大体积混凝土主要质量问题的成因及影响因素.docx
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大体积混凝土主要质量问题的成因及影响因素
、大体积混凝土主要质量问题的成因及影响因素
大体积混凝土最主要可能出现的质量问题是混凝土裂缝，而裂缝产生的原因有以下几点：
1.大体积混凝土浇筑后集聚在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高，混凝土产生自内向外的膨胀，就在混凝土内部产生压应力，在外表面产生拉应力，由于此时混凝土的强度低，自有强度不足以克服拉应力即产生表面裂缝。
2.在降温阶段新浇混凝土产生收缩，但存在较强的地基或基础的约束而不能自由收缩。
升温阶段快，混凝土弹性模量低，徐变的影响大，所以降温时产生的拉应力大于升温时产生的压应力。
差值过大时，将在混凝土内部产生裂缝。
内部裂缝和外部裂缝重合形成贯穿裂缝，成为混凝土的重大质量缺陷。
3.混凝土水灰比过大，浇注后混凝土收缩量大，形成裂缝。
4.施工时振捣不密实，造成混凝土因收缩出现裂缝。
5.表面搓压时机不当、遍数不够，出现干缩裂缝。
6.混凝土初凝后养护不到位，混凝土表面出现干缩裂缝。
分析上述六类因素，其中4-6条是需要在施工过程中解决的，第4条需在搅拌混凝土时解决。
第1、2条需通过理论分析找到解决的途径。
根据前面的分析我们知道要避免1、2类的裂缝出现就是要使产生的拉应力小于同期混凝土抗拉强度的标准值，并有一定的安全系数。
而产生拉应力时因为混凝土浇注后一段时间内温度的快速上升和下降，显然控制温度的变化才能最终避免裂缝的出现。
下面我们来分析温度变化和应力的关系。
首先，我们来看应力和温度的关系，混凝土内部的温度应力σmax
σmax＝Eα△T（1-
（1）/（coshβL/2））H（t,τ）………
（1）
式中：
E——混凝土的弹性模量（N/mm2）
α——混凝土的线膨胀系数（10-5/℃）
△T——温差（℃）指混凝土内部温度与表面温度之差。
L——板长（mm）β＝Cx／HE
H——板厚（mm）H＞0.2L时，取H＝0.2LCx——地基水平阻力系数（N/mm3）
H（t，τ）…考虑徐变后的混凝土松驰系数，其中，t——产生约束应力时的龄期，τ——约束应力延续时间。
注意同期内降温阶段由于混凝土收缩引起的应力应转化为当量温差，计入△T一并计算σmax。
分析
（1）式，针对一个特定的项目式中E、cosh、β、L、H均为固定值，对应力影响最大的就是△T，即温差。
而且是正比关系，也就是温差越大应力越大，越容易产生裂缝。
混凝土浇注完后的表面温度取决于大气温度，受工程进度及工期的影响，大气温度是我们难以选择和控制的。
下面来分析混凝土的内部温度。
混凝土浇注完后内部的最高温度是混凝土浇筑温度、实际水化热造成的温升和混凝土散热温度的总和。
根据已有的大量的测温资料显示，混凝土内部的最高温度大多发生在浇筑后的3～5天。
混凝土内部的最高温度Tmax可按下式计算：
Tmax＝T0+（WQ/Cr）ξ+（F）/（50）
（2）
式中：
T0——混凝土的浇筑温度（℃）
W——每m3混凝土中水泥的用量（kg/m3）
F——每m3混凝土中粉煤灰的用量（kg/m3）
Q——每kg水泥水化热（J/kg）
C——混凝土的比热（993.7J/Kg*K0）
r——混凝土的密度（2400kg/cm3）
ξ——不同厚度的浇筑块散热系数（见表1）
表1：
不同厚度的浇筑块散热系数
厚度（m）1.01.52.02.53.03.54.0＞4.0
ξ0.230.350.480.610.730.830.951.0
实测资料显示，上述公式的相对误差在0.1%～1.3%之间。
上述公式中的C、r、ξ（对特定的项目，厚度已确定）为固定值，要降低混凝土的内部温度就是要控制T0、W、Q、F。
通过以上分析，我们找到了导致大体积混凝土产生裂缝的各种影响因素，下面以工程实例为例分析如何控制大体积混凝土的质量。
二精心的技术措施准备工作
惠谷金色家园二期地下车库共地下6层，地上1层，是一个由电脑控制自动存、取车的机械停车库。
基础为筏式基础，底板底标高为-18m,长53.3m,宽25.8m，混凝土厚度为1.5m、强度为C40s8，混凝土浇注量为2500m3。
当时预计施工时间为9月下旬。
1.降低混凝土内部温度的措施
根据前面公式
（2）的分析我们已经知道，影响混凝土内部温度的因素主要为浇注时混凝土的入模温度、水泥的用量、水泥的水化热、粉煤灰的用量。
在7月初我们就和商品混凝土搅拌站联系，就如何控制各项参数和确保顺利施工展开多次专题讨论和磋商。
1.1降低混凝土入模温度的措施
混凝土的入模温度受原材料的温度、运输途中升温的影响。
搅拌站的砂、石均存放于室内，其温度比气温低4℃左右；
水泥和粉煤灰我们要求搅拌站提前进购，使其从出厂时的高温降至近似于大气温度；
搅拌用水当时有3种选择，一是用自来水，水温略低于大气温度。
二是用深层地下水，水温为10-13℃。
三是用深层地下水并加冰块，可以选择理想的混凝土出模温度，但该项措施要增加不少成本。
在验证其地下水的化学分析报告可以用于搅拌混凝土，再经过后面的计算选择后，我们放弃了加冰块的措施，选用深层地下水搅拌。
在7月时，混凝土的出机温度为28-29℃，到9月大气温度按平均大气温度算约降低5℃。
现场实测混凝土从搅拌站运到现场升温1-2℃，即现场浇筑温度预测为最高26℃。
1.2减少水泥的用量
减少水泥用量的方法一是使用高标号水泥。
方法二是在砼中掺加大剂量优质粉煤灰，因为粉煤灰释放的水化热极低，又能增加混凝土的和易性，以减少水泥用量，从而降低混凝土产生的水化热。
掺用粉煤灰后混凝土后期强度较高，我们征得设计单位同意将原28天龄期C40该为60天龄期C40，初步估算这样可减少水泥用量约60公斤/m3，砼因水化热升温降低约6-8℃。
1.3降低水泥的水化热
降低水泥水化热是根据选择水泥的品种来实现的。
在通常使用的水泥中，单位普通硅酸盐水泥产生的水化热最低。
对于一般工程而言，在不能额外增加费用的情况下，使用特种水泥是不合算的。
这样通过与搅拌站实验室磋商，采用天津“振兴”42.5#普通硅酸盐水泥（即525#）。
1.4降低混凝土的水灰比和延长初凝时间
前面的分析中已经提到，混凝土的水灰比大会造成混凝土的收缩量大，也是形成混凝土容易裂缝的原因。
同时，混凝土的强度高，加之用水量要少，这样混凝土的初期强度上升快，不采取措施肯定对混凝土的现场浇注增加难度，极易出现混凝土还未振捣已经初凝。
现代科技发明的各种混凝土外加剂可以帮我们解决这个难题。
在常用的几种外加剂中，搅拌站实验室用以和选定的水泥进行几轮试验，最后确定使用一种既能减少用水量又能延缓初凝时间的新型外加剂HEA，其掺量为水泥含量8%。
减少用水量必然要降低混凝土的坍落度，大体积混凝土的坍落度为11-12cm是最理想的，但本项目的现场条件决定混凝土用泵送方式是最佳的，根据现场经验泵送混凝土要求最小坍落度为14cm，综合考虑确定的坍落度为14-16cm。
通过以上技术措施的确定，搅拌站实验室多次配合比实验，确定的C40s8混凝土初步配合比为：
（Kg/m3）
水泥：
砂：
石子：
HEA：
粉煤灰：
水=324：
695：
1088：
40：
127：
180
其水灰比：
0.39，砂率39％，粉煤灰掺量占水泥用量39％。
试验结果显示，混凝土初凝时间为4小时。
根据以上使用的原材料、配合比和预估温度值采用公式
（2）可计算底板砼中心温度：
Tmax＝To+（WQ/Cr）ξ+（F）/（5O）
＝26+（324×190÷700）×0.35+127÷50=59.33℃
[采用王铁梦著《工程结构裂缝控制》提供经验公式验算上面的理论计算：
表2混凝土结构物水化热度升温（T）
壁厚
（m）
温升
T´（℃）
夏季（气温32——38℃）
（m）
温升
T´（℃）
冬季（气温+3——-5℃）
入模温度
（℃）
最高温度
（℃）
入模温度
（℃）
最高温度
（℃）
0.5
6
30-35
36-41
0.5
5
10-15
15-20
1.0
10
30-35
40-45
1.0
9
10-15
19-24
2.0
20
30-35
50-55
2.0
18
10-15
28-33
3.0
30
30-35
60-65
3.0
27
10-15
37-42
4.0
40
30-35
70-75
4.0
36
10-15
46-51
表2的基本条件是：
水泥品种，矿渣水泥；水泥标号，425号；水泥用量，275kg/m3；钢模板。
当
用其他品种水泥，标号、模板、水泥用量有变化时，将上述数值乘以如下修正系数：
Tmax=T´·k1·k2
·k3·k4。
k1、k2、k3、k4各修正系数如下表所列，加以选用。
表3修正系数表
水泥标号修正系数k1
275号0.74
325号0.86
425号1.00
525号1.13
水泥品种修正系数k2
矿渣水泥1.0
普通硅酸盐水泥1.2
水泥用量修正系数k3
k3=W/275
W为水泥用量
（kg/m3）
模板修正系数k4
钢模板1.0
木模板1.4
（其他保温模板1.4）
注：
如遇有中间状态可用插入法确定。
Tmax=T´·k1·k2·k3·k4=15×1.13×1.2×324÷275×1.4=33.55℃
混凝土中心温度=温升+浇注温度=33.55+26=59.55℃
（注：
计算中选用夏季参考值。
）]
三、施工措施
1.混凝土的保温养护措施
根据以上的温度计算底板混凝土中心最高温度约为59-60℃，按规范规定混凝土内外温度差不能超过25℃，施工中在中心达到最高温度时需保持混凝土表面温度高于35℃，而统计气温显示最低只有16℃，这样就必须对混凝土表面采取保温措施。
根据底板实际情况，如采用覆盖保温，则墙体部位伸出钢筋难以覆盖，保温材料又只能一次性使用不经济，同时需要人工浇水养护，容易出现疏忽，造成不可弥补的错误。
当时按防水施工规范底板周边外墙需和底板同时浇筑出高于底板上表面30cm的矮墙，起到了围堰的作用，同时现场可以抽取地下水，符合养护用水的条件，综合考虑决定施工中采用蓄水保温法，即混凝土浇筑完毕终凝后在表面蓄水的方法，利用水吸收混凝土的水化热升温又因水的比热大不易散热能保持升温一段时间，这样来保持混凝土表面温度从而控制表面温度与内部中心温度之差值。
我们通过理论计算来确定需要蓄水的深度为：
令混凝土中心温度与表面温度之差值为20℃（常规控制温度≯25℃），并要求在7天（视气温而定）内保持这一温差值，使混凝土具有一定的抗拉强度。
根据热交换原理，每1m3混凝土在规定时间内，内部中心温度降到表面温度时放出的热量，等于混凝土在构筑物在此养护期间散失到大气中的热量。
此时，混凝土表面所需要的热阻系数，可按下式计算：
R=XM（Tmax-Tb）·K/（700Tj+0.28W·Q（τ））（3）
式中R——混凝土表面的热阻系数（K/W）；
X——混凝土维持到指定温度的延续时间（h）；
M——混凝土构筑物的表面系数（1/m）；
Tmax——混凝土的中心温度（℃）；
Tb——混凝土的表面温度；
K——传热系数的修正值，采用“蓄水法”时可取1.3；
700——混凝土的热容量，即比热与容重之乘积（kJ/m3·Kg）；
Tj——混凝土浇注、振捣完毕开始养护时的温度（℃）
W——混凝土每m3中的水泥用量（kg）；
Q（τ）——混凝土在指定的龄期内水泥的水化热（Kj/kg）；
X=7×24=168；M=（1.5×53.3×2+1.5×28.5×2+53.3×28.5）/53.3×28.5×1.5=0.77；
Tmax-Tb=60-40=20℃
R=XM（Tmax-Tb）·K/（700Tj+0.28W·Q（τ））
=168×0.77×20×1.3/（700×26+0.28×324×190）=0.095K/W
由于热阻系数与保温材料的厚度和导热系数有关，当采用水作为保温材料时，可按下式计算混凝土的表面蓄水深度：
hs=R·λs（4）
式中hs——混凝土表面的蓄水深度（m）；
R——见公式（3）；
Λs——水的导热系数，取0.58W/m·K。
hs=R·λs=0.095×0.58=5.5cm
初步计算蓄水深度为5.5cm。
该蓄水深度假定砼内外温差为20℃，如果温差＞20℃，现场需对水进行加热，不经济。
蓄水深度可根据不同温差进行调整，根据材料的热量由其重量、比热及温度的乘积而得，蓄水深度可按下式进行调整，即
hs´=hs×Tb´/Tq（5）
式中hs´——调整后的蓄水深度（cm）；
hs——温差20度时蓄水深度（cm）；
Tb´——需要的蓄水养护温度（℃）Tb´=Tj-20；
Tq——浇注式大气平均温度（℃）；
假定到时平均气温为23℃，Tj为45℃，则
hs´=5.5×（45-20）/23=5.98cm
实际施工中将根据实测的混凝土浇筑温度、大气温度、养护水温对
（1）——（5）式进行重新计算以确定蓄水深度，在保温过程中根据测温记录对蓄水深度继续调整。
根据测温记录在混凝土中心温度与表面温度温差小于10℃时停止蓄水，混凝土改为浇水养护。
2.施工中测温措施
前面的理论计算选用的温度都是建立在假设的基础上，施工过程中需对所有假设的温度进行实测，按实测的值重新计算，根据计算结果对相应的措施进行调整。
下面是该项工程的测温计划。
浇筑时测混凝土浇筑温度（即入模温度），每两小时一次，取平均温度为入模温度；
蓄水前测各测温点的初始温度，开始养护的1-5天对各点每4小时测温一次，6-10天每8小时测一次，10-28天每12小时测一次，以后每24小时测温一次，中心温度接近常温时停止测温。
测温点的布置：
考虑底板为规则的长方体，有对称性，测温点的设置6个，其中A1位于角上距边各1M的位置，A2位于底板的中心点，A3位于底板中间距边3M的位置，A4位于地坑边混凝土厚度为4M处，每个测温点做上、中、下3个测温孔（编为A1上、A1中、A1下），3个孔间距20cm，上下孔孔底各距底板上下表面20cm，中孔孔底位于板中。
测温结果计入“测温记录表”。
测温孔采用薄壁钢管，管下口焊严，上口用木塞塞严，上口高出底板砼上表面10cm。
四、精心编制施工方案
在上面的技术措施和施工措施基本确定后，需要围绕如何保证这些措施得到有效的实施编制施工方案，并召集参与该项施工人员就方案进行讨论，定案后就方案细化，责任到人，进行必要的交底以使所有参与人员清楚自己应该做什么及如何做来保证整个施工的顺利进行。
下面是该底板施工的施工方案，已经在上面提及的措施不再重述。
1.浇注及布料方案
底板混凝土一次浇筑，为了尽可能散热，降低混凝土中心温度，整个底板分为三层浇注，每层厚500mm，从东往西浇筑，上下两层之间的浇注时间间隔不超过4个小时。
现场HBT60型混凝土输送泵每小时泵送能力为60M3，考虑浇筑速度、商品混凝土罐车的卸料速度（平均每12分钟一车，每车8M3）每小时大约40M3。
浇筑混凝土时采用4台HBT60型混凝土地泵和一台汽车泵泵送，4台（从南往北标为1#-4#）地泵都安置在西面槽边地面，两前两后错开10m的距离，便于混凝土罐车停靠。
汽车泵安置在南面槽边来回移动，重点负责底板东西两个地坑混凝土的泵送。
开始时4台泵俱从东往西浇注，第一层500mm浇注一半后，1#、3#泵继续往西，2#、4#台泵再接管回东头开始浇注第二层；1#、3#泵浇完第一层后接管回东头开始浇注第3层，为了防止本次接管时间长，会导致堵管的发生，先预接两趟从西往东的管。
泵管搭架子支撑，架子下垫脚手板搁置在底板钢筋上，管头接一截3m软管，需要时再接3m或2m直管。
现场留置备用泵一台。
混凝土浇筑量大，考虑到平时交通堵塞问题，为了保证商品混凝土的及时运输和浇筑的不间断，以及避免夜间施工扰民，施工尽可能安排在星期六或星期日白天进行，浇筑时派专人驻搅拌站督促混凝土的及时搅拌和运输。
计划浇筑时间为6：
00到22：
00。
2.准备工作
在浇注的前一天下午，做好以下各项准备工作：
确认配比：
浇筑前和混凝土搅拌站确认配合比及到场时间，混凝土罐车发车的时间间隔，防止过密时混凝土不能及时浇注，或过疏时现场混凝土分层处的接茬时间超过4小时。
机械检查：
按开盘前检查混凝土输送泵、泵管、振捣棒等机械及用具是否正常，否则维修。
检查前一工序：
浇筑前确认钢筋、模板、水电专业隐、预检等已完成，并检查钢筋垫块、模板、预埋件、水电预埋有否被破坏，否则修复后。
现场准备好塌落度试验和做试块的试模、温度计，检查测温孔是否安装牢固合格，上口是否塞严。
安排好看钢筋和模板人员，各不少于3人。
浇筑混凝土时观察模板、钢筋、预埋件、预留孔洞等有无移动、变形，随时准备修理。
人力安排上，考虑工人不能连续工作，本劳务分包准备两班人员轮流作业，另从别的劳务分包准备一班预备人员。
3.施工工艺
底板混凝土浇筑施工顺序为：
杂物清理浇水湿润布混凝土振捣刮平、搓平压光养护、测温
浇筑前掉落在防水保护层上的杂物清理干净。
防水保护层过于干燥则少量浇水湿润。
混凝土的泵送：
泵送前先泵送适量砂浆以湿润泵及泵管，以防止泵管堵塞。
混凝土的浇筑：
浇筑采用“分段定点、一个坡度、薄层浇筑、循序推进”的斜面分层浇筑法施工。
混凝土振捣采用Φ50插入式振捣器振捣，每一个振捣点的振捣时间以混凝土表面呈现浮浆和不再沉落为标准。
两个振捣点之间的距离50X50cm。
振捣器快插慢拔，插点均匀排列，逐点移动，顺序进行，不得遗漏，做到均匀振实。
振捣上层混凝土时振捣棒需插入下层混凝土10cm以上，以确保混凝土上下层紧密结合。
刮平—混凝土标高的控制：
浇筑前在墙体钢筋上弹线用塑料胶带标记，浇筑时严格按已设置的标高控制点拉线控制，用刮杠在拉线下找平砼带，依带找平整间混凝土表面，木抹子搓平前按线检查。
搓平、压光：
为了减少混凝土表面的收缩裂缝，在终凝前进行不少于4次抹压。
刮杠刮平后第一遍用木抹子搓平，搓平时墙、梁与板交接处，抹子紧贴到钢筋，顺着墙、梁的方向搓平。
第二遍用木抹子搓平前掌握好砼的硬度，不能太早，也不能太晚，先用木方拍打一遍，再用木抹子搓平。
最后一遍用铁抹子压光。
浇筑时设专人相应专业工人观察模板、钢筋、预埋件、预留孔洞测温孔等有无移动、变形或堵塞情况。
发现问题应立即处理并应在已浇筑的混凝土凝结前修正完好。
4.混凝土试验计划
过程试验
施工过程中混凝土试块的制作派专人负责，试块的制作方法严格按照试验规定执行，不得弄虚作假。
其见证试验的数量不少于1/3。
普通试块的留置：
混凝土试块在砼罐车卸料1/4—1/3期间取样制作。
外墙抗渗试块做一组；强度试块每一班组（原则上为一个流水段的墙体或顶板）做3组，为7天标养、28天标养、28天标养（备用）各一组。
见证式样：
每3组28天标养试块，作一组见证式样试块。
同条件试块：
底板做3组、地下二层一段和地下一层一段外墙、内墙、顶板各做1组。
试块装入同条件试块笼中放在与构件相同位置、相同条件养护。
同条件试块在逐日平均气温累计达600℃时作抗压试验。
试验工根据以上要求确定每次需要制作的试块数量。
不得少做或漏做。
现场配置标养箱，每一工作班组试块中7天标养、28天标养、28天标养（备用）试块在标养箱中养护。
混凝土塌落度由试验工随时抽查，不少于3车检查一次，不符合时及时通知搅拌站调整。
最终试验：
对已满60天龄期的混凝土结构工程，在结构验收前进行一次回弹试验。
5.质量标准
混凝土密实整洁，面层平整，阴阳角整齐平直，无漏浆、跑模和涨模，无烂跟、出台、冷缝、夹杂物，无蜂窝、麻面和孔洞。
强度符合设计要求。
允许偏差项目应符合下表的规定（本表按优质结构工程质量标准编制）。
项目
允许偏差
检查方法
轴线位置
基础
<10mm
尺量
标高
层高
+5mm
尺量、水准仪
截面尺寸
基础
+5mm
尺量
表面平整（2m以上）
3mm
2m靠尺、塞尺
角、线顺直
3mm
线尺
预埋设施中心线位置
预留洞
5mm
拉线、尺量
预埋管、件
3mm
五、方案实施及技术措施验证
该项施工在挖土方和做底板防水时受下雨的影响，实际施工时间为10月5日，十一期间出行车辆少，混凝土的及时运输得到保证。
整个施工基本按预定方案进行，从早上6点到晚上10点完成布混凝土，0点完成全部振捣，抹面工作持续到10月6日早上8点。
根据实际测温计算结果确定保温蓄水深度为6.5cm，从6日晚10点开始蓄水。
根据测温情况在11日蓄水撤除，改为浇水养护。
温度情况：
最高温度出现在8日夜间，各测温点中心最高温度为A168℃，A266.5℃，A367.5℃，A472℃。
此时各点与表面混凝土温度的差最高是A4点，为23℃，其它各点均低于20℃。
从测温记录看，与方案预算基本吻合，说明理论计算公式选择正确。
整个底板仅在收面最早的部位表面出现几道裂缝，但其宽小于1mm，深小于2mm，仅仅是表面皲裂，对整个底板混凝土质量没有影响。
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