赵正玉

(马钢利民建安责任有限公司 安徽马鞍山 243000)

大体积混凝土裂缝控制研究

赵正玉

(马钢利民建安责任有限公司 安徽马鞍山 243000)

随着建筑技术不断的提高，几乎所有的现代建筑结构都离不开大体积的混凝土构件。如何使得这些构件在固化时，不会因为释放水化热量及温度变化而导致这些建筑产生裂缝是土建科研工作者面临的重要课题。温度应力理论为基础，结合工程实例，并应用Midas/Gen软件对上述问题进行数据模拟，掌握应力峰值分布情况，对大体积混凝土裂缝控制研究有重要借鉴作用。

大体积混凝土；裂缝；应力峰值；水化热

在建筑工程中，大体积混凝土是指构件厚度大于1m的混凝土结构[1]或混凝土浇筑后，由于水泥水化热引起结构体内外温差大于25℃的建筑构件。随着建筑技术不断的不断进步，由这种温度差导致的建筑构件出现裂缝的状况逐渐引起设计和施工人员的关注[2]。究其原因是多方面因素造成的，有施工的外部环境因素，气候条件等因素，更主要的还是大体积混凝土构件的内部因素造成，如水泥的水化热释放导致构件内外温度差异使得混凝土结构收缩变形而出现裂缝。

施工初期，大型建筑构件在硬化过程中，水泥水化的同时释放出较多热量，而混凝土与周围环境的热交换较慢，所以混凝土内部的热量不断增加，使其内部温度不断升高，混凝土的体积膨胀变大。经过一段时间的水化热量释放，混凝土中的热交换过程逐渐减弱，温度较低。在一热一冷的温差变化影响下，混凝土构件会产生收缩而引起变形的发生。

1 工程实例

本工程为大型筏板基础，厚度尺寸为1.5m-2 m不等，属于大体积混凝土。整个一块筏板基础由若干条后浇带分隔开来。取图1中左上角一小块筏板基础作为研究对象，尺寸为长度为30m，宽度为22 m，厚度为2 m，局部厚度为1.5m。

图1 筏板基础大体积混凝土测温点位布置图

2 大体积混凝土内外温度应力的推算

2.1 关于温度应力及其产生的根源

2.1.1 温度应力的基本概念

正如自然界任何物质都有热胀冷缩的现象一样，混凝土构件遇到内外部温度升降的影响时也会发生变形。在若构件两端受到约束条件下，构件可以自由伸缩。此时，由于温度变化而导致的形变不会在其内部产生应力。相反，在构件两端固定条件下，温度升高时，混凝土构件膨胀无法实现，则在其内部产生压应力。同理，温度降低时，混凝土构件收缩也无法实现也会产生拉应力。这种应力在土建工程中称为温度应力。

2.1.2 探究温度应力产生的根源

水泥作为现代所有大型建筑混凝土的最重要基本材料，在与水混合时会释放出大量的热量，这正是导致建筑构件温度发生变化的主要原因。相关文献资料表明，水化放热热量大致为200kJ/kg-400kJ/kg，这些热量足以使得隔热状态下的建筑构件升温30℃-40℃，若叠加上构件本身的温度，就会使得构件内部温度升得更高。但是，这种水化热释放的周期较长，一般要几个月的时间，而且热量释放呈现递减趋势。当建筑构件规模较小时，其内部的热量比较容易传导到空气等介质中去，所以这种水化热造成的危害性就比较小[3]。

对于大型的混凝土构件，由于混凝土自身的散热能力较弱加上体积较大，热传导比较缓慢，集聚在构件体内的热量一时难以完全释放出来。在构件完工的初始阶段(一般10天左右)，构件内部温度不断升高导致其体积膨胀，随着释放热量的减少，温度升高变缓。大约过几个月后，大型的混凝土构件由于持续散热而导致其内部温度下降，从而引起收缩。由于这些大型建筑构件在温度升降的过程中会受到地基等因素的制约，在其内部就会产生压应力和拉应力。

2.2 温度应力的测算方法

一般来说，混凝土构件内部热量的释放速度与构件的结构和体积大小相关。体积越大、越厚，散热的速度就越慢[4-6]。在建筑构件的厚度大于5m的情况下，它的温度升高几乎接近于绝缘状态下的升温。

而本工程筏板基础最厚处为2 m。则采用如下算法：

2.2.1 混凝土的中心温度计算：

Tmax=Tj+Thξ

(2-1)

式中：

Tj—混凝土的浇筑温度(℃)；

Th—混凝土最终绝热温升(℃)；

(2-2)

ξ—不同浇筑厚度的温降系数；

Q—水泥水化热(kJ/kg)；

mc—每立方米混凝土中水泥用量(kg/m3)；

c—混凝土比热，c=0.96kJ/h·K；

ρ—混凝土重度，ρ=2400kg/m3。

2.2.2混凝土的表面温度计算

H=h+2h′

(2-3)

式中：

（b）You should look up the words the meanings of which are unclear.

H—混凝土计算厚度(m)；

h—混凝土实际厚度；

(2-4)

K—折减系数，K=0.666；

λc—混凝土导热系数，取λc=2.33 kN/(m·k)；

β—保温材料传热系数[W/(m2·k)]，

(2-5)

δi—第i种保温层厚度(m)；

λi—第i种保温导热系数[W/(m·k)]；

βq—空气传热系数，βq=23 W/(m·k)。

龄期τ时，计算厚度为x处时的混凝土温度Tx(τ)之间的关系，从而推导出式：

(2-6)

其中：Tx(τ)，Tq，ΔT(τ)意义分别为：在龄期为τ时，待求的建筑构件在厚度为x温度(℃)，构件所处的外部环境温度(℃)和建筑构件中心温度与外环境的温度差(℃)。

显然，当x=h′，即可求得混凝土的表面温度，按下式计算，

(2-7)

式中：

Tb(τ)——龄期τ时，建筑构件体表温度(℃)。

2.2.3大型建筑构件的温度应力计算公式

基于构件的混凝土弹性模量、温度、干缩形变、徐变等是随混凝土龄期而变化的，所以，混凝土温度应力计算只能采用增量法，把时间τ分成若干段Δτi，计算各段产生温度应力增量，然后叠加，如下式：

经计算得：该工程混凝土应力∑Δσ(τ)=0.5MPa

3 温度应力数值模拟

依据筏板基础实际结构情况，地基：48 m×34m×2.0m，筏板基础：30m×22 m×2.0m。选取一工程实物模型为某大型商场的建筑筏板基础，具体尺寸为：厚度2.0m，长度48 m，宽度34m，混凝土的初始凝固时间为5h。选用材料标准为：普通硅酸盐水泥，强度为C3，水泥初始凝固时间为5h。模拟分析计算结果如下：

3.1 温度变化分析结果

图2 应力随温度变化图

3.2 控制点的温度应力及温度变化曲线

图3 最高(低)温度应力及抗拉强度变化范围曲线

图4 温度变化曲线图

4 结论

通过对上述筏板基础施工过程的数值模拟和理论分析，以及建筑构件内部应力变化及温度变化曲线，可以看出在水化反应过程中应力变化的规律：

在浇筑大型建筑混凝土构件过程中，随着水化反应的进行，构件内部释放大量热量，导致在混凝土中心的温度应力逐渐增大。从上述结果分析可以发现，温度应力的最大值在第48 h出现，大约为3.50MPa。此时，构件内部的温度值约66.73 ℃左右。

大型建筑构件在释放水化热及自身内部升温的同时，由于存在较大温度差的原因，使得混凝土构件的地基温度有一定的上升，影响地基深度大约为1.8 m。混凝土外表面温度为47.54℃，混凝土外表面与外界大气的温差约为20.54℃。

温度升至峰值温度后，开始缓慢下降，但不同深度的混凝土温度的上升和下降速度也不一样，上表面层升降温较快，中心降温较慢。混凝土内的水化热释放过程中，由于受到构件内部结构、厚度及外界的气候、环境等因素的影响而产生一些波动，但是温度变化的趋势是不会改变的。

混凝土内部的温度分布状况是沿厚度方向的中间最高，向上向下逐渐降低，上表面层的温度与保温覆盖和浇水养护有关，同时也影响表面层的温度高低和升降温的快慢。

[1] 林一,王凯,高荣雄.大体积混凝土裂缝控制研究[J].土木工程与管理学报,2011.3

[2] 赖新亮,李涛.大体积混凝土裂缝控制研究[J].工程技术,2007.18

[3] 郑汗枝.对超长、超宽地下室底板大体积混凝土裂缝控制研究[J].四川建材,2009.5

[4] 徐国强.上海虹桥机场地铁东站大体积混凝土裂缝控制研究[J].建筑施工,2009.8

[5] 方先梅.大体积混凝土裂缝的分析及防治[J].中国西部科技,2011.10

[6] 龚剑,李宏伟.大体积混凝土施工中的裂缝控制[J].施工技术,2012.6

Study of Controling The Crack of The Mass Concrete

ZHAO Zheng-yu

with constant enhancement of construction technology, mass concrete structures are also increasingly used in modern construction； however, a lot of hydration heat will be released in the solidification process of mass concrete, resulting in a major temperature and shrinkage change. Therefore, cracking in mass concrete will occur and affect durability of the structures. This paper is based on the theory of temperature stress in mass concrete, illustrated with some engineering examples. By the application of SoftwareMidas/Gen, we have stimulated temperature stress and hydration heat of mass concrete and summed up the stress peak distribution of mass concrete, serving as a reference for cracking control study on mass concrete.

the mass concrete；crack； stress peak； heat of hydration

2014-05-18

赵正玉(1962—)，男，马钢利民建安责任有限公司，工程技术人员。

安徽省教育厅人文社科基金(SK2012B579)。

TU375.6

B

1672-9994(2014)03-0029-04