控制温度应力进而达到裂缝控制的方法

控制温度应力进而达到裂缝控制的方法 靳金强
 [摘  要]：分析了温度荷载的类型，阐明了温度荷载是引起温度裂缝的主要因素，说明了温度应力的类型，提出了控制温度应力进而达到裂缝控制的方法。
 [关键词]：大体积混凝土；温度应力；温度裂缝
  混凝土在现代工程建设中占有重要地位，一般现浇的连续墙式结构、地下构筑物以及设备基础等均容易由温度收缩应力引起裂缝的结构，通称为“大体积混凝土结构”。而今混凝土体积越来越巨大，混凝土的裂缝较为普遍，裂缝的控制在土木工程中越来越成为工程质量的关键因素。人们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中原因之一，因而在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要意义。
 1.温度荷载类型
 由于自然环境条件变化而产生的温度荷载，一般可以划分为三类，即日照温度荷载、年温温度荷载和骤然降温温度荷载。
 1.1日照温度变化
 工程结构的日照温度变化很复杂，影响因素众多，工程结构物由于日照温度变化引起的表面和内部温度变化，是一个随机变化的复杂函数，难以直接求得函数解，只能进行近似的数值解，但从工程应用的角度考虑，可以从大量的实测资料分析中得出以下结论：在结构物所在地的地理纬度、方位角，时间及地形条件确定的情况下，影响结构日照温度变化的主要因素是太阳辐射程度，气温变化和风速，如从应用角度考虑，为求得日最大表面温度，风速这个因素也可以忽略，因为当工程结构表面温度达到最大时，风速几乎接近于零。这样我们从设计控制温度荷载考虑，影响工程结构表面温度的因素，实际上可简化为只有太阳辐射和气温变化两个因素。
 1.2骤然降温温度变化
 骤然降温温度变化分为两种情况：一是工程结构物在冷空气侵袭作用下，使结构外表面迅速降温，结构物中形成内高外低的温度分布状态；二是日照降温，由于日落等因素致使结构物外表面温度迅速下降，此时结构物内表面温度几乎没有变化，形成较大的内高外低的温差状态。这两种降温温度变化，一般只须考虑气温变化和风速这两个因素，可以忽略日辐射影响。这种降温温度荷载其变化较日照温度荷载要缓慢一些，比日照温度变化作用时间长些。
 1.3年温度变化
 混凝土结构物，由年温变化引起结构物的温度变化是长期的缓慢作用，使结构物整体发生均匀的温度变化。所以，在考虑年温对结构物的影响时，均以结构物的平均温度为依据，一般以最高与最低月平均温度的变化值作为年温变化幅度。
 2. 混凝土结构开裂原因
 变形作用引起的裂缝和荷载作用引起的裂缝。根据国内外调查资料反映，由于变形引起的开裂占80%以上。这种变形作用包括温度（水化热，气温）湿度，地基变形，由于荷载引起的不足20%。在大体积混凝土浇筑初期，水泥的水化作用放出大量水化热，但由于混凝土表面散热条件好，因而温度上升较少，而混凝土内部由于散热条件差，热量散发少，内部温度上升较快，体积膨胀，导致形成温度梯度，形成内约束力，结果混凝土内部产生压应力，在表面引起拉应力，当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会在混凝土表面出现裂缝。后期水泥水化热基本释放，混凝土内部温度逐渐降温，引起混凝土冷却收缩，再加上混凝土中多余水分蒸发等引起体积收缩变形，二者由于受到基础或老混凝上的约束，导致温度拉应力。当温度应力超过混凝土抗拉强度时，会从约束面向上形成裂缝，如果温度应力足够大，可以形成贯穿结构的整体裂缝，影响结构整体使用。温度控制、防止裂缝发展，是大体积混凝土结构施工中解决的难题，对此必须采取相关技术措施。此外，混凝土浇注后，水泥与水结合发生水化作用，箱形梁构件中形成不同的温度分布，也会形成温度场。很多高层建筑多采用片筏基础或桩与筏板复合基础，其筏板又兼作地下室的基础。混凝上底板浇筑后，内部温度很高，而板表面温度较低，时常内部和表面能有几十度的温差，如此大的内外温差可能会导致温度应力大于混凝上的抗拉强度而开裂。
 3.混凝土裂缝控制
 针对该工程的 实际情况，从材料优选用，配合比优化设计，混凝土浇筑方案，养护措施及测温控制等多方面综合措施进行温度控制，以提高结构抗裂性，避免引起内外温差过大而出现裂缝。     3.1控制水泥水化热温度
 控制水泥水化热温度可以从以下几个方面着手：选用低热或中热水泥配制混凝土；使用粗骨料（例如加粉煤灰等、或加减水剂）改善和易性，降低水灰比，控制塌落度，减少水泥用量，降低水化热量；利用混凝土后期（90天、180天）强度，降低水泥用量，在基础内部预埋冷却水管，通入循环冷却水，降低混凝土水化热温度；在厚大无筋或稀筋的厚大混凝土中，掺加20%以下的块石吸热，并节省混凝土。
  3.2降低混凝土浇灌入模温度
 可以从以下几个方面降低混凝土浇灌入模温度：避开热天选择较低温季节浇筑混凝土，对现浇量小大的块体，安排在下午3点以后或夜间浇筑；夏季采用低温水或冰水拌制混凝土，对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷，或对骨料进行护盖或设置遮阳装置，降低混凝土拌和物温度；掺加缓凝型减水剂，采取薄层浇灌，利用浇筑面散热；在基础内设通风和加强通风加速热量散发；对混凝土用量大的原材料一一粗骨料采取两次预冷，即在进拌和楼前，在料仓内吹冷风进行一次风冷，进拌和楼后，又在贮罐内进行一次风冷，使各级骨料温度得到有效降低，拌和时，加冷制水掺片冰拌和，用以控制混凝土的浇筑温度；在大体积混凝土内散布安装冷却水管，混凝土浇筑后即开始通冷却水，用以控制大体积混凝土最高温度，并使大体积混凝土提前达到稳定温度。
 3.3提高混凝土极限拉伸强度
 提高混凝土极限拉伸强度的措施有：选择良好级配的粗骨料，严格控制其含泥量，加强混凝土振捣，提高混凝土的密实度和抗拉强度，减少收缩，保证施工质量；采取二次投料法，二次振捣法，浇筑后及时排除表面泌水，以提高混凝土强度；在基础内设置必要的温度配筋，在基础突然变化、转折部位，底板与墙转折处、孔洞转角及周边部位，增加斜向构造配筋，以改善应力集中；在基础与墙、地坑等接缝部位，适当增大配筋率，设暗梁，以减轻边缘效应，提高抗拉伸强度，控制混凝土裂缝开展；加强混凝土的早期养护，提高早期相应龄期的3.技术措施 　　 　　3.4 原材料选择及质量要求 　　根据本工程特点选择优质的原材料，优化混凝土配合比设计，增大骨料用量，减小砂、石中含泥量，以减小水泥和水用量，以降低混凝土水化热。
 3.1拟采用如下原材料： 　　（1）水泥 　　由于大体积混凝土厚度较大，水泥在水化过程中产生大量热量，聚集在结构内部不容易散发，使混凝土内部温度升高，因此在施工中选择水化热较低的水泥以及尽量减小单位水泥用量，有资料表明每减少单位用量10KG可降低温度1℃。
 （2）粗、细集料 　　尽可能采用粒径较大的粗骨料，可相应减少水泥用量，降低混凝土水化热，并防止混凝土干缩。 　　（3）混合料及外加剂 　　掺入的粉煤灰要符合细度、烧失量、需水量及三氧化硫含量等技术指标要求。粉煤灰不仅改善混凝土和易性，减小混凝土用水量，减小泌水和离析，提高混凝土强度，改变混凝土分子结构组织，增加混凝土密实度，同时代替部分水泥，降低了水泥用量，从而降低混凝土水化热引起的温度梯度，防止和减少温度裂缝的产生。 　　尽可能采用高效缓凝减水剂，一方面可延缓混凝土的凝结时间，它一方面可明显延缓水泥水化热释放速度，凝结时间可延长8小时以上，推迟水化热峰值出现，同时减少用水量，减小水泥用量，从而降低水化热。 　　3.2混凝土配合比的确定 　　混凝土配合比设计采用绝对体积法。以基准混凝土配合比为基础，按等稠度、等强度为原则。即用粉煤灰取代部分水泥，超量部分取代等体积的砂。
 掺入高效缓凝减水剂混凝土初凝、终凝时间应该相对长些，这样可以延长混凝土散热时间减少裂纹，由于掺入粉煤灰改善混凝土和易性，减少泌水和坍落度损失，降低水化热，有利于大体积混凝土施工。
 4.混凝土的浇筑工艺
 混凝土浇筑采用分层的浇注方案，分层厚度要适中，分步浇注到顶，簿层浇筑，先深后浅，连续浇筑，这种方法能较好适应泵送施工工艺要求，同时控制好上下层混凝土覆盖时间，在下层混凝土未初凝时进行上层混凝土浇筑，以避免混凝土冷缝出现。混凝土振捣必须密实，在不同部位用5台振动棒振捣，振捣棒快插慢拔，掌握正确振捣时间，做到不漏振不过振，提倡二次振捣。及时按标高刮平表面，用木抹子反复搓压，使其表面密实，初凝前用木抹压光，可以控制混凝土表面的龟裂，减少混凝土表面水分散失，促进混凝土养护。为防止混凝土在硬化过程中表面出现龟裂现象，要及时进行二次抹面，在初凝以后，终凝之前， 再用泥刀压光平整，使少量终凝前出现的失水沉降等塑性收缩裂纹得到消除。
 5.混凝土的养护
 在表面施工完毕后，应加强对混凝土的保养，及时用塑料薄膜覆盖混凝土表面，来封闭混凝土中多余拌和水，防止水分蒸发，以实现混凝土自身养护。终凝后覆盖蓬布和草袋，蓬布和草袋的覆盖层数应根据实测温差情况及时进行增减，使混凝土内外温差小于25℃。做好混凝土的保温和保湿，目的是减少混凝土表面热扩散，延长散热时间，减少混凝土表面温度梯度，防止表面裂缝，保证温度缓慢升降，充分发挥混凝土徐变特性，降低温度收缩应力，混凝土洒水养护不小于14天。
 6.混凝土的温度计算    6.1在大体积混凝土施工中，应充分考虑水泥水化热问题，计算混凝土的温度场温度。(计算过程省略了,需要的话可以重发)根据计算混凝土内部温度得知，在混凝土浇筑后第三天混凝土内部温升为68.9℃，比室外温度26.4℃高42.6℃。我们采取内降、外部保温法，外部保温法通常考虑增加保温层的厚度，若保温层厚度太厚以致不现实时，可考虑在混凝土内部采取降温法，埋置冷却水管，其散热效果明显，目的是减少混凝土表面的热扩散，减小混凝土表面的温度梯度，防止产生表面裂缝。在该主墩承台大体积混凝土内部水平设置两层循环“∈”型6分铁水管6根，横桥向水平间距2m。为使承台中心水化热能更有效地排出，两层分开进水口，使进出水路径缩短。根据承台内部温度和出水口的水温情况，通过控制阀对水循环进行调节，控制承台混凝土温度与外界温差在25℃以内。 　6.2对大体积混凝土应及时掌握混凝土温度变化规律，首先安装测温监控点，在浇筑混凝土前进行埋设，在有代表性地方共设3处，每处设上中下3点，下点在底板向上20cm，上点在顶板向下20cm，中间点，对每处每点进行编号，对温度测温线绑扎在钢筋骨架上，温度传感探头避免接触钢筋。为了便于操作和防潮湿，将露在外面的导线和插头用塑料袋包裹好，测温时将测温线插头插入主机插座中，按下电源开关，主机显示屏可显示测点温度，注意插头有正负极，该仪器可读出该处最大、最小、平均值。由专人按一定时间间隔使用数字式电子测温仪进行测温监控，混凝土浇筑后1～5d每2h测一次，第6～10d每4h测一次，同时测出基坑大气温度及覆盖物下温度，进出水口的水温。对各处各点温度进行记录并进行分析，决定采取对混凝土内降、还是外部保温法措施。　　
 7.结束语
 由于混凝土本身的特性，大体积混凝土温度应力和温度裂缝是不可避免的，但是，有害的裂缝是可以控制的，只要在施工过程中采取相应的措施，从各个方面入手进行有效的控制，就能减少温度裂缝的产生及发展，提高大体积混凝土的质量。
 参考文献:
 ［1］    朱伯芳人体积混凝上温度应力与温度控制.北京:人民交通出版社，1988
 ［2］    朱伯芳，王同生.水工混凝上结构的温度应力与温度控制.北京:水利电力出版，1976
 ［3］    刘兴法.混凝土结构的温度应力分析.北京：人民交通出版社，2003
 [ 4 ]《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）[S] 北京中国建筑出版社，2001 　　 [ 5 ]《高钙粉煤灰混凝土应用技术规范》（DBJ08-230-1998）[S]上海，1998 　　 [ 6 ] 叶琳昌，沈义《大体积混凝土施工》[M]北京：中国建筑出版社 ，1987 　　 [ 7 ]《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000 [S] 北京人民交通出版社，2000

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