保温方法来避免热裂缝。外部温度越高，混凝土的浇筑温度越高。通常，当浇注温度低于16℃?18℃时，每千克水泥消耗的实际温度升值约为12℃；当浇筑温度为21℃时，每千克水泥的实际温度升值增加到16℃，并且浇筑温度的升高导致整个新混凝土温度的升高。混凝土温度的升高将加速水泥的水合反应，当浇注温度为14℃时，在最初的24小时内，水泥将在7天内产生总水化热量的43％。当浇注温度为30℃时，在最初的24小时内，水泥将在7天内产生总水化热量的62.5％。混凝土达到最高温度的时间缩短了，因此可用的散热时间减少了，这不利于降低温度。混凝土的最高温度。降低混凝土浇筑温度的常用方法如下：
        1.在低温季节应尽可能考虑混凝土的放置，特别是大体积混凝土结构。
        2.为降低物料温度，可适当增加骨料的堆垛高度，并在骨料堆上设置棚子，避免阳光直射或喷水冷却骨料。
        3.装袋的水泥仓库应通风，以使仓库温度降至最低。同时，有必要避免散装水泥的温度过高。
        4.与冷却水混合，冷却水吸的热量约为水泥和骨料的4—5倍。因此，与冷却水混合可以有效地降低混凝土的温度。用冰代替部分水混合的混凝土是降低混凝土浇筑温度的常用方法。但是，在混合之前冰都应该融化，以确保混合时冷凝液质量的均匀性。
        5.尽量避免吸收外部温度，搅拌车的抽水管，运输工具，搅拌桶最好用麻袋包好并用水冷却。同时利用模板遮蔽混凝土外表面，避免阳光直射或水固化。同时，要注意控制混凝土室内温度。
        3.3合理的块层浇筑
        结构的水平尺寸越大，约束越大。大体积混凝土结构通常根据搅拌能力和浇筑能力分为几个块来浇筑混凝土。分成块时，应注意截面的突然变化。两个不同区域的温度变化和干燥收缩率是不同的，并且在区域变化时会受到限制。块状和层状浇筑有利于降低混凝土的最高温度以及内部和外部之间的温差以及约束。根据设计要求的完整性，结构的形式和尺寸，钢筋的密度，混凝土的等级和供应量，可以采用以下方法：
        1.综合分层法
        在整个浇筑体中，混凝土是逐层连续浇筑的，在混凝土开始凝固之前直至浇筑结束之前，必须在每层之间的搭接处进行浇筑和夯实。此方法适用于结构的平面尺寸不是很大的工程。浇注和夯实操作可以从短边开始，然后沿长边前进。如果工作面较大，则也可以同时从中间向两端展开或从两端向中间前进，同时将其分为两个部分。
        2.分段分层方法
        该方法适用于楼板结构的大体积混凝土浇筑。其厚度不应太大，但面积或长度应属于较大的混凝土结构。混凝土的浇筑从底层开始。一定距离后，将第二层倒回，然后依次将以上各层向前倒。
        3.倾斜平面分层方法
        在结构的长度大于厚度的3倍的情况下，适用于在倾斜平面上浇筑混凝土的方法。振动操作应从浇筑层的下端开始，然后逐层向上移动，以确保混凝土浇筑的质量。
        3.4.铺设冷却水管
        用连续的冷水埋入水管可以降低混凝土的温度，也可以将混凝土块冷却至稳定的体积。冷却水可以用河水，浇注开始时的冷却时间通常为10d至15d,通常，可以使用直径为25mm的细钢管。决定冷却效率的主要因素是管道间距，冷却水温度和循环时间。管径的影响很小。当使用河水进行冷却时，可以使用更大的管道直径或更小的管道间距。浇筑开始时，应在管道上覆盖一层混凝土后开始供水。供水时间应足以确保混凝土的第二次温升不超过第一次温升。当小体积混凝土达到最高温度并开始下降时，应停止供水，避免引起混凝土开裂的陡峭温度梯度，控制冷却速度在0.6℃左右。
        在水管系统的设计中，应注意模板的安装和拆卸，以免停止水管的冷却活动。在浇筑混凝土之前，应进行水压测试。水管系统不应泄漏。应测量混凝土中的温度和水温，并应观察冷却水的流动活性。完成后，将水管用微膨胀水泥灌浆，将水管的表面连接器移至混凝土中10cm?15cm的深度，卸下连接器后的孔可用干的微膨胀器封闭。
        3.5混凝土表面保温
        防止开裂的重要原理是使新鲜混凝土尽可能保持无水分，并在一定范围内降低温度。有必要使混凝土长时间保持湿润以避免干燥收缩，从而使混凝土能够提高强度以抵抗开裂应力。当表面可能很快变干时，必须连续并完全润湿以获得良好的表面强度。如果在固化结束时可以防止快速干燥，则蠕变会进一步降低龟裂应力。达到龄期后，可以将混凝土用湿气固化覆盖物覆盖几天，直到混凝土干燥为止，这样才能使混凝土表面缓慢干燥，有利于减少开裂。
        结束语
        大体积混凝土的养护过程中释放出的水化热会产生较大的温度变化和收缩。因此，温度和收缩应力是混凝土裂缝的主要原因。混凝土裂缝影响结构的完整性，防水性和耐久性，并危及结构的安全性。因此，在施工过程中应考虑控制混凝土裂缝。从原料，配合比，掺合料等方面提出了防裂措施。讨论温度控制措施在施工现场的效果，并提出了一些对裂缝控制的建议。
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