橋梁大體積承臺(tái)混凝土溫度裂縫的控制措施

占仲欣

1 同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系（200092） 2 浙江衢州市交通設(shè)計(jì)有限公司（324000）

橋梁建設(shè)中，高墩大跨橋梁承臺(tái)多為大體積混凝土。關(guān)于大體積混凝土溫度裂縫機(jī)理分析與控制的研究也非常多[1～4]，但關(guān)于在橋梁工程中應(yīng)用的詳細(xì)闡述與總結(jié)頗少。廈蓉高速AT5標(biāo)段肇興大橋主橋?yàn)?83+2×150+83)m連續(xù)剛構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)最大墩高113m，主墩采用雙薄壁空心墩，嵌巖群樁基礎(chǔ)。主橋墩承臺(tái)尺寸為長(zhǎng)24.25m、寬21.7m、高5.5m，混凝土等級(jí)為C30，施工時(shí)必須按照大體積混凝土進(jìn)行溫度裂縫的控制。本文結(jié)合肇興特大橋大體積承臺(tái)混凝土施工，詳細(xì)闡述大體積混凝土施工時(shí)，溫度計(jì)算與溫度裂縫的控制措施。

1 大體積混凝土溫度計(jì)算

1.1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理

1）水泥水化熱是大體積混凝土中主要溫度因素

混凝土在硬結(jié)過程中，由于水泥的水化作用，在初始幾天產(chǎn)生大量的水化熱，混凝土溫度升高。由于混凝土導(dǎo)熱不良，內(nèi)部熱量積聚，且水化熱不易散失，而外部散熱較快，從內(nèi)部到外部形成一定的溫度梯度。無(wú)論升溫階段，或是降溫階段，混凝土中心溫度總是高于混凝土表面溫度。因熱脹冷縮，中心部分混凝土膨脹速率比表面混凝土大。因此，構(gòu)件中心與表面各質(zhì)點(diǎn)間的內(nèi)約束以及來自地基及其它外部邊界約束的共同作用，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)溫度梯度大到一定程度時(shí)，表面拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面產(chǎn)生裂縫。在升溫階段，混凝土未充分硬化，彈性模量小，因此拉應(yīng)力較小，只引起混凝土表面裂縫。

隨著水泥水化反應(yīng)的結(jié)束及混凝土的不斷散熱,大體積混凝土由升溫階段過渡到降溫階段。由于混凝土內(nèi)部熱量是通過表面向外散發(fā),降溫階段混凝土中心部分與表面部分的冷卻程度不同，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)約束，使收縮的混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力。若降溫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，易在混凝土中心部位形成較高拉應(yīng)力區(qū),若拉應(yīng)力大于混凝土此齡期時(shí)的抗拉強(qiáng)度，則構(gòu)件產(chǎn)生貫穿裂縫。

2）外界氣溫變化的影響

大體積混凝土在施工階段,外界氣溫的變化影響是顯而易見的。因?yàn)橥饨鐨鉁赜撸炷恋臐仓囟纫灿?，如果外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會(huì)大大增加外界混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度。

混凝土內(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱溫降等各種溫度的疊加,而溫度應(yīng)力則是由溫差變形造成的；溫差愈大，溫度應(yīng)力也愈大。同時(shí)，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內(nèi)部的最高溫度一般可達(dá)到 60～65℃，且有較大的延續(xù)時(shí)間（與結(jié)構(gòu)尺寸和澆筑的塊體厚度有關(guān)）。

3）約束條件與溫度裂縫的關(guān)系

約束分為外約束和內(nèi)約束（亦稱自約束）。大體積混凝土由于溫度變化會(huì)產(chǎn)生變形，而這種變形又受到外約束，便產(chǎn)生了應(yīng)力，這就是溫度變化引起的應(yīng)力狀態(tài)。而當(dāng)應(yīng)力超過某一數(shù)值，便引起裂縫。

由于以上原因，為了控制溫度裂縫的產(chǎn)生，在原材料選用、澆筑方案、溫控方案、施工過程控制方案等方面必須采取措施。

1.2 混凝土內(nèi)部溫度的計(jì)算

承臺(tái)大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不宜超過55℃,混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度溫差、表面溫度與環(huán)境溫度之差不宜大于25℃，養(yǎng)護(hù)用水溫度與混凝土表面溫度之差不得大于15℃，以防止混凝土出現(xiàn)裂紋。

混凝土內(nèi)水化熱是由水泥的水化熱、混凝土比熱及導(dǎo)熱系數(shù)決定的?；炷羶?nèi)部溫度的計(jì)算有兩種形式，一是經(jīng)驗(yàn)公式，另一是理論公式。本項(xiàng)目采用兩個(gè)公式分別計(jì)算以校核。

經(jīng)驗(yàn)公式為[4,5]:

其中:Tmax—混凝土內(nèi)部最高水化熱溫度（℃）；T0—混凝土澆筑溫度（℃）；W—每方混凝土中水泥實(shí)際用量（kg/m3）；F—每方混凝土中粉煤灰實(shí)際摻量（kg/m3）。

本項(xiàng)目混凝土施工中,T0＝17.8℃（通過熱工計(jì)算,考慮水溫10℃），W＝343kg，F(xiàn)＝86kg，預(yù)測(cè) Tmax＝54 ℃。理論公式為[4,5]:

Q0max—絕熱最高溫升；W—每方水泥用量（g/m3）；θ—水泥水化熱，3天水化熱為:193J/g，7天水化熱為:217J/g。參考國(guó)內(nèi)若干品種水泥的水化熱和廠家提供數(shù)據(jù),最終的水化熱（28天或更長(zhǎng)時(shí)間）θ0定為 320J/g；C—混凝土比熱，參考相關(guān)資料,承臺(tái)混凝土平均比熱為0.98kJ/kg·℃；ρ—為C30混凝土的密度，根據(jù)配合比取為2430～2500。

按照公式（2）計(jì)算，得 Q0max的取值范圍為 42.5～53.3℃。

2 大體積承臺(tái)混凝土溫度控制措施

2.1 溫度控制措施

施工中溫度控制的目的就是將混凝土的內(nèi)外溫差控制在一定的范圍內(nèi)，以防止溫差過大產(chǎn)生溫度裂縫。通過對(duì)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理綜合分析，主要從混凝土養(yǎng)護(hù)、原材料質(zhì)量控制、配合比選取、控制拆模時(shí)間、布置密度較大的散熱管道、外捂內(nèi)降等幾個(gè)方面來控制，確保內(nèi)表溫差及拆模時(shí)內(nèi)外溫差控制在25℃之內(nèi),最大降溫速率小于2.0℃/d。具體措施為:

1）減少承臺(tái)混凝土所受的約束作用。為盡量減少承臺(tái)混凝土受到底部的約束作用,在澆筑封底混凝土完成后對(duì)其表面進(jìn)行壓光處理。

2）混凝土配合比。大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的最主要原因是水泥水化熱的積聚,因此選用山鋁P.O32.5R低堿普硅水泥，嚴(yán)格控制C3A含量小于6%，堿含量小于0.6%,并參加較多的粉煤灰，以延長(zhǎng)水化熱峰值的出現(xiàn)時(shí)間，可有效緩解水化熱的驟聚。肇興大橋承臺(tái)混凝土施工配合比為:水泥:粉煤灰:砂:碎石:水:外加劑＝343:86:734:1057:180:3.43。

3）外加劑。承臺(tái)混凝土摻入了1.9%的NOF-2A型高效緩凝減水劑,延長(zhǎng)了混凝土緩凝時(shí)間，改善混凝土的和易性，同時(shí)減少了拌和用水量，降低了水灰比（要求均低于0.42），降低了水化熱。

4）粗細(xì)骨料級(jí)配控制。細(xì)集料選用中砂，盡可能減少用水量和水泥用量。石子選用連續(xù)級(jí)配碎石，并機(jī)械水洗，增加碎石的握裹力和混凝土的抗裂能力。

5）選擇合理的澆筑時(shí)間?；炷翝仓荛_陰雨、大風(fēng)等惡劣天氣。根據(jù)計(jì)算承臺(tái)一次澆筑時(shí)混凝土相應(yīng)齡期內(nèi)部的平均溫度，第一天內(nèi)部溫度偏低，所以宜選擇一天氣溫度較低的時(shí)間開始施工，降低混凝土的入模溫度。在澆筑過程中,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取控制水溫（加冰塊、吹風(fēng)散熱等）、加快水循環(huán)、覆蓋集料、模板防曬等措施進(jìn)行混凝土溫度控制。

6）散熱管和測(cè)溫設(shè)備布置

①散熱管:設(shè)4層管徑為50mm散熱管，每層設(shè)4道測(cè)溫管，層距1.0m，上下層距底面和表面0.7m、1.3m；散熱管進(jìn)出水口均露出承臺(tái)側(cè)面20cm。

②測(cè)溫設(shè)備:為準(zhǔn)確測(cè)量并便于操作，采用銅熱電阻計(jì)測(cè)量混凝土內(nèi)部溫度，每個(gè)豎直面上共布置四個(gè)測(cè)點(diǎn)（承臺(tái)上表面下50cm、中部每1m布置一個(gè)、承臺(tái)底部），同時(shí)預(yù)埋測(cè)溫管，使用溫度計(jì)配合測(cè)溫。

散熱管與測(cè)溫點(diǎn)的立面布置示意圖如下圖1所示。

③測(cè)溫記錄:記錄要求1～5天每2小時(shí)測(cè)溫一次；6～14天每4小時(shí)測(cè)溫一次；14～28天每8小時(shí)測(cè)溫一次；28天之后視溫度變化情況再定。

7）通水散熱與水溫控制

①通水散熱:通水散熱選用4臺(tái)離心式水泵、一個(gè)2×3 m的水箱和多個(gè)節(jié)制閥門,分配方式為每?jī)蓪由峁芘渲靡慌_(tái)水泵，每?jī)蓚€(gè)散熱筒配置一臺(tái)水泵，每臺(tái)水泵由一個(gè)水箱（不小于5m3）提供水源。自混凝土開始灌注時(shí),測(cè)量混凝土入模溫度、當(dāng)?shù)貧鉁?，作為?jì)算內(nèi)部溫升的基礎(chǔ)。當(dāng)澆筑至第一層散熱管位置處時(shí)，即對(duì)散熱管通水，同一層4道散熱管的進(jìn)水口連接在一根總管上，各設(shè)閥門，單根管水流流速按1m3/h控制，出水口匯于同一水箱內(nèi)。

②水溫調(diào)整:若實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度與實(shí)測(cè)進(jìn)水口溫差大于25℃時(shí),應(yīng)調(diào)整水溫:若水溫比混凝土內(nèi)部溫度低的多，則要通過對(duì)水箱加熱直至兩者溫差小于25℃后停止加熱，并要提高流速,加快散熱速度。通水時(shí)間不小于10天。

2.2 溫控結(jié)果分析

根據(jù)測(cè)量收集的數(shù)據(jù),對(duì)混凝土溫度變化過程進(jìn)行了分析:混凝土入模12小時(shí)內(nèi)迅速升溫，接近25℃；三天后內(nèi)部最高溫度達(dá)到52℃的峰值，與理論計(jì)算的基本相符。隨后溫度開始下降，下降梯度為1.8℃/d；10天后，溫度梯度線趨于平緩。自澆筑開始至拆模，共通水散熱18天。拆模時(shí)外界氣溫24℃,承臺(tái)中心處最高溫度為48.8℃,距離承臺(tái)外邊緣0.5 m處的測(cè)點(diǎn)的平均溫度為31.01℃，拆模時(shí)滿足內(nèi)外溫差小于25℃的要求。

溫度沿高度方向上，在承臺(tái)中心偏下位置最高，沿此點(diǎn)向兩邊逐漸降低，在距離頂面1m范圍內(nèi)溫度梯度最大。底面由于封底混凝土的保溫效果好，溫度下降較慢。沿水平方向，從承臺(tái)中心到邊緣，溫度逐漸下降。圖2是對(duì)角線第三層溫度隨時(shí)間變化過程曲線,曲線反映溫度隨時(shí)間的變化與計(jì)算預(yù)測(cè)一致，因而冷卻系統(tǒng)可保證良好的溫度控制效果。

3 結(jié)語(yǔ)

1）大體積混凝土的施工必須從原材料、混凝土的配合比著手。實(shí)踐證明采用礦物質(zhì)超細(xì)粉等量代換一定量的水泥并摻加高效緩凝減水劑,可以明顯起到降低水化熱和延遲溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間的作用,且并不影響混凝土的強(qiáng)度及和易性。

2）精確的混凝土水化熱計(jì)算是保證冷卻系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)合理設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。由于許多外界環(huán)境與材料的隨機(jī)性，經(jīng)驗(yàn)公式與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)指導(dǎo)溫度控制必不可少。

3）合理的設(shè)置降溫系統(tǒng)、嚴(yán)格施工和周密的養(yǎng)護(hù)措施是避免大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的關(guān)鍵。

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[2]孫犁.材料和施工方法對(duì)大體積混凝土裂縫的影響[J].建筑科學(xué),2006(1)

[3]李忘鵬,閏松.大體積混凝土施工技術(shù)探討[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005(6)

[4]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997

[5]彭立海等.大體積混凝土溫控與防裂[M].黃河水利出版社,2005