對大體積混凝土裂縫控制的探討

【摘要】本文介紹了大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及控制的必要性進行分析，針對滬蓉國道主干線湖北宜昌至恩施高速公路鐵羅坪特大橋承臺混凝土裂縫控制過程進行分析。通過分析，制定出可能的施工方案，結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境和天氣的實際情況，確定出合理的大體積混凝土澆筑和控制裂縫的方案。

【關(guān)鍵詞】大體積混凝土；溫度裂縫；溫度控制

1、工程概況

鐵羅坪特大橋在滬蓉國道主干線第十三合同段位于榔坪鎮(zhèn)關(guān)口埡村，主橋為預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，尺寸為140+322+140m。主橋的塔柱為H型，總高為190.4m。單個承臺的尺寸為20.6m×16.4m×5.0m。體積為1689.2m3。兩承臺間設(shè)有兩根寬為3m，高為5m，長為18.5m橫系梁。

下面以鐵羅坪特大橋承臺混凝土施工過程中對裂縫預(yù)防與控制為例進行探討。

2、大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因及溫度控制措施

橋梁工程中，大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因相對較復(fù)雜，因為其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸較大，抵抗外荷載的能力較強，所以一般來說產(chǎn)生裂縫并非是因為力學(xué)上的結(jié)構(gòu)強度問題。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，大體積混凝土產(chǎn)生裂縫更主要的原因是因為溫度問題，所以我們要防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫，主要需要處理的就是如何通過控制混凝土的溫度變形裂縫提高混凝土結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性的問題。具體來說，大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的原因可歸納如下：

（1）水化熱影響 眾所周知，水泥在拌合與澆筑的過程中會釋放出大量的熱量，由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸過大，其熱傳導(dǎo)性能差，熱量集中在混凝土內(nèi)部不能及時散發(fā)。澆筑初期，混凝土的強度和彈性模量都很小，對水化熱產(chǎn)生的驟然溫度升高約束力不足，混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力也不太大。當混凝土的澆筑時間逐漸增長，其彈性模量也逐漸增大，混凝土的內(nèi)部溫度降低，導(dǎo)致混凝土因收縮而在其內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，盡管混凝土具備一定的抗拉強度，但是當其極限抗拉強度無法抵消收縮應(yīng)力時，裂縫開始出現(xiàn)于混凝土中。

（2）外界環(huán)境的影響 施工時，如遇高溫環(huán)境，大體積混凝土入模溫度也升高。施工后氣溫降低會導(dǎo)致其表面與內(nèi)部產(chǎn)生溫差，溫差超過一定值會在混凝土表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。環(huán)境溫度的變化對混凝土的影響很大，白天氣溫高，使混凝土內(nèi)部的熱量不易散出，造成其本身的溫度很高，夜間氣溫降低，與混凝土內(nèi)部形成很大溫差。當氣溫突然降低的時候，混凝土會產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力。

（3）約束條件的影響 大體積混凝土會隨著外界溫度的變化而產(chǎn)生溫度變形，這種變形不是不受限制的，其會受到外部（如基礎(chǔ)等）等約束條件的制約而產(chǎn)生拉應(yīng)力，同樣，當產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時，裂縫產(chǎn)生。

（4）混凝土收縮的影響 混凝土在水泥水化、膠凝、硬化及隨后的炭化過程中以及受水分蒸發(fā)的影響，會引起體積的收縮，將產(chǎn)生一定的收縮變形。該收縮變形會受到內(nèi)部混凝土的約束，從而導(dǎo)致裂縫。所以，為避免大體積混凝土承臺出現(xiàn)裂縫，應(yīng)積極采取措施減弱上述各種不利影響，對承臺大體積混凝土施工與養(yǎng)生過程中的溫度進行監(jiān)測和控制。

3、控制的主要內(nèi)容

（1）控制混凝土內(nèi)部的溫度最高值，防止混凝土內(nèi)部因溫度過高，溫差過大而產(chǎn)生貫穿性的裂縫。（2）控制混凝土的內(nèi)外溫差及混凝土表面與大氣的溫差，使溫差不會超過允許范圍（25℃），從而防止混凝土表面產(chǎn)生裂紋。

4、溫度控制措施

根據(jù)上述分析，擬采取以下幾條措施來進行溫度控制，防止承臺大體積混凝土開裂。

（1）原材料的選擇和混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計 選用低熱微膨脹水泥或水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，采用“雙摻”技術(shù)（摻加粉煤灰和減水劑），優(yōu)化配合比，盡可能減少水泥用量。

（2）布設(shè)冷卻管 采用外徑40mm、壁厚2.5mm的鋼管作為冷卻水管。冷卻水管布置在混凝土體內(nèi)，承臺：冷卻水管在豎直方向上一共有四層，各層的間距為0.95米，其中上層距承臺頂面1.07米，下層距承臺底面1.07米，冷卻時，使用水泵抽水，保證冷卻管進水口的壓力足夠，要求進出水管的水溫相差在5℃～10℃之間。承臺從澆筑起至澆筑完混凝土后半月內(nèi)，需要不間斷地對其注水。水在再循環(huán)使用時，須冷卻后才可用，以控制水溫滿足要求。必須保證冷卻水管正常有效的工作。鐵羅坪大橋承臺澆筑時間為氣溫相對較高的5月份，澆筑混凝土伊始便將冷卻水管流量開至最大，以期更有效地控制混凝土內(nèi)核溫度的上升。

（3）澆筑混凝土控制 為了降低混凝土的入模溫度，在澆筑混凝土前，需要對石子、鋼模等進行散水降溫，可以在泵送管上覆蓋遮陽布并散水等等。為有效降低混凝土的內(nèi)部溫度，需合理劃分承臺混凝土澆筑塊的層厚，可以利用澆筑塊的層面進行散熱。

（4）高溫、高濕養(yǎng)護 為降低混凝土內(nèi)外部溫度差，延遲收縮和散熱時間，這樣，混凝土在慢慢散熱過程中可以獲得足夠的強度以抵抗溫度應(yīng)力的影響，同時應(yīng)降低變形變化的速度，最大限度地發(fā)揮材料的徐變和松弛特性，抵消約束應(yīng)力，防止混凝土內(nèi)外溫差過大，不得超過允許界線（一般為25℃），在混凝表面適當?shù)馗采w保溫材料。在混凝土成形后終凝前，應(yīng)定時噴灑熱水，提高混凝土表面溫度，減少內(nèi)外溫差，防止混凝土早期干縮裂縫。高溫天氣要保持表面濕潤，低溫天氣則要注意保溫。

（5）選擇合理拆模時間 混凝土拆模時要考慮氣溫變化，選擇的天氣條件要有利于混凝土強度的正常增長。此外，拆模時，混凝土內(nèi)外溫度差不得小于20℃。

5、溫度測試與溫度測點

（1）測溫方法 混凝土澆筑過程中，以混凝土覆蓋測溫元件便開始測溫，升溫時每兩小時測一次，降溫時每隔四到八小時測一次，同時測試相應(yīng)時間的環(huán)境氣溫和冷卻水管進出口水溫度。鐵羅坪大橋承臺中預(yù)埋熱敏電阻溫度傳感器，根據(jù)電阻與溫度之間的相互換算關(guān)系，通過測量電阻值來計算相應(yīng)點的溫度值。

（2）測點埋設(shè) ①在承臺正中心豎直方向埋設(shè)一組測點；②在混凝土頂面、側(cè)面布置測點掌握外界溫度變化對混凝土溫度的影響，從而指導(dǎo)養(yǎng)生和拆模；③在冷卻管之間水平方向和豎直方向埋設(shè)測點，掌握冷卻水對冷卻管四周混凝土的降溫效果，調(diào)節(jié)冷卻管的橫向及豎向間距，控制冷卻水和混凝土的溫差。溫度測點位置適當離開冷卻水管。塔座頂面混凝土溫度可以用點溫計測量。考慮承臺截面對稱性，在承臺1/4范圍布置測點。

6、溫度裂縫計算原理和方法

（1）溫度裂縫計算原理 水泥的水化熱會造成大體積混凝土內(nèi)部溫度升高，使混凝土體積膨脹。因為混凝土內(nèi)部溫度要與環(huán)境氣溫逐漸相平衡，這種平衡將是個緩慢的過程，當達到最高值后（約3～5天）將維持一段時間，溫度慢慢下降，由表面開始逐漸深入到內(nèi)部。這時混凝土已基本凝固，彈性模量很大，降溫時，由于溫度收縮變形受到外部條件約束時，將引起較大的溫度應(yīng)力。一般混凝土內(nèi)部溫度峰值愈大，溫度降低值越大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越大。因此，控制過大的降溫收縮應(yīng)力的出現(xiàn)，可有效控制裂縫的發(fā)生。

（2）計算方法和步驟

①混凝土施工前裂縫控制計算。施工前，先計算混凝土水化熱溫度升高值、各齡期收縮變形值、收縮當量溫差和彈性模量，估算可能產(chǎn)生的最大溫度收縮應(yīng)力，如收縮應(yīng)力不超過混凝土的極限抗拉強度，表示所采用的防裂措施和施工方法可行。當超過混凝土的極限抗拉強度，則應(yīng)采取一些措施調(diào)整混凝土澆筑溫度，降低水化熱溫升值，從而降低混凝土內(nèi)外的溫差。具體可以通過改善施工操作工藝和性能，提高混凝土極限拉伸強度或改善約束等技術(shù)措施，然后重新計算，直至計算的溫降收縮應(yīng)力在允許范圍內(nèi)為止。

A、混凝土拌和溫度

式中：

擬定的配合比為：

P.S425水泥：砂：碎石：水：粉煤灰：外加劑=1：1.868：2.581：0.407：0.099：0.011

砂子含水量按5%計算，石子含水量按1%計算。

B、混凝土澆筑溫度

C、水化熱絕熱溫升

式中：

D、混凝土內(nèi)部最高溫度

式中：

E、混凝土收縮變形值

計算混凝土澆筑完畢后15天時的溫度應(yīng)力，按5m厚度進行計算。混凝土任意齡期收縮變形值在非標準狀態(tài)下為：

式中

F、混凝土15天收縮當量溫差

式中：

G、15天后E值

式中

H、最大綜合溫差及混凝土降溫最大收縮應(yīng)力（暖棚溫度取35℃）

抗裂要求：，滿足混凝土抗裂要求。式中：

J、露天養(yǎng)護收縮應(yīng)力（室外最低溫度取為5℃）

抗裂要求：，不滿足混凝土抗裂要求。

7、結(jié)論及建議

選擇確定砼施工的溫度控制措施，不僅要考慮溫差控制標準、結(jié)構(gòu)形式和環(huán)境條件，同時還涉及到組成砼的原材料性能及砼的配合比以及施工的時間安排等等，可以說牽涉的面廣，影響因素多。由于施工澆筑工期緊迫，往往通過提高水泥用量，達到早期強度，這就更使溫度控制帶來較大的困難。通過溫度觀測全過程和溫度應(yīng)力初步計算，對溫度控制有以下幾點認識：（1）推算結(jié)構(gòu)中心最高溫升。（2）測定砼表面溫度與天氣溫度的關(guān)系。（3）根據(jù)氣溫的變化了解砼的內(nèi)外溫差。（4）根據(jù)砼溫差的變化，可采取表面覆蓋保護、延長拆模時間、灑水養(yǎng)護等降溫、保溫措施。