大體積混凝土溫度裂縫的防控

李庚

摘 要：結(jié)合福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋承臺(tái)施工的工程實(shí)踐，介紹了大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因及防控措施，為今后大體積混凝土的施工起一定的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度梯度；溫度裂縫；防控

1 前言

隨著國(guó)家鐵路建設(shè)的發(fā)展，鐵路橋梁大體積混凝土施工應(yīng)用越來(lái)越多。大體積混凝土有著施工方便、承載力大、可裝飾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其混凝土方量大、水泥水化熱大，使其內(nèi)外溫差較大，引起溫度應(yīng)力，從而產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用。因此，如何對(duì)混凝土的溫度裂縫進(jìn)行防控，是大體積混凝土施工的一大難題。

2 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋起于長(zhǎng)樂(lè)市松下鎮(zhèn)，經(jīng)人嶼島，跨越松下港區(qū)元洪航道和鼓嶼門航道，再依次通過(guò)長(zhǎng)嶼島和小練島、跨越大小練島水道抵達(dá)大練島，再跨越北東口水道上平潭島，大橋全長(zhǎng)約16.338km。

鼓嶼門水道橋陸地低墩區(qū)引橋分布區(qū)域?yàn)镃X02～CX19號(hào)墩，全長(zhǎng)691.9m。含承臺(tái)（擴(kuò)大基礎(chǔ)）18個(gè)，大體積混凝土施工量大。

3 溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理

大體積混凝土澆筑后，在硬化過(guò)程中，由于水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，而混凝土體積較大，大量的水化熱聚集在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，導(dǎo)致澆筑后初期混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，引起混凝土膨脹變形，而此時(shí)混凝土的彈性模量很小，因此，升溫引起受基礎(chǔ)約束的膨脹變形產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小。隨著溫度逐漸降低，混凝土產(chǎn)生收縮變形，但此時(shí)混凝土彈性模量較大，降溫引起受基礎(chǔ)約束的變形會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)造成不同程度的危害。同時(shí)在混凝土內(nèi)部溫度急劇上升期間，外部環(huán)境溫度較低，內(nèi)表溫差過(guò)大在混凝土表面也會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力而出現(xiàn)表面裂縫。

4 溫度裂縫產(chǎn)生的原因

4.1 水泥水化熱影響

水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，因而混凝土內(nèi)部溫度升高，混凝土越厚，水泥用量越大，內(nèi)部溫度越高。當(dāng)混凝土內(nèi)部與表面溫差過(guò)大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形。溫度應(yīng)力與變形成正比，溫差越大，溫度應(yīng)力就越大，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土內(nèi)外的約束力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

4.2 內(nèi)外約束條件的影響

大體積混凝土施工，由于混凝土內(nèi)部與表面散熱速率不一樣，在其表面形成較大的溫度梯度，從而引起較大的表面拉應(yīng)力，此時(shí)混凝土的齡期很短，抗拉強(qiáng)度很低，溫度產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力，超過(guò)此時(shí)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生裂縫?；炷两禍仉A段，由于逐漸降溫而產(chǎn)生收縮，再加上混凝土硬化過(guò)程中，由于混凝土內(nèi)部拌合水的水化以及膠質(zhì)體的膠凝等作用，促使混凝土硬化時(shí)收縮，又由于受到基底和結(jié)構(gòu)本身的約束，從而出現(xiàn)收縮裂縫。

4.3 外界氣溫變化的影響

大體積混凝土在施工階段，常受外界氣溫的影響?；炷羶?nèi)部溫度是由水泥水化熱引起的絕熱溫度、澆筑溫度和散熱溫度三者的疊加。當(dāng)氣溫下降，會(huì)大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，產(chǎn)生溫差與溫度應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生裂縫。

5 大體積混凝土溫度裂縫的防控措施

5.1 合理選擇原材料，優(yōu)化混凝土配合比

為降低混凝土的水化熱，提高混凝土性能，控制混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，需嚴(yán)格控制混凝土原材料的選用，并優(yōu)化混凝土配合比，盡量降低水泥用量，控制水化熱溫升。

（1）采用水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，降低混凝土凝結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱。

（2）采用5-20mm級(jí)配良好的碎石，嚴(yán)格控制針狀、片狀含量，含泥量不大于1%。

（3）采用優(yōu)質(zhì)中砂，細(xì)度模數(shù)應(yīng)符合要求，含泥量不大于2.5%。

（4）在混凝土中摻用高效減水劑，延長(zhǎng)混凝土初凝時(shí)間，滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度，延緩水泥水化熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間。

（5）在混凝土配合比中合理?yè)接梅勖夯?、磨?xì)礦渣粉等礦物摻合料代替部分水泥，盡可能降低水泥用量和水化熱。

（6）通過(guò)大量試驗(yàn)，篩選減水率高、性能優(yōu)良的外加劑以最大限度的降低水泥用量，同時(shí)合理選擇配合比參數(shù)，使混凝土工作性能優(yōu)良，便于施工?；炷翍?yīng)具有良好的粘聚性，不離析?；炷磷畲竽z材用量不宜大于450Kg/m3，坍落度宜為180-220mm，每2小時(shí)坍落度損失不得超過(guò)2cm。

5.2 降低混凝土的入模溫度

混凝土盡量在夜間澆筑，避開(kāi)高溫天氣施工；砂石料倉(cāng)盡量堆高并采取遮陽(yáng)措施，當(dāng)氣溫過(guò)高時(shí)，宜采用加冰屑或冷水?dāng)嚢瑁⒈M量縮短混凝土運(yùn)輸時(shí)間和曝曬時(shí)間；混凝土泵管外用草袋遮陽(yáng)，并經(jīng)常灑水降溫。

5.3 澆筑過(guò)程中的控制

混凝土應(yīng)分層分段澆筑，減小澆筑層的厚度，增加混凝土的散熱面積，從而降低施工期間的溫度應(yīng)力，以減小產(chǎn)生裂縫的可能性，控制混凝土的澆筑速率，嚴(yán)格控制混凝土的振搗頻次和范圍。澆筑方案除應(yīng)滿足每處混凝土初凝前就被上一層混凝土覆蓋并振搗完畢外，還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)大小、鋼筋疏密、預(yù)埋管道、混凝土供應(yīng)情況以及水化熱等因素的影響，采用水平分層、斜向分段的澆筑原則。

混凝土從澆筑層下端開(kāi)始，逐漸上移，斜面坡度不大于1/3，水平分層厚度控制在30cm以內(nèi)，延長(zhǎng)澆筑時(shí)間，使混凝土部分熱量充分散發(fā)到空氣中。采用兩次振搗技術(shù)，提高混凝土的密實(shí)性，改善混凝土強(qiáng)度，從而提高混凝土的抗裂性。

5.4 預(yù)埋冷卻水管

冷卻循環(huán)系統(tǒng)布置方法：冷卻管采用鋼管，冷卻循環(huán)系統(tǒng)布置方法根據(jù)計(jì)算確定。在綁扎鋼筋的同時(shí)，進(jìn)行冷卻水管的安裝，冷卻管要做到密封、不漏漿，并在指定部位設(shè)置測(cè)溫裝置。同時(shí)外部接進(jìn)出水總管、總泵。為了準(zhǔn)確測(cè)量、監(jiān)控混凝土內(nèi)部的溫度，指導(dǎo)混凝土的養(yǎng)護(hù)，確保大體積混凝土的施工質(zhì)量，在構(gòu)件內(nèi)合理布設(shè)測(cè)溫控或溫度測(cè)量元件。在承臺(tái)混凝土養(yǎng)護(hù)期間測(cè)定混凝土表面和內(nèi)部溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水流量和流速來(lái)調(diào)整混凝土內(nèi)部溫度。承臺(tái)冷卻水管布置見(jiàn)圖一：

每層冷卻水管均在混凝土澆筑至水管標(biāo)高后，根據(jù)溫升情況開(kāi)始通水，通水流量根據(jù)溫控計(jì)算結(jié)果確定，確保水流降溫效果。施工時(shí)要做好進(jìn)出水溫的測(cè)量記錄，以便調(diào)整控溫措施。

5.5 混凝土的養(yǎng)護(hù)

混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，應(yīng)采用降溫法和保溫法及時(shí)對(duì)溫度進(jìn)行控制。

混凝土在澆筑完成后，如出現(xiàn)氣溫降低，內(nèi)表溫差過(guò)大，易產(chǎn)生溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂縫。所以混凝土澆筑完成后，應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)采用土工布對(duì)表面進(jìn)行覆蓋保溫、保濕，并定期灑水，保持內(nèi)部有凝結(jié)水。同時(shí)也需通過(guò)循環(huán)的冷卻水對(duì)混凝土芯部進(jìn)行降溫，降低混凝土芯部與表面的溫差。冷卻水的溫度應(yīng)適當(dāng)，冷卻水與混凝土的溫差過(guò)大會(huì)在水管旁的混凝土中引起拉應(yīng)力，甚至也可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，因此混凝土與冷卻水的溫差應(yīng)控制在22℃以內(nèi)。同時(shí)還應(yīng)注意防止“過(guò)速冷卻”，過(guò)速冷卻不僅會(huì)使混凝土溫度梯度過(guò)大，還會(huì)影響水泥—膠體體系的水化程度和早期強(qiáng)度，更易產(chǎn)生早期熱裂縫。

5.6 溫度測(cè)量監(jiān)控

加強(qiáng)混凝土溫度的測(cè)量監(jiān)控，針對(duì)混凝土澆筑完成后的溫度變化，及時(shí)采取相應(yīng)措施，防止裂縫的出現(xiàn)。

混凝土澆筑完成后，應(yīng)立即對(duì)混凝土溫度進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到峰值前每2h監(jiān)測(cè)一次，達(dá)到峰值后每4h監(jiān)測(cè)一次，持續(xù)5天后，轉(zhuǎn)入每天測(cè)2次，直到溫度變化基本穩(wěn)定。期間應(yīng)控制混凝土芯部與表面溫差以及混凝土表面與大氣溫差小于25℃。根據(jù)監(jiān)測(cè)的溫度資料，及時(shí)調(diào)整冷卻水流量，控制進(jìn)水溫度和出水溫度溫差在10℃左右，若加大水流量后仍超過(guò)10℃，則應(yīng)間隔調(diào)整入水、出水方向。同時(shí)應(yīng)控制降溫速率，使混凝土芯部溫度應(yīng)力得以及時(shí)釋放，承臺(tái)中心混凝土降溫速率宜控制在2℃-3℃/天，對(duì)減少溫度裂縫具有重要意義。

6 結(jié)束語(yǔ)

大體積混凝土是如今最常見(jiàn)的大型混凝土結(jié)構(gòu)，溫度裂縫對(duì)其結(jié)構(gòu)的危害也越來(lái)越明顯，如何控制溫度裂縫的產(chǎn)生是非常必要的。本文通過(guò)對(duì)溫度裂縫產(chǎn)生的機(jī)理和原因，分析相應(yīng)的防控措施，對(duì)減少大體積混凝土的溫度裂縫有很大作用?，F(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜，選擇合理的防控措施，才能有效防治溫度裂縫的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

[1]《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10424 -2010）

[2]《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）

[3]《新建福州至平潭鐵路（平潭海峽公鐵兩用大橋）施工圖 第二冊(cè) 通航孔橋 第四分冊(cè) 鼓嶼門水道橋下部結(jié)構(gòu)》