大体积混凝土温度裂缝裂缝控制Word文档格式.docx
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在大体积混凝土工程施工中，由于水泥水化热引起混凝土内部温度和温度应力剧烈变化，从而导致混凝土发生裂缝。
因此，控制混凝土浇筑块体因水化热引起的温升、混凝土块体的内外温差及降温速度，是防止混凝土出现有害温度裂缝的关键。
自上世纪初开始，有关大体积混凝土防裂问题就得到研究。
美国通过箭石坝、胡佛坝等大坝的建设对大体积混凝土进行了全面的研究，在上世纪60年代就得到了一套比较定型的大体积混凝土设计、施工模式。
即①采用低热水泥或一部分用活性掺合料；
②降低水泥含量以减少总的水化热量；
③限制浇筑层厚度和最短的浇筑间歇期；
④采用人工冷却混凝土组成材料的方法来降低混凝土的浇筑温度；
⑤在混凝土浇筑以后，采用预埋冷却水管，通循环水来降低混凝土的水化热温升；
⑥保护新浇混凝土的暴露面，以防止突然的降温，在极端寒冷地区，掩盖在棚内进行人工加热。
在酷热季节，采用棚盖来防止新浇混凝土暴露面避免日光直射，并同时用喷雾的办法来防止混凝土过早的凝结和干燥，要求在各种条件下，混凝土的养护至少在14d以上，此外，还采用浇筑层厚与间歇期随不同浇筑温度而变化的浇筑办法。
前苏联在1977年修建托克托古尔电站也形成发展了一套行之有效的大体积混凝土温控防裂措施，即托克托古尔法。
我国在修建丹江口工程时，提出了防裂措施，一是严格控制基础允许温差，新老混凝土上下层温差和内外温差；
三是严格执行新浇混凝土的表面保护；
三是提高混凝土的抗裂能力。
由水利工程中总结出来的大体积混凝土温度裂缝控制方法和措施在建筑工程实践中也得到应用，取得了很好的效果。
根据这些工程实践，可以看到建筑工程中大体积混凝土的温度裂缝控制要在设计、施工和检测三个方面采取一系列的技术措施。
设计控制措施
尽可能选用强度等级低的混凝土，充分利用后期强度。
随着高层建筑和超高层建筑的不断出现，大体积混凝土的强度日益增大，出现C40-C50等高强混凝土，设计强度过高，水泥用量大，水化热量高。
而高层建筑的建设周期长，在混凝土的早龄期，荷载远未达到设计荷载值，可以利用混凝土的60d或90d后期强度，这样可以减少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土浇筑块体的温度升高。
采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值，可以使混凝土浇筑后的内外温差和降温速度控制的难度降低，也可降低保温养护的费用。
用于大体积混凝土的强度在C25-C35的范围内选用，水泥用量最好不超过380kg/m3。
施工控制措施
合理选择原材料、优化混凝土配合比。
按照混凝土设计强度要求合理选择原材料、优化混凝土配合比使混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、线膨胀系数较小。
具体是：
采用低水化热、高强度水泥，以降低水泥水化热，提高混凝土的抗裂能力。
所用的水泥应进行水化热测定，水泥水化热测定按现行国家标准《水泥水化热实验方法》测定，要求配制混凝土所用水泥7d的水化热不大于25kJ/kg；
采用导热性好、线膨胀系数小、级配合理的骨料，减少混凝土温度应力。
根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径。
选择合理的最大粒径，尽可能选用较大的粒径。
例如5-40mm粒径可比5-25mm粒径的碎石或卵石混凝土可减少用水量6-8kg/m3，降低水泥用量15kg/m3，因而减少泌水收缩和水化热。
要优先选用天然连续级配的粗集料，使混凝土具有较好的可泵性，减少用水量、水泥用量，进而减少水化热。
细集料以采用级配良好的中砂为宜。
实践证明：
采用细度模数2.8的中砂比采用细度模数2.3的中砂可减少用水量20-25kg/m3，可降低水泥用量28-35kg/m3，因而降低了水泥水化热、混凝土温升和收缩；
优化混凝土的配合比，以便在保证混凝土强度及流动度条件下，尽量节省水泥、降低混凝土绝热温升。
按照基于绝热温升控制的绿色高性能混凝土配合比优化设计四功能准则对配合比进行优化；
掺用混合材料以减少用水量、节约水泥，降低混凝土的绝热温升，提高混凝土的抗裂能力；
掺用外加剂减缓水化热的发生速率。
外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。
混凝土中掺入水泥重量0.25%的木钙减水剂，不仅使混凝土工作性能有了明显的改善，同时又减少10%拌和用水且节约10%左右的水泥，从而降低了水化热。
一般泵送混凝土为了延缓凝结时间，要加缓凝剂，反之凝结时间过早，将影响混凝土浇筑面的粘结，易出现层间缝隙，使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。
为了防止混凝土的初始裂缝，宜加膨胀剂。
但膨胀剂的选取需要注意。
监测措施
大体积混凝土温度控制的测试内容：
混凝土绝热温升的测试，混凝土绝热温升的测试有两种方法，间接法和直接法。
间接法是用水泥的水化热、水泥用量、混凝土比热、混凝土密度来计算混凝土绝热温升。
直接法是用混凝土绝热温升实验仪直接测定混凝土绝热温升。
直接法测定结果准确，但是实验设备和实验过程比较复杂，一般用于大型工程中。
中小型工程常不具备这种条件，一般用间接法即可满足要求；
混凝土浇筑温度的监测，监测混凝土浇筑时的温度，保证浇筑温度不要超过控制标准，以便控制混凝土浇筑后的温度升高峰值。
同时也包括对混凝土搅拌、运输过程中温度的监测和混凝土原材料温度的监测；
养护过程中的温度监测一般监测浇筑后大体积混凝土内部的温度和环境气温的变化情况，用来控制混凝土的降温速度和内外部温差，也可用来进一步计算混凝土中的温度应力，确定混凝土的抗拉强度是否大于此时混凝土中产生的拉应力，保证对裂缝的控制。
这些监测结果能及时反馈现场大体积混凝土浇筑块内温度变化的实际情况，以及所采用的施工技术措施的效果，为工程技术人员及时采取温控对策提供科学依据。
三、结论
大体积混凝土刚度较大，一般没有强度的问题，但由于它往往属于地下隐蔽工程，裂缝的存在将严重影响其正常使用，其中温度裂缝是施工过程中产生的主要裂缝。
本文对大体积混凝土温度裂缝的控制问题进行了探讨，取得了较好的效果。
大体积混凝土结构一次性整体浇筑温度裂缝控制工法
（JSGF01-2002）
1、适用范围
适用于高层建筑的片筏基础或箱形基础、大型设备基础、人防及地下建筑、地铁车站、大型公共建筑的基础底板，桩基础的承台，高层建筑转换层结构，悬索桥锚碇基础底板等大体积混凝土结构。
2、工艺原理
2.1研究表明：
有限单元法是计算混凝土结构温度和收缩应力最为有效的方法，但其计算结果的正确性取决于计算程序能否有限元软件由于对影响温度应力的诸因素。
现有大量的有限元软件由于对影响温度应力的几个主要因素未能很好地考虑，计算温度应力有时大到令人难以信服的程度，与试验实测结果也不吻合。
我们研制的钢筋混凝土非线性有限程序，能全面地考虑影响混凝土结构温度与温度应力诸因素，自动追踪裂缝的发生与发展并计算裂缝的开展宽度，已应用于多项大型工程，1996年6月在湖北宜昌由长江三峡开发总公司组织的有限元软件考核会上，计算结果受到一致好评，列参加考核单位之首。
2.2有限元仿真分析只是一个手段，计算结果是否合理、正确，关键取决于输入的基本参数。
影响混凝土结构温度裂缝的因素很多，诸如混凝土的热学、力学参数，弹性模量，约束强弱，绝热温升，徐变及松驰系数、收缩变形，保温性能，养护条件等，理论上讲，这些参数应该根据具体工程的实际情况由实际情况由试验确定，但实际上除少数大型工程有条件进行试验研究外，绝大数中、小型工程都不进行试验研究，必要时参考类似工程按常规取用，但很难与实际情况相符。
我们根据大量试验研究成果，在优化的基础上提出了根据混凝土材料组成及设计参数估算大体积混凝土绝热温升、导热系数、导温系数、徐变及应力松驰系数、弹性模量、极限拉应变等的计算公式，已纳入《水工混凝土结构设计规范》（DL/T5057-1996）。
建筑工程大体积混凝土有一定的特殊性，应用时需作适当修正。
2.3由于大体积混凝土结构温度裂缝与骨料品种、配合比、外加剂掺合料、浇筑温度、浇筑顺序、外界气温、保温措施、养护条件等直接有关，施工过程中存在很多的不定性，理论计算很难完全反映实际情况，因此必须进行工程实时监控。
温度实测常见的方法有：
一是预留测温孔，用玻璃温度计测量，该法精度差，操作不便，技术含量太低；
二是采用便携式建筑电子测温仪进行测量，该法数字显示温度，准确直观快捷，体积小，性能好，操作简单，携带方便，但只能逐点检测，无法实现自动化监控；
三是采用热电阻、热电偶等原件进行测量，既可现场逐点测量，也可将斥温点引至中控室实现集中测量，但每个测点需一根引线，成本太高，尤其是当测点较多的对施工干扰大，出现故障后很难修复。
我们采用美国达拉斯生产的BS18B20作为测温原件，采用温度巡检仪进行自支监测，计算机及时进行处理反馈。
由于该法采用网络总线布置方式，一根总线可连接96个测点，不仅节导线，降低成本，更重要的是方便施工，实现实时监控，提高技术含量。
3、工艺流程
工艺流程详见图1。
4、操作要点
4.1成立联合攻关小组
由于大体积混凝土温度裂缝控制是一个系统工程，涉及到方方面面，且需一定的时间进行相关的工作，因此，在混凝土浇筑前2-3个月前就应成立由施工单位、监理单位、混凝土供应商、外加剂供应商、温控监测单位等组砀联合攻关小组，加强领导，各怀其职，定期碰头，沟通协调。
4.2合理选择材料品种
4.2.1水泥最好选用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥等，当有充分论证（主要指最好混凝土发热量较低）时也可采用其它品种的水泥。
4.2.2粗骨料最好选用温度线膨胀系数较小的石灰岩骨料，形状以碎石为佳，粒径尽量大一些，在5-40mm左右。
4.2.3细骨料采用含泥量较低的中粗砂，细度模数为2.5-3.2，含泥量小于1%。
4.3优人混凝土配合比
4.3.1采用泵送商品混凝土浇筑，施工单位只需提出以下原则性要求，具体配合比由商品混凝土供应商和外加剂供应商共同进行试配并优化，但需符合现行相关规范要求。
4.3.2混凝土强度等级按设计要求即可，不宜超强，否则对温对控不利，而且要尽可能利用后期强度，例如56天强度等等。
4.3.3混凝土的水灰比宜在0.4-0.6，砂率含量在40%左右，初凝时间在12-20小时，坍落度在12-16cm。
4.3.4为了降低水化热，应掺加优质粉煤灰等添加料，掺量≥20%，尽可能采用超量取代。
4.3.5为了达到上述必能必须掺加抗裂、防渗、减小等外加剂，具体品种和掺量由中标外加剂供应商试配确定。
4.4混凝土水化热试验
4.4.1大体积混凝土水泥化发热量是温度裂缝控制最关键的一个参烽，因此，在进行配合比试验时必须同时进行水化热试硷研究。
4.4.2胶凝材料的水化热试验必须进行，并测量3天、7天、14天、28天的发热量。
7天的水化热不宜大于250kj/kg。
4.4.3有条件时应尽可能进行混凝土的水化热试验，避免由胶凝材料的水化热推算混凝土水化热带来的误差，以提高试验的精度。
4.5初步拟定施工方案
4.5.1浇筑方案可根据结构平面布置、商品混凝土供应等具体情况，选择以下三种方式。
4.5.1.1全面分层：
在整个结构平面内全面分层浇筑混凝土，并保证第一层浇完后回来浇筑第二层时，第一层浇筑的混凝土还未初凝，如此逐层进行，直至浇筑结束。
该方案适用于结构平面尺寸不太大的情况，施工时沿短边开始，沿长边进行。
必要时也要分两段，从中间向两端或从两段向中间同时进行。
4.5.1.2分段分层：
适用于厚度不太大而面积和长度较大的结构。
混凝土从底层开始浇筑，进行一段距离后回来浇筑第二层，如此依次向前浇筑以上各分层。
4.5.1.3斜面分层：
适用于结构长度超过厚度的三倍。
振捣工作应从浇筑层的下端开始，逐渐上移，以保证混凝土施工质量。
4.5.1.4分层的厚度决定于振捣器的棒长和振捣力的大小，以及混凝土供应量的大小，一般为30-50cm。
4.5.2混凝土泵和搅拌运输车的台数可根据混凝土工程量的大小以及预计的浇筑时间来确定。
4.5.2.1混凝土工程量根据实际情况确定，预期的浇筑时间可由当地商混凝土供应能力来确定，例如南京市商混凝土供应能力可取100方立米小时左右。
4.5.2.2混凝土泵的台数根据混凝土总方量、预计浇筑时间以及混凝土泵单机的实际平均输出量按下式计算：
N1=Q/（Q1×
T）
式中N1棗混凝土泵的数量（台）；
Q棗混凝土浇筑的总方量（m3）；
Q1棗每台混凝土泵的实际平均输出量（m3h）"
T棗预计浇筑时间（h）
4.5.2.3混凝土泵实际平均输出量，可根据混凝土泵的最大输出量、配管情况和作业效率等按下式计算：
Q=Qmax*a1?
式中Q1棗每台混凝土泵的实际平均输出量（m3h）；
Qmax棗每台混凝土泵的最大输出量（m3h）；
a1棗配管条件系数，可取0.8-0.9；
?
棗作业效率，可根据混凝土搅拌车向混凝土泵供料的间隙时间、拆装混凝土输送管和布料停歇等情况最0.5-0.7。
4.5.2.4每台混凝土泵边疆作业时所需配备的混凝土搅拌运输车的台数可按下式计算：
N=Q1/60V1（60L1/S0+T1）
式中N1棗混凝土搅拌运输车台数（台）；
Q1棗每台混凝土泵的实际平均输出量（m3h）；
V1棗每台混凝土搅拌运输车容量（m3）；
S0棗混凝土搅拌运输平均运输速度（Kmh）；
L1棗混凝土搅拌运输车往返距离（Km）；
T1棗每台混凝土搅拌运输车总计停歇时间（min）；
4.5.3混凝土泵的布置。
混凝土泵的布置应考虑以下条件：
4.5.3.1混凝土泵设置处，应场地平整、坚实，具有重车行走条件。
4.5.3.2混凝土泵应尽可能靠近浇筑地点。
在使用布料杆工作时，应使浇筑部位尽可能在布料杆的工作范围内。
4.5.3.3多台混凝土泵同时浇筑时，选定的位置要使其各自承担的浇筑量接近，最好能同时浇筑时，选定的位置要使其各自承担的浇筑量接近，最好能同时浇筑完毕。
4.5.3.4混凝土泵布置的地点要有足够的场地，以保证混凝土搅拌运输车的供料、调车的方便。
4.5.3.5为便于混凝土泵、搅拌运输车的清洗，停放位置应接近排水设施，且供水、供电方便。
4.5.3.6在混凝土泵的作业范围内，不得有障碍物、高压是线，同时还要有防范高空坠物的措施。
4.5.4混凝土输送管道
混凝土输送管包括直管、弯管、锥形管、软管、管接头等。
对输送管道的要求是阻力小、耐磨损、自重轻、易装拆。
4.5.4.1直管：
常用的管径有15、30、45、60和90，其曲率半径有1.5、0.5、2.0、3.0和4.0m五种，壁厚一般为1.6~2.0mm，由焊接钢管和无缝钢管制成。
4.5.4.2弯管：
弯管的弯曲角度有15、30、45、60和90，其曲率半径有1.5、0.5、和0.3m三种，以及与直管相应的口径。
4.5.4.3锥形管：
主要是用于不同管径的变换处，常用的有φ175-φ150、φ150-φ125、φ125-φ100mm。
常用的长度为1m。
4.5.4.4软管：
软管的作用主要是装在输送管未端直接布料，其长度有5-8m，对它的要求是柔软、轻便和耐用，便于人工搬动。
4.5.4.5管接头：
主要是用于管子之间的连接，以便快速装拆和及时处理堵管部位。
4.5.5输送管道设计要点
4.5.5.1混凝土输送管应根据工程和施工场地特点、混凝土浇筑方案进行配管，应尽可能缩短管线长度。
为减少压力损失，少用弯管和软管。
输送管的铺设应保证安全施工，便于管道清洗和故障排除。
4.5.5.2输送管道布置要求横平竖直。
在同一条管线中，就采用相同管径的混凝土输送管；
同时采用新、旧管段时，应将新管布置在压力较大处。
4.5.5.3混凝土输送管应根据粗骨料最大料径、输送距离等确定。
当粗骨料最大料径为40mm时，混凝土输送管最小管径为125mm。
4.5.5.4在计算泵磅能力时，通常是将混凝土输送管的各种工作状况换算成水平长度，如表1所示。
表1混凝土输送管的水平换算长度
类型单位规
格水平换算长度（m）
向上垂直管每米125mm150mm45
锥形管每根175-150mm150-125mm48
弯管每根
R=0.5m90:
R=1.0m129
软管每5-8m长的1根20
注：
1、R曲率半径。
2、弯管的弯曲角度小于90时，需将表列数值乘以该角度与90角的比值。
3、向下垂直管，其水平换算长度等于其自身长度。
4、斜向配管时，根据其水平和垂直投影长度，分别按水平、垂直配管计算。
4.5.5.5混凝土泵的最大水平输送距离可根据计算确定：
Lmax=Pmax/腜h
腜h=2/r0[K1+K2（1+t2/t1）V2?
a2]
K1=（3.00-0.01S1）?
00
K2=（4.00-0.01S1）?
式中Lmax棗混凝土泵的最大水平输送距离（m）；
Pmax棗混凝土泵的最大出口压力（Pa）；
腜h棗混凝土在水平输送管内流动每米的压力损失（Pam）；
r0棗混凝土输送管半径（m）；
K1棗粘着系数（Pa）；
K2棗速度系数（Pams）
S1棗混凝土坍落度（cm）
t2/t1棗混凝土泵分配阀切换时间与活塞推压混凝土时间之比，一般取0.3；
V2棗混凝土拌合物在输送管内的平均流速（ms）；
a2棗径向压力与轴向压力之比，对普通混凝土取0.90。
计算所得最大水平泵送距离应大于配管整体水平换算长度。
根据混凝土泵管径、最大泵距离来选择混凝土泵的型号。
4.5.5.6混凝土输送管不得直接支撑在钢筋、模板及预埋件上。
水平管要求每隔一定距离用支架、台垫、吊具等固定，以便于排除堵管、装拆和清洗管道；
垂直管宜用预埋件固定在墙和柱或楼板预留孔处。
4.5.5.7在高温炎热季节施工时，要在混凝土输送管上遮盖湿罩布或湿麻袋，以避免阳光照射，并注意每隔一定的时间洒水湿润。
4.5.5.8在严寒冬季施工时，混凝土输送管道应用保温材料包裹，以防止管内混凝土受冻，并保证混凝土的人模温度。
4.5.5.9混凝土输送管道应定期检查，特别是弯管和锥形管等部位的磨损情况，以防爆管。
4.5.6选择合理的浇筑时间
4.5.6.1大体积混凝土的浇筑时间要慎重选择，应与气象部门保持密切联系，时刻关注天气预报，在夏天应尽量避开特别炎热的天气，在冬天应尽量辟开特别寒冷的天气。
当然也不应在大雨、大雪等恶劣天气下施工。
4.5.6.2在确定开浇日期后，夏天宜在傍晚时刻开浇，冬天宜在早晨9点钟左右开浇。
4.5.7选择合理的浇筑温度
4.5.7.1除特别寒冷天气（一般应避免）时施工防止混凝土冻坏外，一般来说浇温度应尽可能低。
4.5.7.2春、秋、冬季施工时一般不采取特别的降温措施，但注意不能使用刚出炉的温度很高的水泥。
4.5.7.3夏季施工时必要时采取降温措施，例如用低温水或冰水搅拌混凝土，对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷，对骨料进行覆盖或设置遮阳装置避免日光直晒，运输工具如有条件也应搭设避阳设施，以降低混凝土的入模温度。
4.5.7.4应特别注意由于输送管道的磨擦作用引起混凝土温度的升度，一般在5度左右。
4.6初步拟定保温方案
4.6.1不管在冬季还是在夏季，保温对大体积混凝土裂缝控制均很重要。
4.6.2通常的做法是在混凝土表现覆盖一层塑料薄膜，薄膜上面盖草袋，草袋的厚度可先按常规假定，再经仿真分析计算确定，必要时再在草袋上面覆盖一层塑料彩条布，其保温保湿效果非常好。
4.6.3另外也可采用蓄水养护，尤其在夏天施工。
4.7进行数值仿真分析
4.7.1在混凝土配合比、水泥水化热及混凝土绝热温升、施工方案、保温措施已基本确定的基础上，采用有限单元法对大体积混凝土施工全过程进行仿真分析，计算任意时刻、任意部位混凝土的温度场及温度应力。
4.7.2有限元仿真分析时所用到的混凝土热学性能指标最好由试验确定，在确有困难时也可参考现有资料根据材料组成按下法确定。
4.7.2.1混凝土线热胀系数可根据粗骨料的种类依石英岩、砂岩、花岗岩、玄武岩、石灰岩顺序以次取11、10、9、8和7?
0-6/℃。
4.7.2.2混凝土导热系数可取胜10.6kj（m.h.℃）
4.7.2.3混凝土比热可取0.9kj/（kg.℃）。
4.7.3混凝土表面设有保温层时，等效放热系数βeq可按下式计算：
1
βeq=
∑hi/雐+1/β
式中hi棗第i层保温材料的厚度，m；
雐棗第i层保温材料的导热系数，按表2取用；
β棗最外层保温材料与空气接触的放热系数，当有塑料彩条布时取25-50kj/（m2.h.℃）直接向空气散热时取50-90kj/（m2.h.℃），蓄水养护时取为无穷大。
表2
保温材料的雐值[kj/（m2.h.℃）]
材料木板木屑草袋石棉毡油毛毡泡i塑料
Λi0.840.630.500.420.170.13
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