探討混凝土施工中溫度計(jì)算與控制及裂縫形成原因和控制措施
鄭文培
摘要：本文就幾個(gè)主要受力部位在混凝土施工中的溫度計(jì)算與控制以及容易產(chǎn)生裂縫的原因進(jìn)行了分析，并從設(shè)計(jì)與施工兩方面提出裂縫的控制措施。
關(guān)鍵詞：混凝土　溫度計(jì)算與控制 裂縫分析 裂縫控制；
前言：混凝土裂縫，一直是困擾我們建筑界的一大難題�；炷�土裂縫的出現(xiàn)，有很多方面的原因，但從實(shí)踐中來(lái)看，施工不當(dāng)（包括材料的選用、施工工藝的選擇、成品的保護(hù)等）是造成混凝土出現(xiàn)裂縫的主要原因�；炷�土工程中材料的特性決定了結(jié)構(gòu)較易產(chǎn)生裂縫，相當(dāng)一部分裂縫對(duì)建筑物的受力及正常使用無(wú)太大的危害，但裂縫的存在會(huì)影響到建筑物的整體性、耐久性，會(huì)對(duì)鋼筋產(chǎn)生腐蝕，是受力使用期應(yīng)力集中的隱患，應(yīng)當(dāng)盡量在各方面給予重視，以避免裂縫的出現(xiàn)或把裂縫控制在許可的范圍之內(nèi)。
1. 混凝土溫度計(jì)算與控制（工程實(shí)例）
1.1工程概況
一高層建筑地下室底板工程用C30P8混凝土。坍落度140-160mm，共18000m3，分五塊澆筑。最多一次連續(xù)澆筑4000m3，混凝土底板厚度達(dá)1.4m。澆筑時(shí)間為3-4月份，平均氣溫23℃。
1.2配合比設(shè)計(jì)及選材
1.2.1配合比
通過(guò)試驗(yàn)，我們選用了如下配合比：
水泥：水：砂子：石子：粉煤灰：膨脹劑：減水劑=270：170：777：1073： 80：30：7.7
1.2.2選材
水泥選用普通硅酸鹽42.5水泥，減水劑采用LS-400高效緩凝減水劑，減水率18%，緩凝時(shí)間8-10h。粗骨料級(jí)配為5—31.5mm，細(xì)骨料采用中砂，粗細(xì)骨料含泥量低于規(guī)范要求。膨脹劑采用UEA。
1.2.3混凝土溫度計(jì)算
(1)混凝最終絕熱溫升
Tmax=WQ / Cρ+FA / 50
=(270×461)/(0.97×2400)+80 /50
=55.1℃
式中：Tmax——混凝最終絕熱溫升；
W——混凝土中水泥用量，kg/m3；
Q——水泥水化熱量kJ/kg
C——混凝土的比熱0.97kJ/kg•℃;
ρ——混凝土的容重2400 kg/m3；
(2)混凝土拌合物溫度
Tc=∑(T×W×C)/ ∑( W×C)
=23.6℃ （式中各符號(hào)見(jiàn)表2）
表2

材料名稱(chēng) 重量W
/kg 比熱C
/ kJ/kg•℃ W×C
/ kJ/℃ 材料溫度
/℃ T×W×C
/ kJ
水泥 270 0.84 226.8 50 11340.0
水 170 4.2 714.0 21 14994.0
砂 777 0.84 652.7 21 13706.3
石 1073 0.84 901.3 21 18927.7
粉煤灰 80 0.84 67.2 23 1545.6
UEA 30 0.84 25.2 23 579.6
合計(jì) 2584.2 61093.2

(3)混凝土出機(jī)溫度
Tm=TC—0.16（TC-Td）
=23.6-0.16×(23.6-23)=23.5℃
式中Td——攪拌樓溫度，取23.0℃
(4)混凝土澆筑溫度
Tj= Tm +（Tq-Tm）（A1+A2+A3）=23.5+(23-23.5)×(0.032×3+25×0.0042+0.003×20)
=22.7℃
式中Tq——室外溫度，取23.0℃
A1——混凝土裝卸溫度損失系數(shù)。第次取0.032，混凝土出機(jī)到澆筑共3次；
A2——混凝土運(yùn)輸時(shí)溫度損失系數(shù)。攪拌車(chē)運(yùn)輸混凝土?xí)r的溫度損失系數(shù)取0.0042，運(yùn)輸時(shí)間為25min；
A3——混凝土澆筑溫度損失系數(shù)，A3=0.003t，t為澆筑時(shí)間，取20min；
(5)混凝土內(nèi)部實(shí)際最高溫度
Tmax’=Tj+ Tmaxξ=22.7+55.1×0.68
=60.2℃
式中ξ——不同澆筑厚度的溫度系數(shù)，承臺(tái)最深厚度為3米，取0.68；
(6)混凝土結(jié)構(gòu)物表面計(jì)算溫度
Tb（τ）=Tq+4h´（H-h′）δT（τ）/H2
式中Tb（τ）——齡期為τ時(shí)，混凝土的表面溫度，℃；
Tq——齡期為τ時(shí)，大氣的平均溫度，℃；
H——混凝土的計(jì)算厚度，m，H=h+2 h′
h——混凝土的實(shí)際厚度，m；
h′——混凝土的虛厚度，m，h′=kλ/β
δT（τ）——齡期為τ時(shí)，混凝土中心溫度與外界溫度之差，℃；
k——計(jì)算折減系數(shù)，取0.666
λ——混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，取2.3w/（m•k）；
β——混凝土模板及保溫層的傳熱系數(shù)，w/（m2•K）；
β=1/（∑δi/λi+1/βq）
式中δi——各種保溫材料的厚度，m；
λi——各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)；
βq——空氣的傳熱系數(shù)，23w/（m2•K）；
本工程采用麻包袋覆蓋,
取λ=0.14
δi=0.03m
β=1/（0.03/0.14+1/23）=3.88
h′=kλ/β=(0.666×2.3)/3.88
=0.4
H=h+2 h′=3.0+2×0.4=3.8
δT（τ）=60.2-23=37.2℃
Tb（τ）=23+〔4×0.4×(3.8-0.4) ×37.2〕/3.82=37.1℃
由此混凝土的內(nèi)外溫差:60.2-37.1=23.1℃,混凝土的內(nèi)外溫差小于25℃,能滿足施工要求。
1.2.4混凝土強(qiáng)度
按規(guī)定取樣的混凝土抗壓試塊，28天強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。平均值為39.1Mpa，最大值44.2 Mpa�？�?jié)B等級(jí)均達(dá)到抗?jié)BS8要求。
通過(guò)與施工單位的大力配合，對(duì)混凝土施工各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，在混凝土澆筑完成之后，在10000m2的地下室底板上，沒(méi)有出現(xiàn)混凝土裂縫。地下室使用至今兩年多，也沒(méi)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，取得了較好的效果。
2 地下室混凝土施工中兩個(gè)特殊部位的裂縫分析
2.1大體積基礎(chǔ)混凝土板
　　國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐證明，各種大體積混凝土裂縫主要是溫度變化引起。大體積混凝土澆筑后在升溫階段由于體積大，集聚在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，這樣在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在外表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于此時(shí)混凝土的強(qiáng)度低，有可能產(chǎn)生表面裂縫。在降溫階段新澆混凝土收縮因存在較強(qiáng)的地基或基礎(chǔ)的約束而不能自由收縮。升溫階段快，混凝土彈性模量低，徐變的影響大，所以降溫時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于升溫時(shí)產(chǎn)生的壓應(yīng)力。差值過(guò)大時(shí)，將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，最后有可能形成貫穿裂縫。為解決上述二類(lèi)裂縫問(wèn)題，必須進(jìn)行合理的溫度控制。
　　混凝土溫度控制的主要目的是使因溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于同期混凝土抗拉強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值，并有一定的安全系數(shù)。為計(jì)算溫差，就要事先計(jì)算混凝土內(nèi)部的最高溫度，它是混凝土澆筑溫度、實(shí)際水化熱溫升和混凝土散熱溫度的總和。混凝土內(nèi)部的最高溫度大多發(fā)生在澆筑后的3～7天�；炷�土內(nèi)部的最高溫度Tmax可按下式計(jì)算：
　　 Tmax＝To+(WQ)/(Cr)ξ+(F)/(5O) (1)
式中：T0——混凝土的澆筑溫度(℃)
W——每m3混凝土中水泥(礦渣硅酸鹽水泥)的用量(kg/m3)
F——每m3混凝土中粉煤灰的用量(kg/m3)
Q——每kg水泥水化熱(J/kg)
C——混凝土的比熱
r——混凝土的密度
ξ——不同厚度的澆筑塊散熱系數(shù)　　
不同厚度的澆筑塊散熱系數(shù)
　厚度(m) 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ＞4.0
ξ 0.23 0.35 0.48 0.61 0.73 0.83 0.95 1.0
　實(shí)測(cè)資料顯示，當(dāng)基礎(chǔ)板厚大于2米時(shí)，上述公式的相對(duì)誤差在0.1%～1.3%之間，在計(jì)算溫差后，即可計(jì)算出降溫階段混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力σ(2)xmax
　　σxmax＝Eα△T(1-(1)/(cosh βL/2))H(t,τ).........(2)
　　式中：E——混凝土的彈性模量(N/mm2)
α——混凝土的線膨脹系數(shù)(10-5/℃)
△T——溫差(℃)
L——板長(zhǎng)(mm)
β＝Cx／HE
H——板厚(mm) H＞0.2L時(shí)，取H＝0.2L
Cx——地基水平阻力系數(shù)(N/mm3)
H(t，τ) ——考慮徐變后的混凝土松馳系數(shù)，
其中，t——產(chǎn)生約束應(yīng)力時(shí)的齡期，
τ——約束應(yīng)力延續(xù)時(shí)間。
　　注意同期內(nèi)由于混凝土收縮引起的應(yīng)力應(yīng)轉(zhuǎn)化為當(dāng)量溫差，計(jì)入△T一并計(jì)算σxmax。
　　由(1)、(2)分析可知：為避免裂縫出現(xiàn)，主要是減少△T。可采用合理選用材料，降低水泥水化熱，優(yōu)化混凝土集料的配合比，控制水灰比，減少混凝土的干縮，具體控制措施見(jiàn)后。如有可能，減少澆筑長(zhǎng)度L，增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間減少降溫速率以相應(yīng)減少松馳系數(shù)對(duì)控制貫穿裂縫也有一定的意義。
2.2 地下室混凝土墻板及樓板
　　地下室墻板的裂縫產(chǎn)生與基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因有相同之處，即混凝土在硬化過(guò)程中由于失水會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)變，在水泥水化熱產(chǎn)生的升溫達(dá)到最高點(diǎn)以后的降溫過(guò)程會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)變。但又有其特點(diǎn)：一是墻板受到基礎(chǔ)、外圍樓板受到地下室外墻的極大約束，這種約束遠(yuǎn)大于樁基對(duì)基礎(chǔ)的約束，產(chǎn)生貫穿裂縫的機(jī)率大。二是內(nèi)墻板及樓板受環(huán)境溫度影響較大。三是內(nèi)外溫差小，產(chǎn)生表面裂縫的機(jī)率小。四是養(yǎng)護(hù)困難，散熱快、降溫速率大，混凝土的松馳徐變優(yōu)勢(shì)難以利用，在氣溫驟變季節(jié)尤應(yīng)注意。
　　在計(jì)算板內(nèi)最大拉應(yīng)力時(shí)仍可利用公式(2)，但有以下幾點(diǎn)應(yīng)注意：
　　1)H取0.2L，L為整澆長(zhǎng)度；
　　2)Cx取值應(yīng)大于1.5N/mm3因?yàn)檫B接部位有較強(qiáng)鋼筋約束；
　　3)計(jì)算溫差△T時(shí)，要考慮底板及外墻(兼作圍護(hù)情況下)緊靠土體，受環(huán)境溫差小，而被它們約束的墻板及周邊樓板在施工過(guò)程中基本同外界溫度同步變化。
　　4)若底板墻板施工間隔過(guò)長(zhǎng)、外墻兼作圍護(hù)時(shí)，則在計(jì)算混凝土收縮時(shí)應(yīng)注意約束體與被約束體的收縮期不同，收縮量也不相同。
3 裂縫的控制措施
3.1 設(shè)計(jì)措施
　　1)增配構(gòu)造筋提高抗裂性能，配筋應(yīng)采用小直徑、小間距。全截面的配筋率應(yīng)在0.3%～0.5%之間。
　　2)避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中，在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施。
　　3)在易裂的邊緣部位設(shè)置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限拉伸。
4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮施工時(shí)的氣候特征，合理設(shè)置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30m，保留時(shí)間一般不小于60天。如不能預(yù)測(cè)施工時(shí)的具體條件，也可臨時(shí)根據(jù)具體情況作設(shè)計(jì)變更。
3.2 施工措施
　　1)嚴(yán)格控制混凝土原材料的質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，選用低水化熱水泥，粗細(xì)骨料的含泥量應(yīng)盡量減少(1%～1.5%以下)。
　　2)細(xì)致分析混凝土集料的配比，控制混凝土的水灰比，減少混凝土的坍落度，合理?yè)郊铀芑瘎┖蜏p少劑。
　　3)澆筑時(shí)間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時(shí)要求在沙、石堆場(chǎng)搭設(shè)簡(jiǎn)易遮陽(yáng)裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時(shí)向骨料噴冷水�；炷�土泵送時(shí)，在水平及垂直泵管上加蓋草袋，并噴冷水。
　　4)根據(jù)工程特點(diǎn)，可以利用混凝土后期強(qiáng)度，這樣可以減少用水量，減少水化熱和收縮。
　　5)加強(qiáng)混凝土的澆灌振搗，提高密實(shí)度。
　　6)混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應(yīng)下降15℃以上，混凝土的現(xiàn)場(chǎng)試塊強(qiáng)度不低于C5。
　　7)采用兩次振搗技術(shù)，改善混凝土強(qiáng)度，提高抗裂性。
　　8)根據(jù)具體工程特點(diǎn)，采用UEA補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)。
　　9)對(duì)于高強(qiáng)混凝土，應(yīng)盡量使用中熱微膨脹水泥，摻超細(xì)礦粉和膨脹劑，使用高效減水劑。通過(guò)試驗(yàn)摻入粉煤灰，摻量15%～50%。
4 結(jié)語(yǔ)
雖然現(xiàn)在混凝土裂縫控制措施越來(lái)越多，效果也越來(lái)越好，但與其事后補(bǔ)過(guò)還不如事前做好預(yù)防工作。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，總結(jié)出幾點(diǎn)預(yù)防混凝土裂縫的體會(huì)：
（1）設(shè)計(jì)單位應(yīng)該提出混凝土施工溫度控制的具體要求和混凝土施工養(yǎng)護(hù)的基本要求，確定外加劑的品種和摻量，確�；炷�土收縮與膨脹相抵消；
（2）混凝土配合比控制要嚴(yán)格，計(jì)量要準(zhǔn)確，坍落度抽檢工作要加強(qiáng)，不能流于形式；
（3）混凝土振搗要密實(shí)，拆模后須掛草簾或麻布澆水養(yǎng)護(hù)保持濕潤(rùn)狀態(tài)兩天；
（4）施工過(guò)程中應(yīng)經(jīng)常觀察模板的位移和混凝土澆搗的密實(shí)情況，不能漏振、過(guò)振，且在第一次振搗后要進(jìn)行第二次振搗；
（5）配置大體積混凝土宜使用低水化熱水泥，如礦渣水泥，此外可摻加膨脹劑，同時(shí)要采用塑料薄膜和草袋覆蓋以確�；炷�土內(nèi)外溫差小于25℃；
（6）對(duì)于商品混凝土，則要在滿足其可泵性、和易性的其那體下盡量減小出機(jī)時(shí)的塌落度、降低砂率、并嚴(yán)格控制骨料的含泥量等。
總之，只要工程參建各方認(rèn)真負(fù)責(zé)，嚴(yán)格按規(guī)定要求施工，正確選用施工材料，合理選擇施工工藝，適時(shí)做好成品保護(hù)，就能最大限度地降低混凝土裂縫的產(chǎn)生。

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