U型橋臺(tái)大體積砼溫度裂縫防治研究

劉立鵬

寧夏交通建設(shè)股份有限公司 寧夏 銀川 750000

正文：

1、概述

銀百高速公路YB01-3區(qū)段全長(zhǎng)29km，工程內(nèi)容包含7座U型重力式橋臺(tái)通道，橋臺(tái)上口寬度1.2m，背墻坡度3:1，底口寬度2.5-2.7m，屬于典型的大體積砼結(jié)構(gòu)。目前，區(qū)內(nèi)公路施工中所涉及到的類似結(jié)構(gòu)的大體積砼，施工后構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的情況非常普遍，尤其該項(xiàng)目位于大陸性中溫帶干旱及半干旱氣候區(qū)，氣候特點(diǎn)是干旱少雨，蒸發(fā)強(qiáng)烈，晝夜溫差大，這種地區(qū)環(huán)境條件對(duì)砼裂縫控制造成了較大難度。為此，在該項(xiàng)目的U型橋臺(tái)施工中，裂縫防治作為質(zhì)量控制的一個(gè)重點(diǎn)。本文也是旨在通過過程中所采取的一些控制方法及跟蹤檢測(cè)結(jié)果，總結(jié)一套裂縫防治的有效措施，亦為后續(xù)類似工程提供一些參考。

2、溫度裂縫成因及種類

大體積砼的裂縫形成原因比較復(fù)雜，其中之一就是溫度因素引起的裂縫，本文主要是總結(jié)溫度裂縫的防控措施。

大體積砼的裂縫按照深度不同，分為表面裂縫、深層裂縫及貫穿裂縫三種，貫穿裂縫是切斷了結(jié)構(gòu)斷面，破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，對(duì)結(jié)構(gòu)造成的危害最大。

大體積砼施工階段的溫度裂縫，主要是砼內(nèi)外溫差及其受力特性造成的，內(nèi)外溫差造成了內(nèi)外產(chǎn)生不同的應(yīng)力，而其本身特性是抗壓強(qiáng)、受拉弱，砼膨脹及收縮過程產(chǎn)生的不同應(yīng)力造成了裂縫的產(chǎn)生。裂縫的產(chǎn)生分為兩個(gè)階段：一是砼澆筑初期，水泥產(chǎn)生大量水化熱，內(nèi)部溫度迅速升高，體積膨脹，此時(shí)砼早期強(qiáng)度不足，形成表面開裂的裂縫。二是砼硬化后期，冷卻收縮，產(chǎn)生拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力大于升溫膨脹產(chǎn)生的壓應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過極限拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生裂縫，并發(fā)展為貫穿裂縫。

3、主要控制措施

3.1 研究的主要方向及依據(jù)

大體積砼的裂縫控制，對(duì)施工和養(yǎng)護(hù)的條件有其特殊要求，主要要滿足下列要求。

?

表中的指標(biāo)要求很明確的指出了溫度裂縫兩個(gè)控制方向：

（1）降低砼早期水化熱溫度（砼內(nèi)部溫度大于60℃，裂縫風(fēng)險(xiǎn)增加，大于75℃，發(fā)生幾率極大）。

（2）改善環(huán)境溫度影響，降低砼內(nèi)外溫差（砼內(nèi)外溫差大于25℃，裂縫風(fēng)險(xiǎn)增大，大于30℃，發(fā)生幾率極大）。

3.2 主要措施

根據(jù)上述溫控指標(biāo)的要求，“內(nèi)降外?！笔欠乐未篌w積砼溫度裂縫行之有效的途徑，通俗的講就是降低內(nèi)部水化熱，阻礙內(nèi)部“發(fā)燒”，對(duì)外部進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，防止暴露“著涼”。

3.2.1 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，降低水化熱溫度

要降低水化熱峰值溫度，首先必須從水化熱的發(fā)熱源著手，降低水泥用量是最直接的方法。初期，項(xiàng)目采用的大體積C25砼配合比是400kg膠凝材料，其中：水泥、粉煤灰、礦渣粉比例為240kg:80kg:80kg。但水化熱的峰值溫度較高。為此，對(duì)膠凝材料的比例進(jìn)行了較大調(diào)整，具體比例為：水泥：粉煤灰：礦渣粉=150kg:170kg:80kg。調(diào)整后，峰值溫度降低明顯。且在增大了粉煤灰摻量后。一定程度上能夠減緩水化熱速度，推遲溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間，避免了溫度劇烈升高的風(fēng)險(xiǎn)。

兩種配合比抗壓和抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)變化曲線

兩種配合比室內(nèi)內(nèi)部溫度變化曲線

室內(nèi)溫度檢測(cè)

通過上述檢測(cè)曲線可以看出：

1）膠凝材料比例調(diào)整后，28天抗壓強(qiáng)度滿足要求?？紤]到大體積砼在硬化收縮階段會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，防止其抗裂性能減弱，試配時(shí)我們也做了抗折試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果與240kg水泥用量沒有明顯降低。根據(jù)大體積砼施工的技術(shù)規(guī)范規(guī)定：“大體積砼進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)及質(zhì)量評(píng)定時(shí)，可按60d齡期的抗壓強(qiáng)度控制”，因此，配合比仍有優(yōu)化的空間。本項(xiàng)目施工時(shí)，考慮到砼強(qiáng)度等檢測(cè)指標(biāo)上的風(fēng)險(xiǎn)，仍然采用了28d強(qiáng)度結(jié)果作為配合比設(shè)計(jì)依據(jù)，試配及檢測(cè)更多的是從施工實(shí)體結(jié)構(gòu)安全考慮，室內(nèi)試驗(yàn)可以更大膽的嘗試與驗(yàn)證。

2）從兩種配合比砼內(nèi)部溫度變化曲線看，峰值溫度有著明顯區(qū)別，且水泥用量降低時(shí)，曲線總體較為緩和，這對(duì)峰值后降溫速率“宜不大于2℃/d”的要求更好實(shí)現(xiàn)。

3.2.2 降低水泥溫度，穩(wěn)定砼的工作性，抑制砼早期裂縫發(fā)生

目前，受國(guó)家產(chǎn)能調(diào)整的影響，水泥廠供應(yīng)的水泥，出場(chǎng)溫度均較高，大部分都超過了60℃（規(guī)范規(guī)定水泥“入機(jī)溫度不應(yīng)大于60℃”）。大體積砼對(duì)拌和用水量有明確要求“不大于175kg/m3”，水泥溫度過高，砼早期強(qiáng)度形成過程中需水量會(huì)增加，砼內(nèi)部自由水不足時(shí)，容易出現(xiàn)干縮裂縫。試配過程中，我們也做了相應(yīng)的試驗(yàn)，采用不同溫度的水泥拌制同條件試塊，在室外自然養(yǎng)生狀態(tài)條件下，水泥溫度較高的試塊表面會(huì)更早出現(xiàn)裂紋，且其裂縫發(fā)展深度較快。這也一定程度上證明了，水泥溫度對(duì)砼裂縫的產(chǎn)生有著直接關(guān)系。因此，降低拌制砼的水泥溫度也是防止裂縫發(fā)生的一項(xiàng)重要措施。

同時(shí)，水泥溫度過高，砼拌合物工作性能不穩(wěn)定，澆筑過程易出現(xiàn)坍損、離析、泌水等情況，這些也是大體積砼施工最為不利和要杜絕的問題。

針對(duì)這個(gè)問題，今年項(xiàng)目上采用了增加水泥罐車，延長(zhǎng)留置時(shí)間，并搭設(shè)遮陽棚，罐車留置遮陽棚內(nèi)3天左右溫度可以降低10℃左右，同時(shí)每臺(tái)拌和機(jī)配備的兩個(gè)水泥罐，循環(huán)使用，這樣對(duì)降溫起到了很大作用。

水泥進(jìn)場(chǎng)溫度

遮陽棚降溫

3.2.3 控制砼出料溫度，降低溫升的初值

夏季施工，因?yàn)楦鞣N影響因素的互相存在，正常情況下，不采取任何措施，砼出料溫度及入模溫度往往會(huì)超過規(guī)范要求（大體積砼對(duì)入模溫度要求是“不宜大于28℃”，有研究證明，溫升初值對(duì)峰值的影響有著直接的關(guān)系，入模溫度高于32℃，其中心溫度峰值時(shí)可高達(dá)80℃以上）。對(duì)此，因集料均是搭棚儲(chǔ)存，不存在太陽暴曬升溫的問題，最直接有效的降溫措施就是通過降低拌和用水的溫度來降低出料的溫度，并通過縮短運(yùn)輸及澆筑時(shí)間來控制入模前的溫度增長(zhǎng)。通常情況下，采用深井水拌制砼是較為經(jīng)濟(jì)和效果較好的方式，但今年因項(xiàng)目施工條件限制，我們采用了拌和用水加冰的方式降溫，通過過程檢測(cè)，砼的施工溫度得到了很好的控制。

從觀測(cè)曲線可以看出：

在外界環(huán)境溫度30-35℃左右的情況下，常溫水拌制的砼，溫度基本在27-33℃，基本會(huì)超過28℃，而加冰后水溫由20℃降低至15℃左右時(shí)，砼的出料溫度可以控制在24℃以內(nèi)。且其從運(yùn)輸?shù)綕仓?.5h內(nèi)（罐體必須有完整的罐衣包裹），升溫2-3度，入模溫度一般不會(huì)高于28℃。

3.2.4 布設(shè)降溫管，降低內(nèi)部水化熱溫度

大體積砼因其自身體積大的原因，不易散熱，容易出現(xiàn)內(nèi)部熱量積聚的問題，為此，我們首先通過理論計(jì)算確定了內(nèi)表溫差的估值，其溫差大于25℃（后附計(jì)算書），按要求須采取內(nèi)部降溫措施。

降溫措施采用較為成熟的循環(huán)水降溫方案。根據(jù)U型橋臺(tái)的幾何形狀及尺寸，降溫管分層布設(shè)，層間距0.75-1.0m（與模板固定拉桿對(duì)應(yīng)，方便固定且不易損壞），根據(jù)橋臺(tái)高度，設(shè)置3-4層，每層降溫管按U型布設(shè)于同一水平面，橫管間距0.75m，縱管距離砼外緣0.5m，每2層聯(lián)通，將進(jìn)水口與出水口統(tǒng)一規(guī)整到循環(huán)水儲(chǔ)水罐內(nèi)，形成一個(gè)閉合循環(huán)。降溫管采用管徑DN40的焊接鋼管，彎頭處焊管連接，焊接完成做試壓試驗(yàn)，保證密封不漏水，以防止施工時(shí)稀漿堵塞管道。

常溫水拌制砼的出機(jī)溫度與降溫水拌制砼出機(jī)溫度對(duì)比

砼拌制1.5h入模溫度增長(zhǎng)曲線

降溫管安裝施工現(xiàn)場(chǎng)

內(nèi)部溫度變化曲線表

降溫管水循環(huán)停止后溫度變化曲線

布設(shè)降溫管與添加片石兩種情況砼內(nèi)部溫度變化

進(jìn)出水口水溫觀測(cè)曲線（第5天之后加冰降溫）

從觀測(cè)曲線可以看出：

1）從溫度觀測(cè)記錄可以看出，水化熱溫度總體呈拋物線分布，峰值一般出現(xiàn)在第2天至第3天，第4天溫度逐漸開始降下來，4-7天下降趨勢(shì)明顯，8-14天基本降至常溫狀態(tài)。根據(jù)這個(gè)規(guī)律，水循環(huán)的降溫重點(diǎn)應(yīng)放在澆筑后一周內(nèi)，尤其是第2-3天。

2）從水循環(huán)停止后的溫度變化看，正常水循環(huán)情況下，砼內(nèi)最高溫度52℃，一般為47-48℃最高。若在第2-3天停止水循環(huán)，溫度會(huì)急劇升高，停水5-6小時(shí)可達(dá)55℃以上，7-8小時(shí)65℃以上，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，內(nèi)部溫度仍會(huì)增長(zhǎng)，說明連續(xù)水循環(huán)的效果是有效的。

3）從布設(shè)降溫管和采用片石砼兩種溫度變化看，片石砼峰值溫度明顯要高出布設(shè)降溫管砼溫度，且其峰值溫度會(huì)高于60℃。片石砼在降低水化熱方面不具有明顯作用，這也印證了以往大體積片石砼施工后，早期即出現(xiàn)裂縫的原因。

4）根據(jù)規(guī)范規(guī)定“進(jìn)出水口的溫差不宜大于10℃，且水溫與內(nèi)部砼的溫度不大于20℃”，因此，降溫管所用的水，在早期不宜采用溫度過低的水，但為了起到明顯降溫的作用，在水循環(huán)一定時(shí)間，溫度明顯升高后，可以更換循環(huán)水或加入適當(dāng)冰塊降溫。

5）大體積砼澆筑塊體溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置，以能真實(shí)反映出砼結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差、降溫速度及環(huán)境溫度為原則，根據(jù)U型橋臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別布置中心溫度與表面溫度測(cè)溫點(diǎn)，每道墻體設(shè)置兩處，作為溫度校正，如下圖所示。測(cè)溫元件安裝時(shí)，保證位置準(zhǔn)確，固定牢固，引出線集中布置，并加以保護(hù)，砼澆筑過程中，下料時(shí)及振搗時(shí)，防止損壞測(cè)溫元件及其引出線。

3.2.5 加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)條件控制，防控砼收縮階段出現(xiàn)裂縫

保溫保濕養(yǎng)護(hù)是大體積砼施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的主要是降低大體積砼內(nèi)外溫差值以降低結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，其次是降低大體積砼的降溫速度，充分利用砼的抗拉強(qiáng)度，以提高砼承受收縮應(yīng)力的抗裂能力，措施不到位，砼第二階段裂縫就難以控制。本項(xiàng)目施工地受地區(qū)環(huán)境晝夜溫差大的影響，若U型橋臺(tái)在自然情況下裸露養(yǎng)護(hù)，內(nèi)外溫差極易出現(xiàn)大于25度的情況，裂縫發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)非常大。

針對(duì)此種情況，項(xiàng)目分階段做了相應(yīng)的措施：一是澆筑完成到拆模期間（一般2天），內(nèi)部水化熱溫度急劇升高過程，白天為了避免暴曬，采用遮陰網(wǎng)覆蓋，降低模內(nèi)砼溫度，以利于砼散熱。二是夜間外界自然溫度較低，內(nèi)外溫差加大的時(shí)候，墻體在覆蓋養(yǎng)生透水土工布的基礎(chǔ)上，加蓋一層三布兩膜防水土工布（重量700g/m2），起到保溫、減緩砼熱量流失的作用。三是采用定時(shí)自動(dòng)噴淋裝置養(yǎng)生，確保砼表面始終濕潤(rùn)，養(yǎng)生水采用日照升溫后的溫水，夜間一般用升溫后的循環(huán)水。四是養(yǎng)生期按照14天控制，降低砼收縮徐變產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

內(nèi)外溫差檢測(cè)變化曲線

3.2.6 其他措施

大體積砼溫度裂縫是裂縫防治主要方向，但因其裂縫原因的多樣性，更因砼施工本身就是個(gè)系統(tǒng)工程，只有多方面的充分考慮，才能完善和提高砼的抗裂性能，防止裂縫的發(fā)生。本項(xiàng)目施工時(shí)，我們也在以下方面進(jìn)行了考慮。

1）從增強(qiáng)砼拉應(yīng)力的性能出發(fā)，砼配比中可增加聚乙烯醇纖維（功能同鋼纖維，但拌合物勻質(zhì)性及工作性更好，利于泵送，按照膠凝材料1.2%摻量考慮），提高抗裂性能。

2）從補(bǔ)償收縮的性能出發(fā)，采用微膨脹砼（膨脹劑用量按照40kg/m3考慮）。

3）從提高砼各項(xiàng)指標(biāo)及性能角度出發(fā)，粗、細(xì)集料的含泥量（碎石不大于1%，砂不大于2%）及其他指標(biāo)檢測(cè)應(yīng)作為大體積砼施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

4）從更好的降低水化熱的角度出發(fā)，可以采用降溫管+片石方式，但在施工環(huán)節(jié)片石添加要防止傷損降溫管，其用量和均勻性要作到有效控制。

5）從防止出現(xiàn)施工縫及薄弱層，保證澆筑的連續(xù)性角度出發(fā)，大體積砼澆筑宜采用泵送砼，但要控制好水膠比，防止離析、泌水（泌水量不得大于10L/m3）。

6）從提高基礎(chǔ)荷載能力及提高整體抗裂能力方面考慮，視不同基礎(chǔ)要采取不同的措施，巖性基礎(chǔ)宜鋪設(shè)砂礫滑動(dòng)層。土質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)情況要做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)，尤其目前很多設(shè)計(jì)在控制路基填筑高度的同時(shí)，通道橋多數(shù)采用被交路下挖的方式，橋內(nèi)積水容易產(chǎn)生基礎(chǔ)不均勻沉降而造成橋臺(tái)裂縫。

4、結(jié)語

大體積砼作為砼工程施工的一個(gè)難點(diǎn)，裂縫的防治不是一蹴而就就能解決的，只有深入了解其性能，采取相應(yīng)的、有效的措施才能有所改善。本項(xiàng)目U型橋臺(tái)的施工，在采取上述措施后，在第一個(gè)階段，即水化熱導(dǎo)致砼膨脹階段，裂縫得到了有效控制，在施工后的20-30天內(nèi)均沒有出現(xiàn)裂縫。但第二個(gè)階段，砼冷卻收縮階段，部分橋臺(tái)仍不同程度的出現(xiàn)了豎向裂縫，這與其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及環(huán)境條件有著直接關(guān)系。U型橋臺(tái)長(zhǎng)寬比大，總體呈條片狀結(jié)構(gòu)，易出現(xiàn)收縮應(yīng)力超過極限抗拉應(yīng)力的情況，且其長(zhǎng)時(shí)間暴露于自然條件下（大體積砼規(guī)范要求拆模后，地下及時(shí)回填土，地上盡早裝飾，不易長(zhǎng)期暴露在自然條件下），這與基礎(chǔ)類大體積砼不同，容易因反復(fù)漲縮而發(fā)生裂縫。

通過本項(xiàng)目的實(shí)施，我們也深有體會(huì)到，只要在施工過程的各個(gè)環(huán)節(jié)上考慮充分且措施到位，其病害發(fā)生還是可控的，對(duì)于已出現(xiàn)的裂縫，更要結(jié)合構(gòu)造物特點(diǎn)，不斷總結(jié)和積累基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，逐步補(bǔ)充和完善預(yù)控及解決方案，并將預(yù)控方案切實(shí)應(yīng)用到具體的施工中去。

附件1：是否采取降溫措施，溫控制計(jì)算書

工程內(nèi)容包含7座U型重力式橋臺(tái)通道，橋臺(tái)上口寬度1.2m，背墻坡度3:1，底口寬度2.5-2.7m，屬于典型的大體積砼結(jié)構(gòu)。水泥：粉煤灰：礦渣粉=150kg:170kg:80kg。

混凝土的澆筑時(shí)間在7～8月。

1）混凝土的最大絕熱溫升

計(jì)算公式：T（t）=（WQ/cρ）（1-e-mt）

式中： T（t）——混凝土絕熱溫升值（℃）；

W——混凝土膠凝材料用量（kg/m3）；

Q——膠凝材料28d水化熱（kJ/kg），計(jì)算得出膠凝材料水化熱為292.5（kJ/kg）；

（采用粉煤灰與礦渣粉雙摻Q=kQ水泥，其中粉煤灰和礦渣粉占總膠凝材料用量百分百分別是37.5%和20%，查表并計(jì)算k為0.85，Q水泥=375（kJ/kg）；）

c——混凝土比熱、取0.96[J/（kg.K）]；

ρ——混凝土密度、取2400（kg/m3）；

e——為常數(shù)，取2.718；

t——混凝土的齡期（d），取t取無限大;

m——與水泥平整、澆筑振搗時(shí)溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。一般為0.2-0.4；取0.4；

T（t）=（WQ/cρ）（1-e-mt）

=[（400×292.5）/（0.96×2400）]×（1-0）

=50.78 ℃

故絕熱溫升值T（h）=50.78 ℃

2）混凝土內(nèi)部中心最高溫度計(jì)算

計(jì)算公式：Tmax=T0+T（t）×ξ

式中：Tmax——混凝土內(nèi)部中心最高溫度（℃），因3d為混凝土澆筑后的最大溫升，故取齡期為3d。

T0——混凝土的澆筑溫度（℃），T0=27 ℃；

ξ——不同的澆筑塊厚度，不同臨期時(shí)的降溫系數(shù)，查表的澆筑塊后2.5m，臨期3d時(shí)，ξ=0.65；

Tmax=T0+T（t）×ξ

=27+50.78×0.65=60 ℃

3）混凝土表層溫度計(jì)算（表面下50～100mm處）

Tb（t）=Ta+4[h’（H-h’）（Tmax- Ta）]/H2

式中:Tb（t）——混凝土表面溫度（℃）；

Ta——臨期t時(shí)，大氣的平均溫度（℃），取22℃（查2018年鹽池7、8月平均溫度）；

h’——混凝土的虛厚度（m）;

H——混凝土計(jì)算厚度（m）;

（1）求h’，混凝土的虛厚度；

h’=Kλ/β

=（0.666×2.33）/23=0.07 m

式中: K——計(jì)算折減系數(shù)，可取0.666；

λ——混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33W/（m.k）；

β——模板及保溫層的傳熱系數(shù)；β=1/[（∑δi/λi）+1/βa）]；δi為各種保溫材料的厚度、λi為各種保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)、βa為空氣層傳熱系數(shù)，可取23 W/（m2.k）；

（2） 求H，混凝土計(jì)算厚度；

H=h+2h’

=2.5+2×0.07=2.64 m

式中：H——混凝土計(jì)算厚度（m）；

h——混凝土實(shí)際厚度（m），取2.5m。

（3） 求混凝土表層溫度；

Tb（t）=Ta+4[h’（H-h’）（Tmax- Ta）]/H2

=22+4×[0.07×（2.64-0.07）×（60-22）]/2.642

=22+4×[0.07×2.57×38]/2.642=26 ℃

則：混凝土中心溫度與表面溫度之差：

Tmax-Tb（t）=60-26=34＞25 ℃

混凝土表面溫度與大氣溫度之差：

Tb（t）-Ta=26-22=4＜25 ℃