摘要：结合高层建筑大体积混凝土基础的特点，分析了高层建筑大体积混凝土基础温度裂缝产生的原因，并分别从结构设计、原材料选择及配合比优化、施工技术等3个方面提出了温度裂缝控制的主要技术措施。
关键词：高层建筑；大体积混凝土基础；温度裂缝；质量控制；技术措施
随着城市建设规模的扩大，高层建筑的数量不断增加，体量越来越大，高度越来越高。作为高层建筑或超高层建筑的基础，不论是采用筏形基础、箱形基础，还是桩基复合基础，都有较厚的钢筋混凝土底板，属于大体积混凝土结构。这种大体积混凝土结构表面系数小、混凝土强度等级高、单位体积水泥用量大、整体性要求高，其施工技术和施工组织都比一般混凝土结构复杂。由于大体积混凝土结构的截面尺寸较大，所以由外荷载引起裂缝的可能性很小，但水泥在水化反应过程中释放的水化热所产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用，会产生较大的温度应力和收缩应力，这已成为大体积混凝土结构出现裂缝的主要原因。这些裂缝往往给工程带来不同程度的危害，如何控制温度应力和温度变形裂缝的开展，一直是大体积混凝土施工中的一个重要问题。解决大体积混凝土基础施工问题，主要是防止温度裂缝的产生或把裂缝控制在某个界限内。
1 大体积混凝土温度裂缝产生的原因
1）水泥水化热的影响
大体积混凝土基础浇筑后，水泥的水化热很大，聚集在内部的水化热不容易散发，混凝土的内部温度将显著升高，而混凝土表面散热较快，这样就形成较大的内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，由于此时的混凝土抗拉强度很低，就会在其表面产生裂缝。
2）内外约束条件的影响
高层建筑基础大体积混凝土承受的温差和收缩主要是均匀温差和均匀收缩，故外部约束应力占主要地位。若大体积混凝土基础与地基浇筑在一起，当温度变化时受到下部地基的限制，因而产生外部的约束应力。混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀变形受到约束面的约束而产生压应力，此时混凝土的弹性模量很小，徐变和应力松弛大，混凝土与基层连接不太牢固，因而压应力较小。但当温度下降时，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。
3）外界气温变化的影响
大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对大体积混凝土开裂有重大影响。混凝土的内部温度是浇筑温度、水泥水化热的绝热升温和结构的散热温度等各种温度的叠加。浇筑温度与外界温度有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；如果外界温度下降，会增加混凝土的温度梯度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，因而会造成过大温差和温度应力，使大体积混凝土出现裂缝。在一些大体积混凝土基础裂缝中，有不少都与温度陡降有关。如寒潮来临、冷空气影响、暴雨袭击、保温层失效、撤除保温层时间不当等，均可导致环境温度突然下降，引起混凝土外表面与环境产生温差。由于这种温差形成的温度应力时间短，应力松弛影响小，更容易造成表面裂缝。
4）混凝土收缩变形的影响
混凝土在硬化之前处于塑性状态，如果上部混凝土的均匀沉降受到影响，如遇到钢筋或大的混凝土骨料，就容易形成一些不规则的混凝土塑性收缩性裂缝；混凝土在水泥水化过程中通常会产生一定的收缩变形。自由水蒸发完后随着混凝土的不断干燥而使吸附水逸出时，就会出现干缩收缩变形；另外，空气中的二氧化碳与混凝土中的氢氧化钙反应产生碳酸钙和水，这些结合水会蒸发而使混凝土产生碳化收缩变形。
2 温度裂缝控制的主要技术措施
2.1 设计方面的措施
1）合理配置构造钢筋
在构造设计方面进行合理配筋，对混凝土的抗裂作用显著。配置的构造筋应分布合理，即应尽可能采用小直径、小间距（一般直径6～14mm、间距100～150mm），并沿表面配制钢筋，可以提高面层抵抗表面降温的影响和干缩。对于高层建筑大体积混凝土底板，可以在其上表面（距底板顶面标高2cm 处）加铺一层细的钢丝网，从而大大增加混凝土的抗裂性能。目前，一些工程已采用此方法，并取得了很好的效果。
2）设置滑动层
基础混凝土浇筑在岩石类地基或混凝土垫层上时，会有很大的外约束而产生温度应力。若在接触面上设置滑动层，则可以大大减弱外约束，对减少温度应力将起到显著作用。滑动层的做法有涂刷两道热沥青加铺一层沥青油毡；或铺设10～20mm 厚的沥青砂；或铺设50mm 厚的砂或石屑层等；也可以在复合地基上敷设“褥垫层”或在垫层上铺设防水卷材的方法充当滑动层。
3）避免应力集中
在变截面部位、转角处等，由于温度变化和混凝土收缩，会产生应力集中而导致混凝土裂缝。为此，在变截面处要避免断面突变，通过做局部处理使断面逐渐过渡，同时增加一定量的抗裂钢筋，对防止裂缝产生有很大作用。另外，对其中薄弱部位还可以通过优化设计进行调整，如将筏形基础设计成向上反梁比设计成向下反梁抵抗温度应力要好。若筏形基础必须采用反梁时，应注意在反梁侧面设置聚苯泡沫板作为贴面，以起到缓冲水平力的作用。
4）合理分段浇筑
当基础大体积混凝土结构的平面尺寸过大，经计算整体一次浇筑会产生较大温度应力，有可能产生温度裂缝时，增设贯穿基础底板的施工后浇带进行分段浇筑，可有效地削减温度收缩应力。后浇带应设在受力和变形较小的部位，在后浇带处的板、梁钢筋贯通不断，后浇带的间距一般为20～30m，宽度可取700～1000mm。后浇带的混凝土强度应比原结构提高5～10N/mm2，浇筑时间应比先期浇筑时间延后45d。后浇带的养护时间不少于15d。
2.2 原材料选择和配合比设计方面的技术措施
2.2.1 优选混凝土原材料
1）水泥
水泥水化热是大体积混凝土的主要温度因素，因此对一般的大体积混凝土工程使用的水泥应选用水化热低和凝结时间长的矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥，以降低混凝土内部的绝热温升，避免或减少混凝土产生裂缝；而对于高层建筑大体积混凝土基础，大多埋置得较深，且均有抗渗性能的要求，因此，工程实践中多采用中低热普通硅酸盐水泥。
水泥用量也与混凝土内部的最高温升有直接的关系。大量试验资料说明，水泥用量每增减10kg，水化热就相应升降1℃。因此，为了控制混凝土温升，降低混凝土温度应力，减少温度裂缝，应在满足强度和耐久性要求的前提下，尽量减少水泥用量，严格控制每立方米混凝土水泥用量不超过400kg。
2）细骨料
大体积混凝土中用的细骨料，以采用优质的级配良好的中砂、粗砂为宜，细度模数在2.6～2.9之间。根据有关试验资料证明，当采用细度模数为2.79、平均粒径为0.381mm 的中粗砂时，比采用细度模数为2.12、平均粒径为0.336mm 的细砂，每立方米混凝土可减少水泥用量28～35kg，减少用水量20～25kg，这样就降低了混凝土的温升和减小了混凝土的收缩。砂的含泥量≤3%。
3）粗骨料
根据施工条件，尽量采用5～40mm 的碎石或卵石。当混凝土用泵输送时，最大粒径与输送泵内径之比：碎石宜小于或等于1∶3；卵石宜小于或等于1∶2.5。粗骨料粒径增大后，容易引起混凝土的离析，影响混凝土的质量，因此，进行混凝土配合比设计时，必须进行优化级配。粗骨料颗粒的形状对混凝土和易性和用水量有较大影响，因此，应将针状和片状颗粒的重量控制在15% 以内。粗骨料的含泥量≤1%。
4）外加剂
工程实践中，高层建筑基础大体积混凝土施工中掺入的外加剂主要有缓凝剂、泵送剂、减水剂和微膨胀剂等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆混凝土中掺入缓凝剂能够降低水化热和推迟温度峰值出现的时间，有利于减少混凝土内外温差引起的开裂；有利于夏季施工和连续浇筑的混凝土，防止出现混凝土施工缝。膨胀剂掺入混凝土后，能够与水泥水化产物发生化学反应，形成膨胀结晶体钙矾石和氢氧化钙等物质，使混凝土的体积产生适度膨胀，在钢筋和临位约束下，能够在混凝土结构中建立一定的预压应力，能够较好地补偿混凝土自身干缩和温度变形，提高混凝土的抗裂性能和防水性能。在大体积混凝土配合比优化设计时，通过掺入缓凝型高效减水剂，一方面可减少水的用量，从而达到减少水泥用量，实现降低水化热的目的；另一方面由于缓凝，延缓了水泥的水化放热速度和热峰值出现时间，推迟大体积混凝土的凝结硬化速度，防止在大体积混凝土早期抗拉强度较低的情况下产生裂缝。大体积混凝土由于要考虑混凝土的泵送施工、浇筑时间长、降低内部温升、推迟温峰出现时间及防止开裂等诸多要求，多种外加剂的复合使用是十分普遍的。缓凝剂与高效减水剂同时掺加时，有显著的辅助塑化作用；缓凝剂与高效减水剂复合使用时，存在协同缓凝作用。高效减水剂或缓凝剂与硫铝酸盐型膨胀剂复合使用时，都会降低膨胀剂的有效膨胀性能。当高效减水剂、缓凝剂与膨胀剂三元复合时，混凝土拌和物塑性阶段时间延长，膨胀剂的无效膨胀增多，而混凝土硬化后的有效膨胀降低，因此，要达到相同的膨胀效果，应加大膨胀剂用量。此外，需要强调的是，应通过试验来确定三者之间的匹配性，避免复合外加剂复掺产生的协同效应，引起混凝土长时间不凝、膨胀效能降低、强度下降等负面影响[4]。
5）掺和料
在大体积混凝土中，粉煤灰是使用最广泛的掺和料。在混凝土中掺入一定量的粉煤灰后，除了粉煤灰本身的火山灰活性作用，生成硅酸盐凝胶，作为胶凝材料的一部分起增强作用外，在混凝土用水量不变的条件下，由于粉煤灰颗粒呈球状并具有“滚珠效应”，可以起到显著改善混凝土和易性的作用。若保持混凝土拌和物原有的流动性不变，则可减少单位用水量，从而可提高混凝土的密实性和强度。由此可见，在混凝土中掺入适量的粉煤灰，不仅可提高混凝土的可泵性，而且还可以降低混凝土的水化热。粉煤灰对混凝土的后期强度的贡献非常明显，60～90d 的强度一般比28d 的标准强度增长20%～30%，所以掺和粉煤灰的大体积混凝土更可以从后期强度出发，来进行混凝土配合比的设计，以减少初始水泥用量，降低水化热。粉煤灰虽然可以改善大体积混凝土诸多性能，但绝对不是掺量越多越好。如果粉煤灰取代过多水泥，虽然降低了水化热，28d 强度及后期强度不降低，但会显著降低早期强度。大量的工程实践证明，当粉煤灰的掺量在20%以内时，能显著改善混凝土的各项性能。另外，由Ⅱ级粉煤灰没有明显的减水作用，加入到大体积混凝土中虽然降低了水泥用量，但它同时又降低了混凝土的抗拉性能，最终对减小大体积混凝土裂缝的作用不明显，因此在选择粉煤灰的品种和数量时，必须注意：尽可能选择优质适量的I 级粉煤灰作为大体积混凝土的掺和材料；不宜选择Ⅱ级粉煤灰作为掺和材料[3]。
2.2.2 合理的配合比设计
大体积混凝土配合比优化设计应注意以下几点：
1）高强和高性能混凝土的水化热及收缩值较大，徐变却偏小，应力松弛也偏小，这样大体积混凝土非常容易开裂。根据“抗、放兼顾”的原则，高层建筑大体积混凝土基础强度等级设计时应以中等强度为宜，混凝土强度等级设计在C25～C35 范围内较好。这样的混凝土既能满足强度要求，又能满足变形需要。C40 混凝土一般作为大体积混凝土设计的极限。
2）大体积混凝土在保证强度和坍落度要求的情况下，应提高掺和料及骨料的含量，以降每立方米混凝土的水泥用量，从而减少水泥总的发热量，以降低混凝土内部的最高温度，这是大体积混凝土配合比设计中应考虑的首要问题。另外，可以根据结构实际承受荷载情况，利用混凝土的中后期强度，即采用45、60 或90d 龄期的抗压强度，这样可使每立方米混凝土的水泥用量减少40～70kg，混凝土的水化热升温相应就会降低4℃～7℃。许多标准中都规定了最低水泥用量。需要强调的是，这里的水泥实际上是指广义的胶凝材料，包括工厂内生产的成品水泥和现场掺加的矿物掺和料。狭义地理解标准中的最低水泥用量是工厂内生产的成品水泥已没有意义。因此，在混凝土配制时，重要的不是控制最低水泥用量，而是最低硅酸盐水泥熟料用量。虽然许多标准在涉及水泥用量时，都在注解或条文说明中讲明，水泥用量包括硅酸盐水泥和各种矿物掺和料，但是监理工程师和行政管理部门却常常忽略了这些说明。机械地执行标准的条文规定，不利于混凝土配合比的科学设计[5]。
3）掺用能减低早期水化热的混凝土外加剂，如：缓凝剂、缓凝减水剂、缓凝高效减水剂和减少水泥水化热的掺和料及复合外加剂。
4）配合比设计应根据工程具体情况，如结构强度、原材料性能、施工组织、大气温度等因素综合考虑进行设计。
2.3 施工方面的技术措施
1）制定科学的施工方案为了确保混凝土均匀密实，提高混凝土的极限拉伸值和抗裂性能，在混凝土浇筑前应结合结构物的体量大小、钢筋疏密、混凝土供应条件等具体情况，制定周密科学的施工方案。如在浇筑工艺上，可因地制宜地确定总体浇筑顺序，选择全面分层、分段分层或斜面分层的浇筑方法；在振捣方法上，可采取二次浇筑振捣工艺，以排出混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和空隙，提高混凝土与钢筋之间的握裹力。另外，为了使上涌的泌水和浆水顺着混凝土坡脚流淌到坑底，在垫层施工时做成一定的坡度，使大量的泌水流到积水坑内再集中抽排到坑外。
2）控制混凝土的出机温度和浇筑温度为了降低混凝土的总升温，减少大体积混凝土的
内外温差，控制混凝土的出机温度和浇筑温度是一个非常重要的措施。根据搅拌前混凝土原材料总的热量与搅拌后混凝土总的热量相等的原理，可用以下公式计算混凝土的出机温度t0：为了降低混凝土的出机温度和浇筑温度，最有效的方法是降低原材料的温度。从公式（1）可以看出：混凝土中砂石比热容较小，但其占到混凝土总质量的85%左右；水的比热容较大，但其占混凝土的总质量仅仅6%左右。所以对混凝土的出机温度影响最大的是石子的温度，砂的温度次之，水泥的温度影响最小。为了降低混凝土的出机温度，最有效的办法是降低砂石的温度。比如在气温较高时，为了防止太阳直接照射，可以在砂石堆场搭设遮阳棚，必要时可向骨料喷淋雾状水，或在使用前用冷水冲洗骨料。混凝土的浇筑温度越低，对于降低混凝土的内、外温差越有利。根据工程经验，建议混凝土的最高浇筑温度控制在35℃为宜。这就要求在常规施工的情况下，合理选择浇筑时间，完善浇筑工艺[6]。
3）混凝土表面抗裂处理
大体积混凝土浇筑后上表面的水泥浆较厚，为提高混凝土表面的抗裂性能，可以进行以下处理：首先按设计标高用刮尺刮平混凝土表面；然后将钢丝网压入混凝土内，钢丝网标高控制在基础底板顶面标高下20mm 处，并用Φ8 的弯钩钢筋每间距2m 将钢丝网固
定在基础上层钢筋上，及时用木抹子将混凝土表面抹平；最后待混凝土收水后，再用木抹子搓平两遍，以闭合混凝土表面的收缩裂缝。
4）混凝土的养护措施
大体积混凝土浇筑后，加强表面的保温保湿养护，是一项非常重要的工作。它对保证水泥顺利水化、防止表面脱水、减少内外温差、减缓混凝土的冷却速度、防止混凝土产生裂缝具有重大作用。因此，此项工作应引起施工单位的足够重视。常见的养护方法有：养护剂涂层、蓄水法、潮湿养护、保温保湿养护法等。目前在高层建筑大体积混凝土基础施工中，普遍采用的是保温保湿养护，即在混凝土表面采用塑料薄膜与麻袋或草袋相间覆盖的办法，利用混凝土的水化热进行“自养护”。值得注意的是，保温材料的厚度必须经过计算确定，而不能根据经验随意确定敷盖一层或两层。
5）混凝土温度、温差检测
为及时掌握大体积混凝土内外温差、温度陡降及内部温差的变化，便于调整养护措施，应对混凝土进行温度、温差检测。测温点应沿底板高度布置在底部、中部和表面，垂直测点间距为500～800mm；平面方向应布置在边缘与中间，平面测点间距为2.5～5m。沿板厚度方向一般布置3～5 层传感器。此外，在侧模与覆盖材料之间还可加设若干测点，以便了解混凝土的表面温度。目前，比较先进的测温装置是网络化温度检测系统，它是由温度传感器、信号测量装置、应用软件和计算机四大部分组成，能定时在线检测各测点温度，并自动记录。在检测周期的前7d，每30min 测量一次；8～14d，每60min 测量一次；15～30d，每120min 测量一次。将同一测试位置上的相邻测点间同一时刻的温度差绝对值定义为温差，可根据需要设定各点的报警值（一般设置为25℃）。
3 结语
高层建筑大体积混凝土基础的条件比较复杂，施工情况各异，再加上混凝土原材料的性质差异较大，因此控制温度变形裂缝不是单纯的结构理论问题，而是涉及结构计算、构造设计、材料组成、物理力学性能及施工工艺等多学科的综合性问题。因此，应从结构设计、原材料选择、配合比优化设计、施工技术等多方面考虑，并采取一系列综合性措施，才能有效地控制或克服大体积混凝土的温度裂缝。
论文作者:宁采风,苗芳
论文发表刊物:《基层建设》2016年第34期
论文发表时间:2017/3/17
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