关于火电厂主厂房大体积砼温度裂缝的成因分析及控制措施探讨
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摘要：随着我国经济的发展，火电厂建设趋于高参数、大型化，百万机组设计、建设技术已经成熟，主厂房基础广泛采用大体积混凝土，这使得工程建设中的大体积混凝土温度裂缝问题日益突出并成为具有相当普遍性的问题。本文针对火电厂主厂房基础，首先分析了大体积混凝土温度裂缝形成的原因及形式，然后提出混凝土温度裂缝控制的方法，包括设计、施工、材料等三个方面，以供同行参考。
关键词：大体积砼；温度裂缝；成因分析；控制措施
Abstract: with the development of our country economy tending to high parameter, large coal-fired power plant construction, millions of unit design, construction technology is mature, the main plant widely used in large volume concrete foundation, which makes the construction of mass concrete temperature crack problem increasingly prominent and become a problem is rather universal. Coal-fired power plant main building foundation, the author of this paper, first analyzes the reason for the formation of large volume concrete temperature crack and form, and then put forward the concrete temperature crack control methods, including three aspects such as the design, construction, materials, and provide the reference for colleague.
Key words: large volume concrete; Temperature crack; Cause analysis; Control measures
中图分类号：TV544+.91文献标识码：A文章编号：2095-2104(2013)
引言
随着我国经济的发展，火电厂工程建设规模的不断扩大，大体积混凝土在结构中的应用越来越广泛，施工中的大体积混凝土温度裂缝问题日显突出，并成为具有相当普遍性的问题。温度裂缝作为长期困扰大体积混凝土的主要难题，涉及到建筑材料、设计、施工和管理等多方面的因素。目前的有关规范中关于建筑工程的温度裂缝控制条款还不完善，工程中的温度控制实施主要依靠实践经验，缺乏理论依据。下面对大体积混凝土的温度裂缝及其控制技术进行了探讨。
一、大体积砼裂缝的形式
大机组火电厂主厂房基础广泛采用大体积砼，除氧煤仓间基础、汽机基础、锅炉基础一般是整体现浇砼，有的一次浇灌量过万立方米。对于什么是大体积混凝土，目前国内外尚无明确的定义。中国建筑工程总公司在混凝土施工工艺标准中指出：大体积混凝土是最小断面任何一个方向尺寸大于0.8m以上的混凝土结构，其尺寸已大到必须采取相应的技术措施降低其温差，控制温度应力与裂缝开展的混凝土。这个定义强调两点即：最小断面尺寸的任一方向均在0.8m以上和必须控制温度应力而引起的开裂。主厂房基础最小断面一边一般都超过0.8m。大体积混凝土的裂缝主要有以下两种形式。
1.温差裂缝
大体积混凝土由于横断面面积大,体积较厚,且混凝土自身的导热性又很差,因此,水泥水化过程发出的热量聚集于内部不易散失。随着混凝土龄期的增长,弹性模量亦随之不断提高,对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大,以至于在混凝土表面产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,混凝土便开始出现裂缝,这种由于混凝土内外温差产生的应力应变而引起的裂缝称为温差裂缝。
2.干缩裂缝
混凝土的拌合、水泥的水化都离不开水,这些和入混凝土的水分除少部分参与水泥水化外,其余都会在水泥硬化过程中陆续蒸发掉,并伴随引发混凝土体积的收缩。当这种收缩变形受到约束、结构应力超过混凝土的强度极限时,就会引起混凝土结构的干缩裂缝。很明显,抑制干缩裂缝的途径,一是设法降低拌合混凝土的水灰比,减少混凝土中的含水量,降低混凝土的体积收缩率;二是加强对混凝土的养护,延缓混凝土的收缩时间,待混凝土形成较高强度后,自身就可以抵御混凝土的收缩应力。
温度裂缝按其开裂形式可分为贯穿性裂缝和非贯穿性裂缝两种,前者是由于截面温度的均匀变化而引起,是工程中需要预防的有害裂缝,而后者则是由于温度沿构件截面的高度存在梯度,导致构件产生弯曲裂缝,一般在计算中不考虑,只需限制内外表面温差来进行控制。
1.水泥水化热引起的温度应力和温度变形
水泥在水化过程中产生大量的热量，每克水泥放出的热量将近502.42J，因而使混凝土内部的温度升高，一般在30。C左右，有时更高。它在1-3天放出的热量是总热量的一半。混凝土内部的最高温度多数发生在浇筑后的3-5天内，当混凝土内部与表面温差过大时就会产生温度应力和温度变形。温度应力与温差成正比，温度越大，温度应力越也越大。当这种温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生裂缝。而混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥用量有关，混
凝土越厚，水泥用量越大。内部温度越高，所形成的温度应力越大。温度应力与混凝土结构的尺寸有关，在一定尺寸范围内，混凝土结构尺寸越大，温度应力也越大，因而引起裂缝的可能性也越大，这就是大体积混凝土为什么容易产生裂缝的主要原因。
2.外约束与内约束的影响
混凝土内部各质点相互影响、相互制约,这种现象叫约束。大体积混凝土因温度变化而发生变形也要受到不同程度的约束，限制其变形，因而产生了约束应力。大体积钢筋混凝土与地基浇筑在一起，当温度变化时，受到下部地基的限制，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而形成压应力，此时混凝土的弹性模量小，徐变和应力松弛度大，使混凝土与基层连接不稳固，因而压应力较小。但当温度下降，就会产生较大的拉应力。若超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会出现垂直裂缝。混凝土内部由于水泥的水化热而形成中心温度高，热膨胀大，在中心产生压应力，表面产生拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度值和钢筋的约束作用时，同样会产生裂缝，严重时还会形成贯穿裂缝,影响到结构的整体性、耐
久性和防水性。
3.外界气温变化的影响
大体积混凝土在施工阶段，常受外界气温变化的影响。外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高。当气温下降，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度，因而会造成温差和温度应力。使大体积混凝土出现裂缝。因此控制混凝土表面温度与外界气温温差，也是防止裂缝的重要一环。
三、大体积砼温度裂缝的控制措施
由于温差的作用，混凝土裂缝的产生是不可避免的，但只要在设计、材料、施工、温控等方面精心选择，严格控制，采取一系列的技术措施，最大限度地降低混凝土硬化过程中内表的温差，就能有效地减少有害裂缝的出现。
1.设计阶段的控制措施
（1）大体积混凝土强度等级宜在C20～C35范围内选用。随着高层和超高层建筑物不断出现，大体积混凝土的强度等级日趋增高，设计强度过高，水泥用量过大，必然造成混凝土水化热过高，混凝土内外温差超过3O℃ 以上，温度应力容易超过混凝土的抗拉强度，产生开裂，对于竖向受力结构可以用高强混凝土减小截面，但是对于大体积混凝土底板则应在满足抗弯及抗冲切计算要求下，采用C20～C35的混凝土，避免设计上“强度越高越好”的错误概念。
（2）精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，尽可能降低混凝土的单位用水量，采用三低(低沙率、低塌落度、低水胶比)、两掺(掺高效减水剂和高性能引水剂)、一高(高粉煤灰掺量)的设计原则，生产出高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉值的抗裂混凝土。
（3）增配构造钢筋抑制裂缝。大体积混凝土基础除应满足承载力和构造要求外，还应增配承受水泥水化热引起的温度应力及控制裂缝开展的钢筋，以构造钢筋来抑制裂缝．尽量采用小直径、小间距的配筋方式(采用直径8～IO mm 的钢筋和100～150 mm的间距比较合理)。混凝土截面的配筋率应在0．3 ～0．5 之间。在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，增加混凝土的极限抗拉强度。在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施，避免结构突变产生应力集中。
（4）改善约束条件。在大体积混凝土基础与岩石、厚大的混凝土垫层之间设置滑动层(如采用浇沥青或铺沥青油毡)，在垂直面、键槽部位设置缓冲层(如铺设30～50 mm厚沥青木丝板或聚苯乙烯泡沫塑料)，以消除嵌固作用，释放约束应力。
（5）合理设置后浇缝。在结构设计中可以采用后浇缝来抑制施工期间的较大温差及收缩应力。在正常施工条件下，后浇缝间距为20～30 m，保留时间不小于60 d。对于大型筏式、箱式基础不应设置永久变形缝(沉降缝、温度伸缩缝)。
2．材料的控制措施
（1）水泥的选择。由于混凝土的热量主要来自水泥水化热，因而应优先选用低水化热的矿渣硅酸盐水泥，水泥用量不超过380 kg／m3。
（2)骨料的选择。应选择线膨胀系数小的石灰岩骨料，形状以碎石为佳，粒径尽量大一些，在5～40 mm左右，级配良好．细骨料采用中、粗沙，细度模数为2．5～3．2。严格控制砂石的含泥量，使之在1％ 以内，并不得混有有机质等杂物。
（3）添加料及外加剂选择。为了降低水化热，在保证混凝土强度的前提下，国内当前主要选用优质粉煤灰为添加料，掺量不少于2O %。根据测算，每增减10 kg水泥，其水化热将使混凝土的温度相应升降1 度。混凝土中掺加粉煤灰后，可以提高混凝土的和易性，增强抗渗性、耐久性，减少收缩，提高混凝土的抗拉强度等。外加剂主要选用高效减水剂、缓凝剂和膨胀剂，用以改善混凝土工作性，减少单位用水量和胶凝材料用量，进而达到提高混凝土的抗裂性、防水性和整体强度的目的。
施工阶段的控制措施
（1）确定混凝土的浇筑方案。混凝土的浇筑方案可根据结构平面布置、商品混凝土供应等具体情况，选择以下3种方式：一是，全面分层。在整个结构平面内全面分层浇筑混凝土，并保证第一层浇完后继续浇筑第二层时，第一层浇筑的混凝土还未初凝。如此逐层进行，直至浇筑结束。该方案适用于结构平面尺寸不太大的情况。施工时沿短边开始，沿长边进行，必要时也可分两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行。二是，分段分层。适用于厚度不太大而面积和长度较大的结构。混凝土从底层开始浇筑，进行一段距离后回来浇筑第二层，如此依次向前浇筑以上各层。三是，斜面分层。适用于长度超过厚度3倍的结构。振捣工作应从浇筑层的下端开始，逐渐上移，以保证混凝土的施工质量。
(2) 降低混凝土入模温度。具体包括: 浇筑大体积混凝土时应选择较适宜的气温, 尽量避开炎热天气浇筑。夏季可采用温度较低的地下水搅拌混凝土,或在混凝土拌和水中加入冰块, 同时对骨料进行遮阳、洒水降温, 在运输及浇筑过程中也采用遮阳保护、洒水降温等措施, 以降低混凝土拌和物的入模温度；掺加相应的缓凝型减水剂,在混凝土入模时, 还可以采取强制通风措施,加速模内热量的散发。
(3) 加强施工中的温度控制。具体包括: 在混凝土浇筑之后, 做好混凝土的保温保湿养护, 以使混凝土缓缓降温, 充分发挥其徐变特性, 减低温度应力。夏季应坚决避免曝晒, 注意保湿; 冬季应采取措施保温覆盖,以免发生急剧的温度梯度变化；采取长时间的养护, 确定合理的拆模时间, 以延缓降温速度, 延长降温时间, 充分发挥混凝土的“应力松弛效应”；加强测温和温度监测。可采用热敏温度计监测或专人多点监测, 以随时掌握与控制混凝土内的温度变化。混凝土内外温差应控制在25℃以内, 基面温差和基底面温差均控制在20℃以内, 并及时调整保温及养护措施, 使混凝土的温度梯度和湿度不致过大, 以有效控制有害裂缝的出现；合理安排施工程序, 混凝土在浇筑过程中应均匀上升, 避免混凝土堆积高差过大。在结构完成后及时回填土, 避免其侧面长期暴露。
结束语
总之，大体积混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格，模板变形，基础不均匀沉降等。为了保证建筑物和构件的安全，我们一方面要从控制温度、改变约束、降低温度着手，另一方面应可能设法提高混凝土的抗裂性能。只有在施工中采取以上行之有效的措施，才能控制裂缝的出现或延伸，进而保证建筑物安全、稳定的工作。
参考文献
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