1、高等教育自学考试毕 业 论 文混凝土温度应力裂缝控制 办学单位： 华南理工大学公开学院 专业年级： 建筑工程 2013 级本科 学 生： 魏少鹏（010114315997）指导教师： 谢勇 提交日期： 2015 年 3 月 10 日 1目 录中文摘要1Abstract 11 绪论 21.1 研究的背景与意义11.2 文献综述 22 混凝土温度应力裂缝概况及分析 62.1 混凝土温度应力裂缝概况及其产生原因62.2 温度应力的分析 72.2.1 温度应力的形成过程 72.2.2 温度应力的引起原因72.3 本章小结 113 温度裂缝的预防措施 133.1 合理选用原材料和配合比133.2 施工方
2、法133.2.1 设计控制措施143.2.2 施工控制措施143.2.3 监测措施143.3 采用保温保湿措施143.4 控制混凝土入模温度控制 143.5 外加剂的使用 163.6 本章小结 164 工程实践 17结 论25参考文献26致 谢292摘要：重点介绍混凝土温度应力裂缝的产生及其预防措施，对温度应力裂缝进行分析，从而得出控制温度应力裂缝的方法，并在工程实践中应用关键词：温度应力；裂缝控制；温度裂缝Abstract：Mainly introduce the concrete temperature stress cracks and preventive measures oftem
3、perature cracks, stress analysis, and obtain stress cracking control temperature, andthe application in engineering practiceKey Words：Temperature stress; crack control; temperature crack31 绪论1.1 研究的背景与意义近年来，随着我国国民经济的高速发展和人民生活水平不断提高。国家对基础建设的投资逐年递增，国内建筑业形势一片大好。各种建筑物、构筑物的形体规模也不断扩大，大体积混凝土在建筑工程中的应用也越来越广。
4、但是，由于大体积混凝土具有结构厚、体积大、数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点，因而在施工过程中若控制不当极易产生纵横交错的温度裂缝。不仅影响了混凝土的观感质量，严重者会出现深入和贯穿性的裂缝，从而降低结构耐久性，削弱构件承载力，甚至影响建筑物的安全使用，造成人员伤亡和巨大的财产损失。所以，如何采取有效措施防止大体积混凝土由于温度应力引起的开裂，是工程界普遍关注的问题。大体积混凝土在现代工程建设中占有重要的地位,特别是工业建筑工程中应用十分广泛，如火力发电厂的汽机基础，就是一个大型的大体积混凝土特例。大体积混凝土施工的工艺要求很高，在施工过程中，如何控制大体积混凝土的温度裂缝就是施工工艺
5、的关键点，也是大体积混凝土施工的难点。尽管在施工中采取各种措施，小心谨慎，但裂缝仍时有出现。混凝土中裂缝的出现严重影响到混凝土结构的整体性和耐久性。从而影响到混凝土结构的使用功能及安全性能。因此在大体积混凝土施工过程中，温度应力及温度的控制十分重要。1.2 文献综述1李彤厚.大体积混凝土承台施工温度裂缝控制实例J.建筑技术开发，2001.10.2吴义明等.大体积高强混凝土转换层板温度裂缝控制J.混凝土，2002.7. 3曹可之.大体积混凝土结构裂缝控制的综合措施J.建筑结构，2006.8. 4JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规范S42 混凝土温度应力裂缝概况及分析2.1 混凝土温度应
6、力裂缝概况及其产生原因结构物在实际使用中承受各种荷载，当结构的抗拉强度不足以抵抗荷载作用时，结构就可能出现裂缝。外荷载的直接应力和次应力、温度变化、缩胀以及不均匀沉降等都会产生裂缝。大体积混凝土常见的质量问题是混凝土结构产生裂缝。造成结构裂缝的原因是复杂的，综合性的。但是，大体积混凝土从浇筑时起，到达到设计强度止，即施工期间产生的结构裂缝主要是由水泥水化热引起的温度变化造成的。大体积混凝土工程，水泥用量多，结构截面大，因此，混凝土浇筑以后，水泥放出大量水化热，混凝土温度升高。由于混凝土导热不良，体积过大，相对散热较小，混凝土内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快。升温阶段，混凝土表面温度总是低
7、于内部温度。依据热胀冷缩的原理，中心部分混凝土膨胀的速度要比表面混凝土快，中心部分与表面质点间形成相互约束，中心属于约束膨胀，不会开裂；表面属于约束收缩，当表面拉应力（t）超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。 随着水泥水化反应的减慢及混凝土的不断散热，大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段，温度降低，体积收缩。由于混凝土内部热量是通过表面向外散发，降温阶段，混凝土表面温度与中心温度仍然存在差值，如果过大，同升温阶段一样产生表面裂缝。降温过程，混凝土体积收缩，同时，考虑到边界条件和地基的约束，属于约束收缩。但此时，混凝土龄期增长，强度增大，弹性模量增高，因此，降温收缩产生的拉应力较大
8、，除了抵消升温时产生的压应力外，在混凝土中形成了较高的拉应力（t），超过混凝土的抗拉强度关，就引起大体积混凝土的贯穿裂缝。 水泥水化硬化，水是必备的前提条件，但混凝土为了满足施工和易性的要求，通常所加水量是水泥水化所需水量的数倍，多余的水为游离水，游离水容易蒸发，引起体积收缩（称为干缩）。干缩与混凝土降温产生的冷缩叠加，增大了混凝土中的拉应力，加剧了混凝土中裂缝的产生。混凝土裂缝产生的原因有很多种，一是由外荷载引起的，这是发生最为普遍的一种情况，二是结构次应力引起的裂缝，这是由于结构的实际工作状态与计算假设模型的差异引起的;三是变形应力引起的裂缝，这是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起结
9、构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。 建筑工程中的大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力是导致大体积混凝土产生裂缝的主要原因。表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同，温度外低内高，形成了温度梯度，使混凝土内部产生压应力，5表面产生拉应力，表面拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的;通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力，超过混凝土抗拉强度时所可能产
10、生的贯通整个截面的裂缝。这两种裂缝不同程度上，都属有害裂缝。因此，掌握温度应力的变化规律及温度控制对于进行大体积混凝土施工极为重要。2.2 温度应力的分析2.2.1 温度应力的形成过程温度应力的形成可分为以下三个阶段：早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约 30 天。这个阶段有两个特征，一是水泥放出大量水化热，二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。 中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝土的弹性模量变化不大。
11、晚期：混凝土完全冷却以后的服役时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相叠加。2.2.2 温度应力引起的原因对于边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。因为大体积混凝土结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间过程出现压应力，这种应力成为自身应力。结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力，此时的应力称为约束应力。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。温度应力的分布及大小是比较复杂的，在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐
12、变使温度应力有相当大的松弛，所以分析计算温度应力时，还必须考虑徐变的影响。2.3 本章小结 综上所述，大体积混凝土内部的温度应力是由水化热和外界气温变化等各种因素引起的叠加应力。由于混凝土是一种脆性材料抗拉强度只相当于抗压强度的1/10 左右，当混凝土内温度应力超过混凝土极限抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝63 温度裂缝的预防措施3.1 合理选用原材料和配合比3.1.1 选用水化热低的水泥在大体积混凝土设备基础工程中，水化热引起的升温较高，降温幅度大，容易产生温度裂缝，因此，在选择水泥时应尽量避免采用或不用早期强度高的水泥，应优先选用矿物成分铝酸三钙含量较低，水化中氧化钙、氧化镁和二氧化镁尽可能
13、少的水泥，这样可以达到减少水化热的目的。另外，为使混凝土减少升温，降低水化热，可以在满足设计强度要求的前提下，减少水泥用量，尽量选用中低热水泥。一般工程可选用矿渣水泥或粉煤灰水泥。 3.1.2 选用粒径较大骨料尽量选用骨料粒径较大和级配良好的粗骨料，施工中可掺入一些不大于 20%的大块毛石，这样配制的混凝土即能减少水泥用量和用水量又能降低水化热，同时，还可以达到提高混凝土的抗压强度。另外，砂、石含泥量要严格控制。砂的含泥量小于 2%，石的含泥量小于 1%。3.1.3 掺入适量减水剂和微膨胀剂。掺加一定数量的减水剂或缓凝剂，可以减少水泥用量，改善和易性，推迟水化热的峰值期。而掺入适量的微膨胀剂或
14、膨胀水泥，也可以减少混凝土的温度应力。3.1.4 利用混凝土的后期强度据试验数据表明，每立方米的混凝土水泥用量，每增减 10 公斤，混凝土温度受水化热影响相应升降 1。因此，可根据大体积混凝土设备基础结构的实际情况，对结构的刚度和强度进行复核并取得设计和质检部门的认可后，可用f45、f60 或 f90 替代 f28 作为混凝土设计强度，这样每立方米混凝土的水泥用量会减少 4070 千克/立方米。相应的水化热温升也减少 47。 利用混凝土后期强度主要是从配合比设计入手，并通过试验证明 28 天之后混凝土强度能继续增长。到预计的时间能达到或超过设计强度。3.1.5 优化混凝土的配合比以便在保证混凝
15、土强度及流动度条件下，尽量节省水泥、降低混凝土绝热温升。按照基于绝热温升控制的绿色高性能混凝土配合比优化设计四功能准则对配合比进行优化；3.2 施工方法在大体积混凝土工程施工中，由于水泥水化热引起混凝土内部温度和温度应力剧烈变化，从而导致混凝土发生裂缝。因此，控制混凝土浇筑块体因水化热引7起的温升、混凝土块体的内外温差及降温速度，是防止混凝土出现有害温度裂缝的关键。自上世纪初开始，有关大体积混凝土防裂问题就得到研究。美国通过箭石坝（1915 年，高 107 米）、胡佛坝（1930 年，221 米）等大坝的建设对大体积混凝土进行了全面的研究，在上世纪 60 年代就得到了一套比较定型的大体积混凝土
16、设计、施工模式。即采用低热水泥或一部分用活性掺合料；降低水泥含量以减少总的水化热量；限制浇筑层厚度和最短的浇筑间歇期；采用人工冷却混凝土组成材料的方法来降低混凝土的浇筑温度；在混凝土浇筑以后，采用预埋冷却水管，通循环水来降低混凝土的水化热温升；保护新浇混凝土的暴露面，以防止突然的降温，在极端寒冷地区，掩盖在棚内进行人工加热。在酷热季节，采用棚盖来防止新浇混凝土暴露面避免日光直射，并同时用喷雾的办法来防止混凝土过早的凝结和干燥，要求在各种条件下，混凝土的养护至少在 14d 以上，此外，还采用浇筑层厚与间歇期随不同浇筑温度而变化的浇筑办法。前苏联在 1977 年修建托克托古尔电站也形成发展了一套行
17、之有效的大体积混凝土温控防裂措施，即托克托古尔法。 我国在修建丹江口工程时，提出了防裂措施，一是严格控制基础允许温差，新老混凝土上下层温差和内外温差；三是严格执行新浇混凝土的表面保护；三是提高混凝土的抗裂能力。 由水利工程中总结出来的大体积混凝土温度裂缝控制方法和措施在建筑工程实践中也得到应用，取得了很好的效果。根据这些工程实践，可以看到建筑工程中大体积混凝土的温度裂缝控制要在设计、施工和检测三个方面采取一系列的技术措施。 3.2.1 设计控制措施 尽可能选用强度等级低的混凝土，充分利用后期强度。随着高层建筑和超高层建筑的不断出现，大体积混凝土的强度日益增大，出现 C40-C50 等高强混凝土
18、，设计强度过高，水泥用量大，水化热量高。而高层建筑的建设周期长，在混凝土的早龄期，荷载远未达到设计荷载值，可以利用混凝土的 60d 或 90d 后期强度，这样可以减少混凝土中的水泥用量，以降低混凝土浇筑块体的温度升高。采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值，可以使混凝土浇筑后的内外温差和降温速度控制的难度降低，也可降低保温养护的费用。用于大体积混凝土的强度在 C25-C35 的范围内选用，水泥用量最好不超过 380kg/m3。 3.2.2 施工控制措施 合理选择原材料、优化混凝土配合比。按照混凝土设计强度要求合理选择原材料、优化混凝土配合比使混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸
19、变形能力较大、线膨胀系数较小。具体是： （1）采用低水化热、高强度水泥，以降低水泥水化热，提高混凝土的抗裂能力。所用的水泥应进行水化热测定，水泥水化热测定按现行国家标准水泥水化热实验方法（直接法）测定，要求配制混凝土所用水泥 7d 的水化热不大于25kJ/kg； （2）采用导热性好、线膨胀系数小、级配合理的骨料，减少混凝土温度应力。根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径。选择合理的最大粒径，尽可能选用较大的粒径。例如 5-40mm 粒径可比 5-25mm 粒径的碎石或卵石混凝土可减少用水量 6-8kg/m3，降低水泥用量 15kg/m3，因而减少泌水收缩和水化热。要优先选8用天然连续级配的粗集料，
20、使混凝土具有较好的可泵性，减少用水量、水泥用量，进而减少水化热。细集料以采用级配良好的中砂为宜。实践证明：采用细度模数 2.8 的中砂比采用细度模数 2.3 的中砂可减少用水量 20-25 kg/m3，可降低水泥用量 28-35 kg/m3，因而降低了水泥水化热、混凝土温升和收缩；（3）优化混凝土的配合比，以便在保证混凝土强度及流动度条件下，尽量节省水泥、降低混凝土绝热温升。按照基于绝热温升控制的绿色高性能混凝土配合比优化设计四功能准则对配合比进行优化； （4）掺用混合材料以减少用水量、节约水泥，降低混凝土的绝热温升，提高混凝土的抗裂能力； （5）掺用外加剂减缓水化热的发生速率。外加剂主要指减
21、水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入水泥重量 0.25%的木钙减水剂，不仅使混凝土工作性能有了明显的改善，同时又减少 10%拌和用水且节约 10%左右的水泥，从而降低了水化热。 一般泵送混凝土为了延缓凝结时间，要加缓凝剂，反之凝结时间过早，将影响混凝土浇筑面的粘结，易出现层间缝隙，使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。为了防止混凝土的初始裂缝，宜加膨胀剂。但膨胀剂的选取需要注意。 3.2.3 监测措施 大体积混凝土温度控制的测试内容： （1）混凝土绝热温升的测试，混凝土绝热温升的测试有两种方法，间接法和直接法。间接法是用水泥的水化热、水泥用量、混凝土比热、混凝土密度来计算混凝土绝热温升。直接法是用混
22、凝土绝热温升实验仪直接测定混凝土绝热温升。直接法测定结果准确，但是实验设备和实验过程比较复杂，一般用于大型工程中。中小型工程常不具备这种条件，一般用间接法即可满足要求； （2）混凝土浇筑温度的监测,监测混凝土浇筑时的温度，保证浇筑温度不要超过控制标准，以便控制混凝土浇筑后的温度升高峰值。同时也包括对混凝土搅拌、运输过程中温度的监测和混凝土原材料温度的监测； （3）养护过程中的温度监测一般监测浇筑后大体积混凝土内部（中部、表面、底部）的温度和环境气温的变化情况，用来控制混凝土的降温速度和内外部温差（一般要求温差T25）,也可用来进一步计算混凝土中的温度应力，确定混凝土的抗拉强度是否大于此时混凝土
23、中产生的拉应力，保证对裂缝的控制。这些监测结果能及时反馈现场大体积混凝土浇筑块内温度变化的实际情况，以及所采用的施工技术措施的效果，为工程技术人员及时采取温控对策提供科学依据。 3.3 采用保温、保湿养护措施 （1）大体积混凝土设备基础工程，一般都在工业厂房内施工，温度一般夏季都在 20以上，冬季也有 15以上。属正温施工，所以除了适当做好保温措施外，主要是做好保湿措施，因为厂房内一般较干躁。在混凝土终凝前，对大体积混凝土设备基础采用塑料薄膜+草袋方法进行养护，使混凝土内外温差控制在2025以内为宜，从而控制裂缝的开展。而基础工程大体积混凝土设备基础结构拆模后，宜尽快回填土，避免水分蒸发太快，
24、亦可延缓降温速率，避免产生裂缝。 9（2）做好温度监测工作，及时反映温差，随时指导养护，控制混凝土内外温差保持在 2025 摄氏度。3.4 控制混凝土入模温度控制为了有效的控制混凝土的水化热温度，必须预先知道混凝土最终的热峰值 T。混凝土内部峰值除水泥自身因素外，入模温度的高低也是一个重要的因素。在冬季施工时，入模温度影响还不十分明显，只要做好保温措施既可。而在夏季，入模温度则是十分重要的一环。由于混凝土内的最高温度取决于混凝土入模温度和水泥水化热产生的升温，而水化热在混凝土配合比确定后就不会改变，所以，入模温度就显得十分重要。尤其在夏季施工时，一定要控制混凝土的入模温度，浇注混凝土的时间尽量
25、选择在晚上进行，同时采用施工现场冷水浇注混凝土运输车辆外壁等降温措施。3.5 外加剂的使用使用外加剂也是控制温度裂缝的重要措施之一，许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能，外加剂的正确合理使用，比单纯地靠改善外部条件，可能会更加简捷、经济。（1）水灰比是影响混凝土收缩的重要因素，使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少 25%。（2）水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素，掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少 15%的水泥用量，其体积用增加骨料用量来补充。（3）减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度，减少混凝土泌水，减少沉缩变形。提高水泥浆与骨料的黏结力，提高的混凝土抗裂性能。（4）混凝
26、土在收缩时受到约束产生拉应力，当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效地提高混凝土抗拉强度，大幅提高混凝土的抗裂性能。（5）掺加外加剂可使混凝土密实性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，减少碳化收缩。（6）掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当，在有效防止水泥迅速水化放热基础上，避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。（7）掺外加剂混凝土和易性好，表面易抹平，形成微膜，减少水分蒸发，减少干燥收缩。3.6 本章小结总而言之，控制混凝土温度应力裂缝可以通过材料，施工方法等各方面进行预防控制，现场应合理选用原材料和配合比，重视外加剂的添加，在混凝土温度控制方面多下功夫，做好对现场混凝土温度的监测
