大体积混凝土热裂缝产生机理

大体积混凝土结构尺寸比较厚大，混凝土在凝结硬化过程中，水泥水化时会释放出大量水化热。由于混凝土是热的不良导体，散热很慢，会导致其在浇筑后的几天里温度大幅度上升，因此造成混凝土内外温差很大，形成温度梯度，有时可达30～60℃，这将使混凝土产生内胀外缩。根据“热胀冷缩”的原理，混凝土在升温期，体积会有所膨胀，这时混凝土不会开裂。混凝土内部温度大约在 3 天左右达到峰值，随后便进入降温阶段。混凝土在降温期体积开始收缩，然而，此时混凝土早已凝结硬化，混凝土在收缩时会受到地基、梁柱以及钢筋骨架和变形结构等的约束，表面将产生很大的拉应力。当变形产生的拉应力超过其抵抗断裂的能力时，就会引起开裂，出现宏观可见裂缝。因此，控制大体积混凝土裂缝的关键在于控制温度梯度和提高混凝土早期抗拉强度。这就要求在原材料选择、配合比设计、生产过程控制、施工工序、养护方案等多个环节上加以控制。

2 工程概况

哈尔滨香港卫视东北亚总部基地项目总建筑面积约为169600m²，由地上和地下两部分组成。地下为负两层，主要由车库及设备用房与人防构成，总建筑面积约60594 m²；地上部分由四栋商业综合体、两栋公寓式住宅和一栋写字楼构成。其中 A 栋为主体独立建筑，高度 107.6m，主楼大体积基础由基础承台和核心筒基础筏板组成，截面高度为 2000mm。该工程基础采用 C40 P8 抗渗混凝土。施工期在 8 月中旬，平均气温约 20℃。

3  混凝土配合比设计及热工计算

3.1 原材料的选择

根据大体积混凝土结构的特点，所选原材料在满足相关标准质量要求的同时，还应满足以下要求：

（1）采用水化热较低的 P·O42.5 水泥。

（2）矿物掺合料采用 S95 级矿粉和 Ⅱ 级粉煤灰。

（3）细骨料采用中砂，细度模数大于 2.3。

（4）粗骨料采用 5.0～31.5mm 连续级配的机制碎石，无碱活性。

（5）采用缓凝型泵送剂，凝结时间宜大于 24h，以使水泥缓慢水化，充分释放水化热。

（6）采用混凝土膨胀剂 UEA，其性能应满足GB/T 23439—2017《混凝土膨胀剂》的要求，用以补偿混凝土的收缩。

3.2 配合比设计

配合比设计应满足如下要求：

（1）降低水泥掺量，增加矿物掺合料用量。

（2）混凝土坍落度宜为 (180±20)mm。

（3）拌合水用量不宜大于 170kg/m³。

（4）水胶比不宜大于 0.40。

（5）砂率宜为 38%～45%。

经多次试配调整，最终确定混凝土配合比见表 1。

3.3 混凝土热工计算

该工程 8 月中旬施工，混凝土入模温度约为 25℃，现进行热工计算如下：

（1）混凝土最大绝热温升

因膨胀剂掺量比较少，可按水泥用量近似计算。    

式中：

T_(t) ——混凝土龄期为 t 时的绝热温升，℃；

W ——每立方米混凝土中胶凝材料用量，kg/m³；

Q ——胶凝材料水化热总量，kJ/kg；

C——混凝土比热容，可取 0.92～1.00kJ/(kg·℃)，此处取 0.93；

ρ ——混凝土的容重，kg/m³；

e ——为常数，取 2.718；

其中：

Q = kQ₀          (2)

式中：

Q₀ ——水泥水化热总量，此处取 335kJ/kg；

k ——不同掺量掺合料水化热调整系数。

当采用粉煤灰与矿粉双掺时，不同掺量掺合料水化热调整系数可按下式计算：

k = k₁+k₂-1       (3)

式中：

k₁ ——粉煤灰掺量对应的水化热调整系数；

k₂ ——矿渣粉掺量对应的水化热调整系数。

k₁ 和 k₂ 取值见表 2。

根据掺合料掺量，由表 2 得：k₁=0.94，k₂=0.95，求得 Q=298kJ/kg。

单方胶凝材料对应的系数 m 可按下列公式计算：

m = km₀            (4)

m₀ = AW+B       (5)

W = W_C        (6)

式中：

m₀——等效硅酸盐水泥对应的系数；

W——等效硅酸盐水泥用量，kg；

A、B——与混凝土施工入模温度相关的系数，按表 3 取内插值；当入模温度低于 10℃ 或高于 30℃ 时，按 10℃ 或 30℃ 选取；

W_C——单方其他硅酸盐水泥用量，kg；

λ——修正系数。

当使用不同品种水泥时，可按表 4 的系数换算成等效硅酸盐水泥的用量。

假设入模温度为 25℃，计算得：m=1.178，由公式 (1) 计算得混凝土各龄期绝热温升见表 5。

（2）混凝土中心计算温度

T_1(t) = T_j+T_(t) ξ_(t)          (7)

式中：

T_1(t)—— t 龄期混凝土中心计算温度，℃；

T_j——混凝土浇筑温度，℃；

ξ_(t)—— t 龄期降温系数（亦叫散热系数），查表 6。

取混凝土厚度为 2.0m，经公式 (7) 计算得各龄期混凝土内部实际最高温度，见表 7。

由表 7 可知，混凝土浇筑体在入模温度基础上温升值不大于 50℃，满足标准要求。

（3）混凝土表层（表面下 50～100mm 处）温度

混凝土浇筑体表面建议采用聚苯板蓄热保温养护，并在聚苯板下铺一层不透风的塑料薄膜。

保温材料厚度计算

式中：

δ——混凝土表面的保温层厚度，m；

h——混凝土结构的实际厚度，m；

λ₀——混凝土导热系数，W/(m·K)，此处取 2.33；

λ_i——第 i 层保温材料的导热系数，W/(m·K)，聚苯板取 0.042；

T_b——混凝土浇筑体表面温度，℃；

T_q——混凝土达到最高温度（浇筑后 3～5d）的大气平均温度，℃，取 20；

T_max——混凝土浇筑体内的最高温度，℃。

计算时可取 T_b- T_q=15～20℃，此处取 15℃，

T_max- T_b= 20～25℃，此处取 25℃；

K_b——传热系数修正值，取 1.3～2.0，查表 8。此处取 1.3。

经计算，当混凝土厚度为最大时，保温材料厚度得：δ=0.014m，故可采用 2cm 厚聚苯板覆盖，即可满足保温养护要求。

混凝土保温层的传热系数

式中：

β——混凝土保温层的传热系数，W/(m²·K)；

δ_i——各保温材料厚度，m，此处取 0.02；

λ_i——各保温材料导热系数，W/(m·K)，此处取 0.042；

β_q——空气层的传热系数，W/(m²·K)，此处取 23；

计算得：β = 1.92W/(m²·K)

1）混凝土虚厚度

h′=kλ/β        (10)

式中：

h′——混凝土虚厚度，m；

k——折减系数，取 0.667；

λ——混凝土导热系数，W/(m·K)，取 2.33。

计算得：h′=0.8 m

2）混凝土计算厚度

H=h+2h′        (11)

式中：

H——混凝土计算厚度，m；

h——混凝土实际厚度，m。

计算得：H= 3.6m

3）混凝土表层温度

式中：

T_2(t) —— t 龄期混凝土表面温度，℃；

T_q——施工期大气平均温度，取 20℃；

T_1(t) —— t 龄期混凝土中心温度，℃。

计算结果见表 9。

由表 9 计算结果可知，混凝土内外温差＜25℃，满足标准要求。

4  大体积混凝土现场测温

4.1 测温点设置

该楼大体积基础由基础承台和核心筒基础筏板组成，其中基础筏板规格 (23700×18347×2000)mm³。选择基础筏板进行测温，测温点布置如图 1 和图 2。

4.2 测温结果分析

以最具代表性的 A-4 基础中心测温点为例，其测温结果如表 10。

由表 9 和表 10 中的数据对比可见，实测结果与理论计算结果基本相符。从实测结果可以看出，中心温度 3d 和 6d 温度比计算值偏高 2～4℃，而后期温度趋于一致。估计是因为所用水泥细度较细，加快了水泥早期水化硬化速度，产生较多的水化热，从而使混凝土的温升增高。

从表 10 的数据可知，顶部温度低于底部温度，说明顶部散热速度比底部快。

从图 3 可见，水化温升在第 4 天时达到峰值，比理论预期值延后了 1 天左右。这是由于采用了缓凝型泵送剂，凝结时间大于 24h，有效地延缓了水泥水化速度，使充分释放水化热。

5  结语

（1）本工程大体积混凝土是依据 GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》进行热工计算的，其混凝土中心温度计算值与实测值基本相吻合，均满足要求。

（2）中心温度 3d 和 6d 温度的实测值比计算值偏高 2～4℃，而后期温度趋于一致。

（3）顶部温度低于底部温度，说明顶部散热速度比底部快。

（4）水化温升在第 4 天时达到峰值，比理论预期值延后了 1 天左右。

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