大體積混凝土裂縫控制方法的研究
2006-05-17 00:00
摘 要：通過大體積混凝土溫度變化機理，給出了大體積混凝土的結構計算溫差及溫度應力計算的方法；并對溫度監(jiān)測、施工措施進行了探討。 結合工程實例，介紹了某大體積混凝土工程的裂縫控制方法。
關鍵詞：大體積混凝土；裂縫控制；溫度應力
大體積混凝土結構的截面尺寸較大，由外荷載引起裂縫的可能性很小，但水泥在水化反應中釋放的水化熱所產生的溫度變化和混凝土收縮的共同作用，會產生較大的溫度應力和收縮應力，將成為大體積混凝土結構出現裂縫的主要因素。 大體積混凝土工程的條件比較復雜，施工情況各異，加上混凝土原材料的材性差異較大，因此控制溫度變形裂縫不是單純的結構理論問題，而是涉及結構計算、構造設計、材料組成、物理力學性能及施工工藝等多學科的綜合性問題。 玉帶河畔大廈轉換層采用2.0 m厚混凝土整板結構，根據工程特點，運用裂縫控制理論，研究裂縫原因，提出了施工防治措施，效果較好。
1 工程概況
玉帶河畔大廈占地面積1386m2 ，總建筑面積21804m2 ；地下一層，地上26層，建筑總高86. 6 m；是集商業(yè)、辦公、住宅為一體的綜合性建筑。 工程結構設計選用了轉換層形式。
2 轉換層結構形式特征
轉換層結構形式：第四層頂板為一塊實心混凝土整板，將上部23層結構荷載過渡轉換到板下框架體系。 轉換層標高17. 1～19. 1 m，板厚2.0 m，轉換層面積723m2 ，板內上下各兩層設縱橫雙向Ф32mm、@200mm ×200mm 鋼筋網片； 中間又有兩層Ф22mm、@200mm ×200mm 鋼筋網片； 網片間@600mm ×600mm，設Ф22mm立筋，混凝土總量1610m3 ，混凝土采用C50的商品混凝土。 板下框架柱網尺寸： 8.6 m ×8.8 m～8.4 m ×12 m不等。 轉換板按施工組織設計分兩層澆筑， 2 m厚C50混凝土轉換板分二次澆筑，第一層先澆0. 8 m厚，等它達到90%設計強度后，再澆第二層1. 2 m厚混凝土。 結構符合規(guī)定：“結構斷面最小尺寸在0。 8 m厚以上、水化熱引起混凝土內的最高溫度與外界氣溫之差預計超過25 ℃的混凝土，稱為大體積混凝土”。 [ 1 ]11
3 大體積混凝土施工
該工程轉換層混凝土的施工在六月中旬，當地日平均溫度在21℃左右，混凝土最高溫度的峰值一般出現在混凝土澆筑后的第三天，對混凝土澆筑后的內部最高溫度與氣溫溫差要控制在25℃內，以免因溫差和混凝土的收縮產生裂縫。 我們對混凝土質量控制指標提出如下要求： (1)采用水化熱低的礦渣水泥；(2)摻入適量的Ⅰ級粉煤灰； (3)混凝土在滿足泵送要求的坍落度的前提下，最大限度控制水灰比； (4)摻AEA微膨脹劑。 由于使用的是商品混凝土，廠家采用散裝硅酸鹽水泥，而且當地當時Ⅰ級粉煤灰緊缺，無法及時提供，因此，只能滿足以上(3) 、(4)兩條要求。 這樣對解決混凝土早期溫度應力和后期收縮應力問題，并控制混凝土裂縫的產生，提出了更高的技術要求，對此采取了以下混凝土裂縫控制措施。
3.1 混凝土溫度的計算
(1)混凝土的絕熱溫升[ 1 ]14 ： T = W ×Q 0 ×(1 - e- m t ) / cr
式中： T —混凝土的絕熱溫升( ℃) ； W —每m3水泥用量， W = 530 kg； Q 0 —每千克水泥最終水化熱量( J /kg) ， 28 d的累計水化熱Q 0 = 460 240 J /kg； c —混凝土比熱容， c = 993.7 J / ( kg·K) ； r —混凝土密度， r = 2 400 kg /m3 ； t —混凝土齡期( d) ； m —常數，與水泥品種、澆筑時溫度有關。
混凝土最高絕熱溫升： T max = 530 ×460 240 / (993.7 ×2 400) = 102. 28℃
(2)混凝土中心溫度： T h = T j + T maxζ
式中： T h—混凝土中心溫度( ℃) ； T j—混凝土澆筑溫度( ℃) ； ζ—不同澆筑混凝土塊厚度的溫度系數，對1 m厚混凝土3d時ζ = 0.36。
(3)混凝土澆筑溫度： 
式中： T C —混凝土拌合溫度(它與各種材料比熱容及初溫度有關) ，按多次測量資料，有日照時拌合溫度比當時溫度高4～6 ℃，無日照時拌合溫度比當時溫度高2～3 ℃，我們按3℃計； T P —混凝土澆筑時的室外溫度，六月中旬，室外平均溫度以21 ℃計； A 1 +A 2 +A 3 —溫度損失系數[ 1 ]33。
其中混凝土裝卸時，每次為0.032 (裝車、出料二次計) ， A 1 = 0.032 ×2 = 0. 064；混凝土運輸時， A 2 =Q t (Q為6 m3 滾動式攪拌車每min溫升系數0.0042 (即- 0.0042) ，混凝土泵送不計； t為運輸時間，以min計算，從商品混凝土公司到工地約30min) ；澆筑過程中A 3 =0.003 ×60 =0.18 (每次溫度損失系數值取0.003，轉運60次)。
則混凝土內部中心溫度： 
從溫度計算得知，在混凝土澆筑后第三天內部實際溫升為66℃，比當時室外溫度( 21℃)高出45℃，必須采用相應的措施，防止大體積鋼筋混凝土板因溫差過大產生裂縫。
3.2 溫度應力計算
計算溫度應力的假定： (1)混凝土等級為C50 ，水泥用量較大， 530 kg/m3 ； (2)混凝土配筋率較高，對控制裂縫有利； (3)底模對混凝土的約束可不考慮； (4)幾何尺寸不算太大，水化熱溫升快，散熱也快。 因此，降溫與收縮的共同作用是引起混凝土開裂的主要因素。
先驗算由溫差和混凝土收縮所產生的溫度應力σmax是否超過當時厚板的極限抗拉強度Rc 。
采用公式：
式中： E —混凝土各齡期時對應的彈性模量Et = Ec (1 - e- 0。 9 t ) ( e = 2. 718自然對數的底， t - 混凝土齡期( d) ， Ec —混凝土28d時C50的彈性模量， Et = 3. 5 ×105 Mpa[ 1 ]26 ) ； a —混凝土的線膨脹系數1. 0 ×10- 5 ； L —結構長度， 本工程厚板長度L = 44 m； T —結構計算溫度： 該厚板最大絕熱溫升T max =102.26 ℃，實際溫升最高在混凝土澆筑后第三天T 3 = T max ×ζ= 102. 26 ℃ ×0。.36 = 36. 82 ℃； s —混凝土應力松弛系數[ 2 ] ； coshβ—是雙曲余弦函數，其中
H —結構厚度，本工程厚板厚度H = 0。 8， H /L = 0. 8 /44 = 0。 018 ≤ 0. 2，符合計算假設； C x —混凝土板與支承面滑動阻力系數，對竹膠模板，比較砂質土的阻力系數，取C x = 30 N /mm2。 根據以上公式代入相應數據，得σmax = 1.18MPa≤1.89MPa， 可知不會因降溫時收縮引起裂縫。
3.3 配制混凝土時，采取雙摻技術
(1)摻高效減水劑，使混凝土緩凝，要求初凝時間大于9h，以推遲水泥水化熱峰值出現，使混凝土表面溫度梯度減少；
(2)加AEA微膨脹劑(摻量為水泥用量的10% )補償混凝土收縮；
(3)保證混凝土澆筑速度，不產生人為冷縮；
(4)設加強帶，在加強帶處微膨脹劑摻量增加14%。
3.4 保溫、保濕及補償措施
根據氣象預報，擬澆筑三天后的均溫為21℃。 為防止因混凝土內外溫差超過25℃而開裂，經研究、比較，在不可能降低水泥用量、摻粉煤灰及選用礦渣水泥的條件下，采取下列措施。
(1)底模：除因模板支撐結構需要，滿鋪100mm ×50mm ×2000 mm木枋外，在木模板上滿鋪一層塑料薄膜，再鋪一層竹膠板。 在澆筑前三天，澆水濕透；
(2)在三層與轉換板之間，四周用塑料編織布圍護，使板下形成溫棚，減少空氣流動，達到保溫作用；
(3)在澆筑混凝土表面12h后，加塑料薄膜一層、麻袋二層覆蓋；
(4)設溫度測試點，在有代表性的位置設測溫點，隨時了解混凝土澆筑后(特別是第二天)開始升、降溫情況，隨時準備增、減覆蓋物；
(5)加強對混凝土的保養(yǎng)，不斷觀察混凝土保濕狀況，定時澆水保濕。
在澆筑第二層1.2 m厚混凝土3d后，混凝土內部溫度達56 ℃，更要加強保溫保濕措施。
考慮到第一層混凝土板對上面第二層溫度變形的約束，除認真控制混凝土內外溫差外，該板結構設計在1.2 m厚板下， 400 mm處，設一層Ф22mm、@200mm ×200mm的鋼筋網片，以防上層混凝土變形時拉裂下層混凝土。
3.5 溫度測試
本工程采用建筑電子測溫儀測溫。 兩次澆筑分別設了10個和7個測溫斷面，每個測溫斷面分別在上、中、下及覆蓋層下埋設測溫傳感器，在澆筑混凝土后的5d內，每2h測讀一次溫度，同時監(jiān)測氣溫。 實測結果與理論計算(中間斷面點)對比如表1，可看出，理論計算與實測數據很接近，可作為以后制定保溫保濕措施的依據。
4 結束語
在不可能摻粉煤灰和不允許減少水泥用量的條件下，運用裂縫溫度控制理論，找到影響裂縫的主要原因，采取有效措施。 。本工程轉換板C50大體積混凝土施工，經質監(jiān)部門驗收，未出現裂縫，施工質量優(yōu)良。 在結構工程的設計與施工中，對于大體積混凝土結構，為防止其產生溫度裂縫，除需要在施工前進行認真計算外，還要做到在施工過程中采取一系列有效的技術措施。 各項技術措施并不是孤立的，而是相互聯系、相互制約的，設計和施工中必須結合實際，全面考慮，合理采用，才能起到良好的效果。
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