大體積混凝土溫控抗裂性能評(píng)價(jià)及溫度裂縫防控措施

劉曄

摘要： 針對(duì)大體積混凝土溫度裂縫的防治問題，通過采用新的混凝土入模設(shè)備改進(jìn)傳統(tǒng)施工工藝，并引入有限元分析方法對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，從而能夠采取有效措施提高大體積混凝土的抗裂性能，提高混凝土質(zhì)量。

Abstract： Regarding to the problem of large volume concrete temperature crack prevention， the new concrete molding equipment is introduced to improve the traditional construction technology， and finite element analysis method is introduced to carry out the theory calculation of complex structure， so as to take effective measures to improve the large volume concrete crack resistance capacity and improve the quality of concrete.

關(guān)鍵詞： 大體積混凝土；溫度裂縫；裂縫控制措施；伸縮式皮帶輸送機(jī)；有限元分析方法

Key words： mass concrete；temperature crack；crack control measures；the telescopic belt conveyor；finite element analysis method

中圖分類號(hào)：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）02-0150-04

0 引言

大體積混凝土是指預(yù)計(jì)因膠凝材料水化熱等因素引起混凝土溫度變化導(dǎo)致裂縫或結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸等于或大于1m的混凝土，其在水運(yùn)工程中應(yīng)用廣泛，重力式碼頭現(xiàn)澆胸墻、高樁碼頭承臺(tái)、船閘和船塢混凝土底板、防波堤擋浪墻等均屬大體積混凝土施工。盡管在施工中采取各種措施，但大體積混凝土裂縫仍時(shí)有出現(xiàn)。究其原因，大體積混凝土裂縫主要是由混凝土溫度應(yīng)力變化不均勻所致的溫度裂縫發(fā)展形成，此類裂縫往往會(huì)形成貫穿性裂縫，對(duì)水運(yùn)工程結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、整體性和耐久性產(chǎn)生不利影響。本文結(jié)合一項(xiàng)較為成功的工程案例，對(duì)大體積混凝土溫度裂縫控制措施進(jìn)行一下探討。

1 課題研究?jī)?nèi)容

某碼頭工程現(xiàn)澆混凝土胸墻為大體積混凝土，具有工期緊、施工干擾大、施工海況等自然條件差、質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，為了避免或減少溫度裂縫產(chǎn)生，提高胸墻混凝土施工質(zhì)量，達(dá)到優(yōu)質(zhì)混凝土工程的目標(biāo)，對(duì)各種大體積混凝土溫度裂縫防治措施進(jìn)行了比較和探究，并選擇了適宜的施工措施，較好的解決了大體積混凝土溫度裂縫控制的難題，達(dá)到了控制大體積混凝土溫度裂縫的目的。

本大體積混凝土工程澆注斷面如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求以上結(jié)構(gòu)斷面的胸墻段長(zhǎng)為12.5m，總澆注方量約為685方，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)為C35F250，本結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸大于1m，屬于大體積鋼筋混凝土。

1.1 澆注工藝的選擇

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，由于結(jié)構(gòu)跨度大，常規(guī)的澆注工藝為泵送，但是泵送混凝土必須采用坍落度大、粗骨料粒徑小的配合比，這對(duì)混凝土防裂是非常不利的，因此必須選擇其它澆注工藝。首先考慮了吊機(jī)配吊罐的常規(guī)工藝，該工藝能夠滿足坍落度和骨料粒徑的要求，但是施工效率低，必須同時(shí)使用兩組設(shè)備才能勉強(qiáng)滿足該工程的澆注要求，而且安全隱患大，成本較高。為解決混凝土入模工藝問題，我們多方尋找，發(fā)現(xiàn)了一種被稱為“Putzmeister Telebelt”（伸縮式皮帶輸送機(jī)）的設(shè)備，該設(shè)備由德國(guó)普茨邁斯特公司制造，最早是為貨場(chǎng)堆放材料所設(shè)計(jì)，最近幾年在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中有所應(yīng)用。如圖2，圖3所示。

伸縮式皮帶輸送機(jī)澆筑跨度可達(dá)到35m左右，可滿足本工程全斷面布料要求，混凝土澆筑效率理論可達(dá)到280m3/h，施工現(xiàn)場(chǎng)受拌合站拌合能力，施工場(chǎng)地限制等因素影響實(shí)際澆筑工效可達(dá)到100m3/h，能夠充分滿足趕潮施工要求，同時(shí)在安全性和降低成本方面也具有較大的優(yōu)勢(shì)。

1.2 配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化和原材料優(yōu)選

混凝土防裂的最重要因素是配合比的設(shè)計(jì)和原材料的選用，在解決了澆注工藝的基礎(chǔ)上，配合比優(yōu)化就成為控制的重點(diǎn)，本工程委托了具有豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)試驗(yàn)檢測(cè)公司進(jìn)行了配合比設(shè)計(jì)。本工程C35F250混凝土經(jīng)試拌后確定為以下配合比，詳見表1 C35F250混凝土配合比設(shè)計(jì)。

本配合比中，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；礦物摻合料采用粉煤灰和礦粉雙摻，摻量為膠凝材料總量的50%，其中粉煤灰摻量20%，礦粉摻量30%，粉煤灰為Ⅰ級(jí)粉煤灰，礦粉為S95級(jí)；外加劑為聚羧酸系外加劑，減水率高、抗收縮性好；砂采用水洗河砂，為中粗砂；碎石采用5-16、16-31.5、31.5-63三級(jí)配合成的連續(xù)級(jí)配；水膠比為0.4；砂率為38.0%；坍落度為110mm。

由于水泥水化熱的大小直接決定了混凝土的溫度應(yīng)力的大小，配合比試拌前對(duì)工程地點(diǎn)附近常用幾家優(yōu)質(zhì)水泥廠：日照山水、日照大宇、淄博山鋁3個(gè)P.O42.5規(guī)格普通硅酸鹽水泥品種進(jìn)行水化熱試驗(yàn)測(cè)定，各品種水泥試樣水化熱試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如下，詳見表2各水泥品種水化熱測(cè)試表。

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定日照大宇P.O42.5普通硅酸鹽水泥水化熱最低，適宜用于大體積混凝土的拌制。

1.3 大體積混凝土配合比溫控抗裂性能評(píng)價(jià)

在配合比設(shè)計(jì)基本確定并取得相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》給出的理論計(jì)算公式，對(duì)該大體積混凝土配合比的抗裂性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于該胸墻結(jié)構(gòu)中有較多管廊，邊界條件較為復(fù)雜，理論計(jì)算的方法不能全面反映該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上我們同時(shí)采用大型有限元分析軟件ANSYS對(duì)本結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比。

1.3.1 溫度和溫度應(yīng)力估算

以上評(píng)價(jià)指標(biāo)顯示本配合比混凝土內(nèi)部溫控抗裂性能較差，存在產(chǎn)生溫度裂縫的風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)一步采取大體積混凝土防裂措施，減小混凝土內(nèi)部應(yīng)力或增大混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，以最大程度減少大體積混凝土溫度裂縫的出現(xiàn)。

1.4 大體積混凝土溫度裂縫控制措施

為解決本斷面大體積混凝土防裂問題，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取了以下針對(duì)性措施。

①通過合理分層厚度，增加澆筑層層面散熱量。由于本工程為趕潮施工，因此趕潮施工的部位按50cm厚度分層連續(xù)澆筑，保證澆筑速度使?jié)仓禹斆嫖挥诔蔽灰陨?，潮位以上澆筑的混凝土?0cm，分層并適當(dāng)在相鄰層澆筑層間增加澆筑間隔，充分利用澆筑層面散熱。

②控制混凝土的入模溫度，減小溫度梯度，降低溫度應(yīng)力。在夏季澆筑時(shí)采取冷水拌合、水洗石料和夜間澆筑等方法，降低混凝土的入模溫度；在低溫季節(jié)通常采用熱水拌合、加熱砂石料和中午高溫時(shí)間澆筑等方法，合理控制混凝土的施工溫度，從而減少溫度應(yīng)力產(chǎn)生。施工期各溫控監(jiān)測(cè)到最大混凝土澆注溫度為22.8℃，平均混凝土澆注溫度為19.7℃，有效降低了混凝土入模溫度，從而降低了混凝土的內(nèi)部最高溫度，同時(shí)也很好的控制了溫升和溫降梯度，有效的控制了混凝土內(nèi)部最大拉應(yīng)力，根據(jù)建設(shè)單位委托的應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)到內(nèi)部最大拉應(yīng)力為6.03MPa。

③通過試驗(yàn)對(duì)比江西眾大、青島康立達(dá)、鞍山鵬程等幾家外加劑品種，從中選擇了水泥適應(yīng)性較好的優(yōu)質(zhì)減水劑，從而有效降低水灰比，最大程度的降低混凝土塌落度，延緩水泥迅速水化放熱，增加混凝土膠凝材料粘結(jié)力，同時(shí)有效減少混凝土干燥收縮。

④增大混凝土骨料最大粒徑，采用了5mm-16mm、16mm-31.5mm、31.5mm-63mm三個(gè)的連續(xù)級(jí)配規(guī)格的碎石，增強(qiáng)混凝土斷面的抗剪能力，提高混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

由于采用了以上兩項(xiàng)防裂措施，本工程混凝土入模塌落度按60mm控制，混凝土骨料最大粒徑達(dá)到63mm，對(duì)混凝土泵送澆筑入模的工藝產(chǎn)生了制約，不能采用泵車澆筑混凝土，必須引入新澆筑工藝以滿足混凝土施工性能要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽檢試塊結(jié)果，采用了大粒徑碎石后原配合比的劈裂抗拉強(qiáng)度有了明顯的提高，抽測(cè)指標(biāo)值可達(dá)到7.83 MPa，從而提高了大體積混凝土的內(nèi)部溫控抗裂安全性能。

⑤加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，混凝土澆筑完成和模板拆除后及時(shí)進(jìn)行覆蓋，氣溫驟降時(shí)未拆模澆筑段在模板表面做保溫處理，避免混凝土表面產(chǎn)生過大溫度梯度，并確保膠凝材料水化反應(yīng)的順利進(jìn)行，達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度指標(biāo)。

本工程采用塑料薄膜、土工布及薄泡沫板作為保溫材料，保溫和保水效果良好。

⑥高溫區(qū)設(shè)置降溫井、埋設(shè)冷卻水管、廊道內(nèi)少量蓄水三種方案的輔助降溫方案的比選：高溫區(qū)設(shè)置降溫井可有效的增加散熱面積調(diào)整混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)結(jié)構(gòu)，但由于本工程大體積混凝土澆筑后仍需繼續(xù)澆筑面層，設(shè)置降溫井處對(duì)面層產(chǎn)生較大約束，容易在該位置產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象對(duì)后續(xù)面層防裂縫有不利影響；埋設(shè)冷卻水管可有效依靠水循環(huán)降低混凝土內(nèi)部溫度，但冷卻水管通水降溫需現(xiàn)場(chǎng)控制冷卻水溫度，操作和管理難度較大，容易產(chǎn)生冷卻水水溫太低的情況，冷卻水管周邊溫度驟降，產(chǎn)生溫度梯度反而會(huì)增大混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力，造成溫度裂縫。

考慮到本結(jié)構(gòu)本身自帶3道廊道，有較好的降溫效果，因此最終選用在廊道底部少量蓄水，通過增加水份蒸發(fā)量達(dá)到增強(qiáng)廊道降溫散熱，通過熱交換達(dá)到良好的降低混凝土內(nèi)部最高溫度效果。

⑦大體積混凝土溫控指標(biāo)監(jiān)測(cè)結(jié)果。實(shí)施以上防裂措施后對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫控監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》JTS202-1-2010的相關(guān)規(guī)定，溫控監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)根據(jù)溫度場(chǎng)有限元分析結(jié)果布置，監(jiān)測(cè)到混凝土內(nèi)部最高溫度為68.4℃，各溫控監(jiān)測(cè)段平均混凝土內(nèi)部最高溫度為51.7℃；混凝土內(nèi)表最大溫差25℃；混凝土最高澆筑溫度為22.8℃。

2 工藝實(shí)施效果

通過采取了以上大體積混凝土溫度裂縫控制措施，該工程的大體積混凝土內(nèi)部溫控抗裂安全系數(shù)可達(dá)到1.3以上，大大提高了內(nèi)部溫控抗裂性能指標(biāo)，雖然相對(duì)《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》JTS202-1-2010相關(guān)規(guī)定本抗裂安全系數(shù)仍偏低，但經(jīng)過本工程一百余段現(xiàn)澆胸墻大體積混凝土的施工實(shí)踐，以上大體積混凝土溫度裂縫防控措施有效的防止了混凝土溫度裂縫的出現(xiàn)，取得了很好的實(shí)踐效果，全部胸墻混凝土未出現(xiàn)貫穿性溫度裂縫，且基本未發(fā)現(xiàn)表面龜裂。施工過程中監(jiān)理、業(yè)主和質(zhì)監(jiān)站多次現(xiàn)場(chǎng)檢查均未發(fā)現(xiàn)大體積混凝土溫度裂縫，對(duì)該工程溫度裂縫控制措施給予一致認(rèn)可。

3 實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)

伸縮式皮帶輸送機(jī)是比較理想的大體積混凝土輸送入模設(shè)備，但是其澆注高度較小，從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來看超過5m的大體積混凝土就會(huì)造成皮帶機(jī)全幅度澆注的困難，輸送效率明顯降低。另外，該設(shè)備在國(guó)內(nèi)保有量較小，協(xié)調(diào)難度較大。

在有限元分析中要充分考慮各種邊界條件對(duì)應(yīng)力分布的影響，否則分析結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大出入，因此對(duì)于約束條件比較復(fù)雜的單元進(jìn)行有限元分析的技術(shù)難度和計(jì)算量均較大，需專業(yè)設(shè)計(jì)人員操作。

4 效益評(píng)估

本工程在大體積混凝土的裂縫控制方面進(jìn)行了一些新的嘗試和改進(jìn)，取得的效果比較理想，基本解決了裂縫問題。特別是伸縮式皮帶輸送機(jī)的應(yīng)用，在提高施工效率、降低混凝土拌合成本、節(jié)約資源方面均具有較好效果。本工程施工中創(chuàng)造了單月澆注40段胸墻的紀(jì)錄，同時(shí)由于采用了大粒徑碎石和新型布料機(jī)械，使大體積混凝土施工成本降低，符合節(jié)能、環(huán)保的科學(xué)發(fā)展要求。

5 結(jié)語

本文對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實(shí)踐上的初步探討，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際介紹了幾種在實(shí)踐中達(dá)到了良好應(yīng)用效果的溫度裂縫防控措施。伸縮式皮帶輸送機(jī)輸送工藝和有限元分析的應(yīng)用，對(duì)大體積混凝土裂縫防控具有較好的實(shí)踐意義，值得在工程施工中推廣應(yīng)用。

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