大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)研究與實踐

林 琦

沈陽市環(huán)境信息中心（沈陽 110011）

金樺大橋位于樺甸市南部，是金樺路規(guī)劃南延伸跨越內(nèi)河與河南森林公園相連接的紐帶。本橋與河道交角90°，橋梁全長226.04 m。上部結(jié)構(gòu)采用11孔20 m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。承臺、主梁采用50號混凝土，實體最小厚度達到2 m，為典型的大體積混凝土工程。由于該部位為全橋受力關(guān)鍵部位，要求混凝土澆注一次完成，且工期為夏初，混凝土表面溫差大，施工困難。

1 施工前期準備

1.1 混凝土配合比確定

在橋梁設(shè)計完成后，我們與施工單位共同開始考慮配合比。由對裂縫成因的分析可知，控制裂縫首先要降低水化熱，由于本次混凝土等級達到C50，屬于高等級強度混凝土，怎樣降低水化熱給我們的工作制造了很大的困難。水泥只能選擇標(biāo)號很高的品種，并且為了保證強度必須以28天養(yǎng)生強度作為設(shè)計標(biāo)準。

1.2 材料選擇

⑴水泥 由于本工程要最大限度的降低混凝土中水泥水化熱的原則，所以水泥選擇為 P.S 52.5水泥。

⑵細骨料 本工程采用二區(qū)中砂，選用中砂可以起到減少水泥用量的目的。

⑶粗骨料 在泵送條件下，選用粒徑 5～25 mm連續(xù)級配石子，以減少混凝土收縮變形。

⑷含泥量 在大體積混凝土中，粗細骨料的含泥量是關(guān)鍵問題，若骨料中含泥量偏多，不僅增加了混凝土的收縮變形，又嚴重降低了混凝土的抗拉強度，對抗裂的危害性很大。因此骨料必須現(xiàn)場取樣實測，本工程石子含泥量控制在1%以內(nèi)，砂的含泥量控制在2%以內(nèi)。

⑸摻合料 為了減少水泥用量，降低水化熱并提高和易性，本工程采用添加粉煤灰技術(shù)。我們把部分水泥用一級粉煤灰代替，摻入粉煤灰主要有以下作用，①由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物，其中二氧化硅含量40%～60%，三氧化二鋁含量17%～35%，這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化產(chǎn)物進行二次反應(yīng)，是其活性的來源，可以取代部分水泥，從而減少水泥用量，降低混凝土的熱脹；②由于粉煤灰顆粒較細，能夠參加二次反應(yīng)的界面相應(yīng)增加，在混凝土中分散更加均勻；③粉煤灰的火山灰反應(yīng)進一步改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，使混凝土中總的孔隙率降低，孔結(jié)構(gòu)進一步的細化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相應(yīng)收縮值也減少。

在工程中我們根據(jù)具體情況確定粉煤灰的摻量，使28天強度基本能接近混凝土標(biāo)準強度值。

⑹外加劑 加入外加劑后能減小混凝土收縮開裂的機會，本工程中決定采用外加 UEA（低堿混凝土膨脹劑）技術(shù)，在混凝土中添加占水泥總量約10%的UEA。試驗表明在混凝土添加了UEA之后，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力可以抵消一部分混凝土的收縮應(yīng)力，這樣相應(yīng)地提高了混凝土抗裂強度。

⑺纖維 本工程混凝土中添加了聚丙烯纖維，提高了混凝土的抗裂性能。

施工配合比確定：每立方混凝土用量為P.S 52.5水泥 471kg，水 170kg，砂 651kg，連續(xù)級配碎石 1062kg，粉煤灰 96kg，UEA47.1kg，纖維0.9kg。

1.3 混凝土溫度計算及分析

由對混凝土裂縫分析可知，控制溫度差異也是控制裂縫產(chǎn)生的重要措施：

(1)水化熱散失（不考慮人工降溫）的情況下混凝土中心溫度應(yīng)按下式推算。

式中

Tr(t)——齡期t的混凝土中心溫度

Tj——混凝土澆筑時入模溫度

K——考慮水化熱散失的散失系數(shù)

m——澆注溫度變化系數(shù)

t——齡期

W1——水泥用量（每平方米混凝土）

Q1——水泥水化熱量（每千克）

W2——外加劑用量（每平方米混凝土）

Q2——每千克外加劑水化熱量

C——混凝土熱比

p——混凝土容重

本工程按照澆注后第五天計算，混凝土中心溫度95℃。

(2)混凝土表面溫度可按下式推算。

式（2）中

Tb(t)——混凝土表面溫度

Tq(t)——大氣平均溫度

Tmax(t)——混凝土中心最高溫度

H ——混凝土計算厚度

h’ —v 混凝土的虛厚度

本工程計算表面溫度為67.7℃。

混凝土因溫度不均勻和收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力可按如下經(jīng)驗公式計算：

式（3）中

E1——混凝土的t齡期的彈性模量

α——混凝土的膨脹系數(shù)

μ——混凝土的泊松比

Sh(t)——混凝土的徐變影響松弛系數(shù)

Rk——混凝土外部約束系數(shù)

本工程計算的混凝土內(nèi)外溫差達到27.3℃，低于國內(nèi)規(guī)范推薦的不致產(chǎn)生裂縫的最大內(nèi)外溫差值（國內(nèi)值為25℃），且混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力大于C50混凝土強度設(shè)計要求。

由計算結(jié)果可以知道，大體積混凝土必須采用針對的、有效的質(zhì)量控制措施。在施工中不采取控制措施或控制措施不利，均有可能造成嚴重的質(zhì)量問題。

2 施工實施

本工程中混凝土工程具有強度高（混凝土強度等級為 C50）、高溫差下澆筑，施工難度大。在施工前采取了優(yōu)化施工配合比，在施工中降低混凝土入模溫度、降低混凝土內(nèi)部溫度、控制混凝土表面溫度減少溫差、加強養(yǎng)生工作和溫度監(jiān)控等措施。

2.1 混凝土原材料

在金樺大橋混凝土施工中所使用的粗、細骨料，嚴格按照配合比要求選擇。為確保粗骨料含泥量達標(biāo)，進場后的粗骨料用水進行了徹底沖洗，并做了含泥量對比實驗。在生產(chǎn)混凝土前對所用砂石的含水量進行了測定，并將砂石含水從用水量中扣除。

2.2 控制入模溫度

由于施工期間正值盛夏，且澆筑時間達24 h以上，為了降低混凝土的入模溫度，在澆注中采取下列措施：對原材料進行防曬覆蓋；在日曬最強的幾個小時對石料進行灑水降溫；拌和場的設(shè)施都采取措施遮陽；在拌和水中加入冰降低拌和水溫度，拌和用水溫度控制在25℃以內(nèi)。

采取了上述措施后，混凝土入模溫度可控制在有效范圍內(nèi)，防止了水分過快散失、降低了混凝土的初始溫度。

2.3 澆筑

⑴混凝土澆注過程質(zhì)量控制

在澆注過程中確定要進行振搗后方可密實，各層振搗時間保持均勻一致，當(dāng)表面泛漿時為宜，間距盡量保持均勻，保持振搗力波及范圍重疊二分之一。澆注完畢后，表面壓實、抹平，以防止表面裂縫，并且保證上層混凝土在下層初凝前結(jié)合緊密，避免縱向施工縫、提高結(jié)構(gòu)整體性和抗剪性能。

⑵澆注時間控制

在施工過程中盡量避開在太陽輻射較高的時間澆注，由于工程需要在夏季施工，澆注安排在夜間進行。

(3)混凝土拆模時間控制

在以往施工中，為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。在本工程中，當(dāng)擬訂對模板進行拆除時發(fā)現(xiàn)混我們延續(xù)了拆除時間。

根據(jù)混凝土在實際溫度養(yǎng)護的條件下，強度達到設(shè)計強度的 75%時，混凝土中心與表面最低溫度控制在30 ℃以內(nèi)時，對模板進行拆除，并且在拆除模板后在表面覆蓋保溫材料，保持了溫差在9 ℃以內(nèi)，避免了裂縫產(chǎn)生。

2.4 養(yǎng)護

大體積混凝土的養(yǎng)護，不僅要滿足強度增長的需要，還應(yīng)通過人工的溫度控制，防止因溫度變形引起混凝土的開裂。 溫度控制就是對混凝土的澆筑溫度和混凝土內(nèi)部的最高溫度進行人為的控制。

本工程中的養(yǎng)生措施主要采取內(nèi)部降溫措施。

在混凝土中敷設(shè)水管，利用循環(huán)水冷卻實現(xiàn)。在施工中，我們在混凝土中以縱向0.5 m、橫向0.8 m間距敷設(shè)1000 m左右的冷卻水循環(huán)管道，在冷卻循環(huán)同時，進行不間斷檢測，保證溫度差值在30 ℃內(nèi)。

混凝土澆注完成后進行表面修整，修整采用粗抹面，將混凝土表面的浮漿刮凈，使混凝土表面盡量粗糙。此方法是借鑒國外某些工程在大體積混凝土表面設(shè)置緩沖槽做法的原理。事實證明采用粗抹面的混凝土表面未出現(xiàn)任何裂縫。

1.5 溫度控制

在工程中為了全面反映混凝土的熱工作狀態(tài)，我們在混凝土內(nèi)部設(shè)置了20個典型溫度觀測點，這些觀測點反映了混凝土內(nèi)部溫度變化情況。在施工中，我們利用該檢測設(shè)備對混凝土的入模、表面、內(nèi)部溫度，大氣溫度，內(nèi)部循環(huán)水溫度，表面養(yǎng)生水溫度等進行了24 h不間斷監(jiān)測。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示混凝土內(nèi)部最高溫度達到88.3 ℃，內(nèi)外最大溫差為28.9 ℃。與前期計算接近，證明了熱工作計算數(shù)據(jù)對施工有指導(dǎo)意義。

在本工程中溫度高峰時冷卻循環(huán)水經(jīng)過在混凝土內(nèi)部的循環(huán)，自身大約升溫10 ℃左右。在養(yǎng)生過程中我們也進行了停水實驗。當(dāng)混凝土已度過升溫危險期后，我們停止了冷卻水循環(huán)，并檢測混凝土內(nèi)部溫度，在停水30 min后內(nèi)部個測點普遍升溫2~5 ℃，而表面溫度基本不變。試驗證明，冷卻水降溫是控制內(nèi)部溫度的最佳措施之一。

3 結(jié)語

樺甸市金樺大橋克服了重重困難，最終成功建成。經(jīng)現(xiàn)場檢查，未發(fā)現(xiàn)溫度變形裂縫。實踐證明，本工程在優(yōu)化配合比設(shè)計，改善施工工藝，提高施工質(zhì)量，做好溫度監(jiān)測工作及加強養(yǎng)護等方面采取的有效技術(shù)措施，以及堅持嚴謹?shù)氖┕そM織管理，完全可以控制大體積混凝土溫度裂縫和施工裂縫的發(fā)生，達到良好的自防水抗?jié)B效果。通過本工程的實踐證明，無論任何類型的大體積混凝土施工，只要通過科學(xué)的分析計算，制定相對的技術(shù)措施，經(jīng)過嚴格的施工管理驗收，完全可以達到相應(yīng)的工程質(zhì)量。