淺談加冰技術(shù)對大體積混凝土裂縫的控制

商守陳

摘要：通過對某高速公路連接線工程施工過程中的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及專家意見的總結(jié)，闡述了工程中大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、加冰技術(shù)對混凝土溫度的影響等問題。

關(guān)鍵詞：加冰混凝土；溫度；裂縫；控制

1、概述

某高速公路連接線工程主線段高架橋全部采用雙向預(yù)應(yīng)力現(xiàn)澆梁，混凝土強(qiáng)度等級為C50，采用泵送施工，要求坍落度為12-16cm?？紤]到強(qiáng)度等級高，體積大，箱內(nèi)散熱不良會引起升溫，導(dǎo)致出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫等問題。為保證工程質(zhì)量，經(jīng)組織專家討論分析，結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，提出混凝土強(qiáng)度在早期不能發(fā)展太快，入模溫度不超過32℃，相應(yīng)出廠溫度不超過30℃。

在大體積混凝土中，對溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，溫度變化對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文僅對施工中混凝土裂縫的成因和加冰處理技術(shù)做些總結(jié)探討。

2、裂縫的原因

混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等。本文主要介紹、分析溫度變化引起的裂縫及處理措施。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上（分多次澆注的混凝土）的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫?；炷潦且环N脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104，長期加荷時的極限位伸變形也只有（1.2～2.0）×104.由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，有時溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力。

3、溫度應(yīng)力的分析

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個階段：

3.1早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天。這個階段的兩個特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

3.2中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個時期中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。

3.3晚期：混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可將其分為兩類：

（1）自生應(yīng)力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

（2）約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。

這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

4、溫度的控制和防止裂縫的措施

為了防止裂縫，減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。本文主要介紹溫度控制，并重點(diǎn)介紹加冰技術(shù)。控制溫度的措施如下：

4.1采用改善骨料級配、降低水灰比、摻加混合料、摻加外加劑等方法減少水泥用量。本項(xiàng)目采用添加粉煤灰（廣州電廠Ⅱ灰）、外加劑（珠海紅墻GSP-2緩凝型高效減水劑）的方法減少水泥用量。其配合比及試驗(yàn)結(jié)果見表1、表2。

4.2控制水泥的出廠溫度，混凝土用料及拌和站采用遮陰防曬，并在砂石料堆上灑水降溫；拌合混凝土?xí)r在拌和水中加碎冰作為拌和水的一部分（具體在4.3中介紹）。經(jīng)過這些措施，較好的降低了混凝土的出廠溫度。計算方法如下。

混凝土出機(jī)溫度計算：

T0=∑TiGiCi-80ηGc+Q/∑GiCi （1）

式中：

T0?—混凝土出機(jī)溫度，℃；

Ti-第i種材料的平均進(jìn)料溫度，℃；

Gi-第i種材料的重量，Kg，見表3；

Ci-第i種材料的比熱，kcal/Kg. ℃，見表3；

Gc-每m3混凝土加冰水，Kg；

η-冰的冷量利用率，一般取0.9；

80-冰的融化潛熱，kcal/Kg；

Q-每m3混凝土拌制過程中的附加熱（包括機(jī)械熱和環(huán)境交換熱）。Kcal/ m3；

由式（1）可以看出影響混凝土出機(jī)溫度的主要材料除加冰量G外，應(yīng)為GiCi的乘積。

關(guān)于Q值的確定，其包含了攪拌機(jī)械和環(huán)境交換熱，由于攪拌機(jī)非絕熱環(huán)境，必然有熱交換，所以孤立的攪拌機(jī)械熱和環(huán)境交換熱定量測定是困難的，而綜合考慮為附加熱則可通過進(jìn)、出物料溫度代入（1）式求出。試驗(yàn)表明，Q值隨環(huán)境溫度影響較大。表4列出了9、10、11月份對Q值的抽測結(jié)果。

在實(shí)際施工當(dāng)中，由于當(dāng)時處于9-11月份，廣州地區(qū)正處于高溫天氣，大部分時間氣溫高達(dá)35℃以上，用表4的材料最高溫度，砂、石的含水率分別取5%和1.5%。Q取2000kcal/ m3帶入（1）式得需加碎冰75.51Kg/ m3。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，加冰量一般不宜大于60 Kg/ m3，否則由于攪拌用水量太少，混凝土出機(jī)坍落度將難以保證，唯有盡量減少碎冰粒徑和延長攪拌時間，使冰在攪拌時間內(nèi)融為水，這又影響生產(chǎn)速度，無法滿足泵送施工得需求；另一方面。加冰量太大，碎冰得制備、存儲、添加及計量都帶來很大困難，也無法形成大批量生產(chǎn)。

根據(jù)理論計算及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，如果較好的控制原材料得溫度，則只需使用冰水系統(tǒng)就可以達(dá)到混凝土溫度控制的目的。如水泥90℃，粉煤灰40℃，砂、石、外加劑20℃，砂、石含水率分別取5%和1.5%，Q取1500 Kcal/ m3，則只需10℃冰水，出機(jī)溫度就可降到29.6℃。由此不難看出，碎冰和冰水制備雙系統(tǒng)在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和效率上都具有較大的優(yōu)勢。

同時，可以通過盡量安排在晚上施工，澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱，達(dá)到有效降低混凝土溫度；在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫；規(guī)定合理的拆模時間，氣溫驟降時進(jìn)行表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度；以及混凝土的早期養(yǎng)護(hù)措施。

5 結(jié)束語

混凝土的施工溫度與裂縫之間有著密切關(guān)系，目前同行對于具體的預(yù)防和改善措施基本上大同小異，同時在實(shí)踐中的應(yīng)用效果也是比較好的。但具體施工中要靠我們多觀察、多比較，出現(xiàn)問題后多分析、多總結(jié)，結(jié)合多種預(yù)防處理措施，混凝土的裂縫是可以控制的。

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