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摘要: 通过对大体积混凝土结构开裂原因的分析,阐明了大体积混凝土施工及温度控制措施。
关键词: 大体积混凝土;施工;质量控制
Abstract: based on the mass concrete structure analysis of the cracking reasons, and expounds the construction of mass concrete and temperature control measures.
Keywords: mass concrete; The construction; Quality control
中图分类号：TV544+.91文献标识码：A 文章编号：
1引言
近年来，大体积混凝土结构在工程领域的应用越来越多：如某些大型桥梁的承台、锚碇和某些高层建筑的基础工程等；这种工程一般要求一次性连续浇注，同时必须满足强度、刚度、抗渗和耐久性的要求，因此对其结构设计、混凝土配比设计、施工准备、施工控制和现场监控及后期养护等方面都有较高的要求，特别是严格控制过大温度应力的产生和温度裂缝的出现或把裂缝限制在某个界限内，成为此类工程施工技术的关键。本文结合许多大体积混凝土工程的实践，从分析混凝土裂缝产生的机理出发，提出了防止温度裂缝产生的施工及其他温度控制措施。
2 大体积混凝土温度裂缝产生的机理
2. 1水泥水化热的影响。由混凝土水化热产生的温度裂缝主要分为自由板收缩的水化热温
度裂缝和受基础约束产生的水化热温度裂缝两种,。
2. 1.1自由板收缩的水化热温度裂缝。水泥在水化的过程中要释放出大量的热量,并通过边界把部分热量向四周传递(散热),使混凝土历经升降温过程。在浇筑初期,混凝土的弹性模量较低,对温变引起的变形约束不大,相应的温度应力也比较小; 随着龄期的增长,混凝土彈性模量急剧增高,对降温收缩变形的约束也越来越强,并产生温度应力(拉应力) 。
2. 2外界气温变化的影响。主要体现在两方面: ①外界气温越高,混凝土的浇筑温度也越高,相应最高温值也越高; ②外界气温下降,又增加混凝土的降温幅度,特别是气温骤降,会大大增
加内、外层混凝土的温度梯度,形成“冷击”。内外温差越大,温度应力也越大。
2. 3混凝土干燥收缩变形的影响。收缩变形越大,收缩变形的分布越不均匀,产生的应力也越大。
3 温度控制的基本思路
3．1大体积混凝土温度控制的最终目标是:控制大体积混凝土结构的拉应力不超过混凝土相应龄期的抗拉强度。大体积混凝土施工的温度控制有两个基本途径: ①提高混凝土本身的抗裂性能; ②采取有效措施,以降低大体积混凝土在施工、养护过程中内部及其表面的拉应力。具体有以下几点：
①降低核心混凝土的最高温度和最高温升，一般要求≤55℃。 ②降低内外温差,并控制在允许范围内(一般要求≤25℃),使混凝土内温度分布尽量均匀; 内外温差指混凝土内部平均最高温度与表面温度之差。③控制基础温差,以防止混凝土可能出现的贯穿性裂缝; 基础温差指混凝土内平均最高温度与最终稳定温度之差.最终稳定温度取决于当地的气候条件和结构形式。④控制上下层温差,以防止可能出现的层间裂缝; 上下层温差指老混凝土表面（龄期超过28d）上、下各L/4范围内，上层混凝土最高温度与新混凝土开始浇筑时下层实际平均温度之差。⑤控制混凝土降温速率, 以防出现冷击，一般要求≤2℃/d。
3．2为确保温度控制工作有效、可靠进行,正式施工前,应在全面了解实际工程概况(结构设计、基础地质条件等) 、并取得相关资料(混凝土相关物理力学指标、环境气象资料等) 的基础上,根据初拟施工方案进行施工各阶段温度场分析及温度应力检算。并据此拟定温度控制指标值,并合理确定应采取的温度控制措施及控制方案。实际施工过程中,调整、完善温控方案,从而实现施工的信息化及大体积混凝土的防裂。
4 温度控制措施
4．1 完善构造设计,改善约束条件
4．1.1 避免设计缺陷。设计中,可在断面突变处作过渡处理,并在转角部位和过渡区设置构造抗裂钢筋。
4．1.2改善外约束条件。设计过程中,在满足结构使用要求的前提下,应充分考虑基础的约束情况,特别是岩石等强度较高的地基或桩基等刚性基础的约束。
4．2优化设计配合比,合理选择原材料
4．2.1 采用双掺技术,降低水泥用量
水泥的水化热是大体积混凝土内部温升的主要热量来源。混凝土的绝热温升值与单方水泥用量呈线性关系。因此, 工程实践中,通过优化混凝土的配合比设计,掺加适量的外加料和外加剂以改善混凝土的和易、密实特性,降低水泥用量,降低水化热温升,是大体积混凝土施
工温度控制的一项重要技术措施。
4．2.2选择中热或低热水泥品种
水泥水化热主要来自水泥矿物组合中的硫酸二钙和铝酸三钙， 要降低水化热，应首先
考虑采用硫酸二钙和铝酸三钙含量较低的水泥，如矿渣水泥、火山灰和粉煤灰水泥等。
4．2.3充分利用混凝土的后期强度
利用掺粉煤灰的混凝土后期强度仍有增长的现象，延长混凝土设计龄期，采用60天设
计强度，以相应降低28天强度等级，减少水泥用量。
4．3 优化施工工艺,加强施工管理
4．3.1 控制混凝土浇筑温度
混凝土的内部温度是水化热的绝热温升、浇筑温度和结构的散热温度等各种温度的叠加;浇筑温度越高,混凝土的内部温度值也越高。因此,施工过程中应严格控制混凝土的浇筑温度。
混凝土开拌之前,试验室要测量混凝土原材料(水、水泥、砂、石) 的温度及环境温度,专门记录,计算混凝土出机温度,并估算浇筑温度。当浇筑温度超过控制标准时,立即采取降温措施:砂石料尽量堆高并采取遮阳措施; 水泥提前进场,停滞降温;当气温高于入仓温度时,提高浇筑强度,尽量缩短混凝土运输时间和暴晒时间;混凝土输送设备用草袋覆盖,浇水降温。
4．3.2合理分层，分块浇筑
当大体积混凝土结构尺寸过大,计算证明一次性整体浇筑会产生过大温度应力,并导致开裂时,应采取合理的分层、分块浇筑方案,增设后浇带。通过分层、分块浇筑,可直接降低温度应力,避免开裂。
4．4 混凝土养护
在大体积混凝土施工温度控制中,必须充分考虑寒潮、气温年变化及气温日变化的影响,计算其温度应力,并结合内外温差控制要求,采取相应的保温措施。
在顶层混凝土开始降温时先在表面覆盖一层薄膜,不使其透风漏气、水份蒸发、散失并带走热量,以此来保持混凝土表面的温度;同时在塑料薄膜上盖以草袋,用草袋湿水来保证混凝土的湿润；气温较高时还可采取蓄水养生。采取这些措施后,可减少混凝土表面的热扩散,延长散热时间,减少混凝土中心与表面及外部环境的温差,防止温度应力大于同期混凝土抗拉强度而产生温差裂缝和表面干缩裂缝,同时也保证了水泥的水化作用在良好潮湿环境下进行,使混凝土早期抗拉强度较快上升。
4．5 温度监测
对大体积混凝土施工进行温度监控,是为了掌握混凝土内部的最高温升及中心与表面的温度差, 以便采取积极的技术措施,降低并控制混凝土内外温差,实现信息化施工。
根据大体积混凝土基础早期升温较快,后期降温较慢的特点,测温采取先频后疏的原则。主要测量混凝土入模温度、进水管口温度、各层降温水管出水管口温度、构件中心温度及混凝土表面温度。测温从混凝土浇筑后的3h左右开始,每2h 测1 次。混凝土浇筑后3～4 d, 每4h 测1 次,5～7d 每8h 测1 次,降温结束即各部位温差进入安全范围并稳定后撤除保温措施。
每天的测温数据出来后,及时对数据进行分析, 并和理论计算值相比较,绘制温度—时间曲线。现场根据测量结果随时调整冷却水管的出水流量,防止混凝土由于降温过快而出现裂缝。
参考文献:
[1] 公路桥涵施工技术规范[M]. 北京:人民交通出版社,2000.
[2] 经柏林. 荆江长江公路大桥北汊北塔大体积混凝土设计与施工[ M]. 华东公路,2002.
[3] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京:中国电力出版社,1999.
关键词: 大体积混凝土;施工;质量控制
Abstract: based on the mass concrete structure analysis of the cracking reasons, and expounds the construction of mass concrete and temperature control measures.
Keywords: mass concrete; The construction; Quality control
中图分类号：TV544+.91文献标识码：A 文章编号：
1引言
近年来，大体积混凝土结构在工程领域的应用越来越多：如某些大型桥梁的承台、锚碇和某些高层建筑的基础工程等；这种工程一般要求一次性连续浇注，同时必须满足强度、刚度、抗渗和耐久性的要求，因此对其结构设计、混凝土配比设计、施工准备、施工控制和现场监控及后期养护等方面都有较高的要求，特别是严格控制过大温度应力的产生和温度裂缝的出现或把裂缝限制在某个界限内，成为此类工程施工技术的关键。本文结合许多大体积混凝土工程的实践，从分析混凝土裂缝产生的机理出发，提出了防止温度裂缝产生的施工及其他温度控制措施。
2 大体积混凝土温度裂缝产生的机理
2. 1水泥水化热的影响。由混凝土水化热产生的温度裂缝主要分为自由板收缩的水化热温
度裂缝和受基础约束产生的水化热温度裂缝两种,。
2. 1.1自由板收缩的水化热温度裂缝。水泥在水化的过程中要释放出大量的热量,并通过边界把部分热量向四周传递(散热),使混凝土历经升降温过程。在浇筑初期,混凝土的弹性模量较低,对温变引起的变形约束不大,相应的温度应力也比较小; 随着龄期的增长,混凝土彈性模量急剧增高,对降温收缩变形的约束也越来越强,并产生温度应力(拉应力) 。
2. 2外界气温变化的影响。主要体现在两方面: ①外界气温越高,混凝土的浇筑温度也越高,相应最高温值也越高; ②外界气温下降,又增加混凝土的降温幅度,特别是气温骤降,会大大增
加内、外层混凝土的温度梯度,形成“冷击”。内外温差越大,温度应力也越大。
2. 3混凝土干燥收缩变形的影响。收缩变形越大,收缩变形的分布越不均匀,产生的应力也越大。
3 温度控制的基本思路
3．1大体积混凝土温度控制的最终目标是:控制大体积混凝土结构的拉应力不超过混凝土相应龄期的抗拉强度。大体积混凝土施工的温度控制有两个基本途径: ①提高混凝土本身的抗裂性能; ②采取有效措施,以降低大体积混凝土在施工、养护过程中内部及其表面的拉应力。具体有以下几点：
①降低核心混凝土的最高温度和最高温升，一般要求≤55℃。 ②降低内外温差,并控制在允许范围内(一般要求≤25℃),使混凝土内温度分布尽量均匀; 内外温差指混凝土内部平均最高温度与表面温度之差。③控制基础温差,以防止混凝土可能出现的贯穿性裂缝; 基础温差指混凝土内平均最高温度与最终稳定温度之差.最终稳定温度取决于当地的气候条件和结构形式。④控制上下层温差,以防止可能出现的层间裂缝; 上下层温差指老混凝土表面（龄期超过28d）上、下各L/4范围内，上层混凝土最高温度与新混凝土开始浇筑时下层实际平均温度之差。⑤控制混凝土降温速率, 以防出现冷击，一般要求≤2℃/d。
3．2为确保温度控制工作有效、可靠进行,正式施工前,应在全面了解实际工程概况(结构设计、基础地质条件等) 、并取得相关资料(混凝土相关物理力学指标、环境气象资料等) 的基础上,根据初拟施工方案进行施工各阶段温度场分析及温度应力检算。并据此拟定温度控制指标值,并合理确定应采取的温度控制措施及控制方案。实际施工过程中,调整、完善温控方案,从而实现施工的信息化及大体积混凝土的防裂。
4 温度控制措施
4．1 完善构造设计,改善约束条件
4．1.1 避免设计缺陷。设计中,可在断面突变处作过渡处理,并在转角部位和过渡区设置构造抗裂钢筋。
4．1.2改善外约束条件。设计过程中,在满足结构使用要求的前提下,应充分考虑基础的约束情况,特别是岩石等强度较高的地基或桩基等刚性基础的约束。
4．2优化设计配合比,合理选择原材料
4．2.1 采用双掺技术,降低水泥用量
水泥的水化热是大体积混凝土内部温升的主要热量来源。混凝土的绝热温升值与单方水泥用量呈线性关系。因此, 工程实践中,通过优化混凝土的配合比设计,掺加适量的外加料和外加剂以改善混凝土的和易、密实特性,降低水泥用量,降低水化热温升,是大体积混凝土施
工温度控制的一项重要技术措施。
4．2.2选择中热或低热水泥品种
水泥水化热主要来自水泥矿物组合中的硫酸二钙和铝酸三钙， 要降低水化热，应首先
考虑采用硫酸二钙和铝酸三钙含量较低的水泥，如矿渣水泥、火山灰和粉煤灰水泥等。
4．2.3充分利用混凝土的后期强度
利用掺粉煤灰的混凝土后期强度仍有增长的现象，延长混凝土设计龄期，采用60天设
计强度，以相应降低28天强度等级，减少水泥用量。
4．3 优化施工工艺,加强施工管理
4．3.1 控制混凝土浇筑温度
混凝土的内部温度是水化热的绝热温升、浇筑温度和结构的散热温度等各种温度的叠加;浇筑温度越高,混凝土的内部温度值也越高。因此,施工过程中应严格控制混凝土的浇筑温度。
混凝土开拌之前,试验室要测量混凝土原材料(水、水泥、砂、石) 的温度及环境温度,专门记录,计算混凝土出机温度,并估算浇筑温度。当浇筑温度超过控制标准时,立即采取降温措施:砂石料尽量堆高并采取遮阳措施; 水泥提前进场,停滞降温;当气温高于入仓温度时,提高浇筑强度,尽量缩短混凝土运输时间和暴晒时间;混凝土输送设备用草袋覆盖,浇水降温。
4．3.2合理分层，分块浇筑
当大体积混凝土结构尺寸过大,计算证明一次性整体浇筑会产生过大温度应力,并导致开裂时,应采取合理的分层、分块浇筑方案,增设后浇带。通过分层、分块浇筑,可直接降低温度应力,避免开裂。
4．4 混凝土养护
在大体积混凝土施工温度控制中,必须充分考虑寒潮、气温年变化及气温日变化的影响,计算其温度应力,并结合内外温差控制要求,采取相应的保温措施。
在顶层混凝土开始降温时先在表面覆盖一层薄膜,不使其透风漏气、水份蒸发、散失并带走热量,以此来保持混凝土表面的温度;同时在塑料薄膜上盖以草袋,用草袋湿水来保证混凝土的湿润；气温较高时还可采取蓄水养生。采取这些措施后,可减少混凝土表面的热扩散,延长散热时间,减少混凝土中心与表面及外部环境的温差,防止温度应力大于同期混凝土抗拉强度而产生温差裂缝和表面干缩裂缝,同时也保证了水泥的水化作用在良好潮湿环境下进行,使混凝土早期抗拉强度较快上升。
4．5 温度监测
对大体积混凝土施工进行温度监控,是为了掌握混凝土内部的最高温升及中心与表面的温度差, 以便采取积极的技术措施,降低并控制混凝土内外温差,实现信息化施工。
根据大体积混凝土基础早期升温较快,后期降温较慢的特点,测温采取先频后疏的原则。主要测量混凝土入模温度、进水管口温度、各层降温水管出水管口温度、构件中心温度及混凝土表面温度。测温从混凝土浇筑后的3h左右开始,每2h 测1 次。混凝土浇筑后3～4 d, 每4h 测1 次,5～7d 每8h 测1 次,降温结束即各部位温差进入安全范围并稳定后撤除保温措施。
每天的测温数据出来后,及时对数据进行分析, 并和理论计算值相比较,绘制温度—时间曲线。现场根据测量结果随时调整冷却水管的出水流量,防止混凝土由于降温过快而出现裂缝。
参考文献:
[1] 公路桥涵施工技术规范[M]. 北京:人民交通出版社,2000.
[2] 经柏林. 荆江长江公路大桥北汊北塔大体积混凝土设计与施工[ M]. 华东公路,2002.
[3] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京:中国电力出版社,1999.