淺談減少大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的措施

楊建平

（中鐵六局集團(tuán)路橋建設(shè)有限公司，云南 玉溪 410007）

1 工程簡(jiǎn)介

綠汁江大橋索塔大體積混凝土主要包括索塔承臺(tái)，尺寸為20.2 m×20.2 m×7 m，共計(jì)2 856.28 方混凝土，混凝土設(shè)計(jì)等級(jí)為C40；已于2019年11月20 日澆筑完成。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

2.1 水泥水化熱

水泥在水化過(guò)程中要產(chǎn)生大量的熱量，是大體積混凝土內(nèi)部熱量的主要來(lái)源。由于大體積混凝土截面厚度大，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，使混凝土內(nèi)部的溫度升高?；炷羶?nèi)部的最高溫度，大多發(fā)生在澆筑后的3 ～5 d，當(dāng)混凝土的內(nèi)部與表面溫差過(guò)大時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形。溫度應(yīng)力與溫差成比，溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗該溫度應(yīng)力時(shí)，就開始產(chǎn)生溫度裂縫。這就是大體積混凝土容易產(chǎn)生裂縫的主要原因。

2.2 外界氣溫變化

大體積混凝土在施工期間，外界氣溫的變化對(duì)大體積混凝土的開裂有重大影響?；炷羶?nèi)部溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫度和混凝土的散熱溫度三者的疊加。外界溫度越高，混凝土的澆筑溫度也越高。外界溫度下降，尤其是驟降，大大增加了外層混凝土與混凝土內(nèi)部的溫度梯度，產(chǎn)生溫差應(yīng)力，造成大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。因此控制混凝土表面溫度與外界氣溫溫差，也是防止裂縫的重要一環(huán)。

2.3 混凝土的收縮變形

在混凝土的拌合過(guò)程中，只有約20%的水分是水泥水化所必需的，其余80%要被蒸發(fā)?；炷林卸嘤嗨值恼舭l(fā)是引起混凝土體積收縮的主要原因之一。這種收縮變形不受約束條件的影響，如果存在約束，就會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。

3 措施

在云南公路工程建設(shè)過(guò)程中，地材、粉煤灰及外加劑品質(zhì)參差不齊及以混凝土回彈強(qiáng)度作為判定依據(jù)，為了確保混凝土強(qiáng)度，施工單位首先考慮是在合理的膠凝材料下加大水泥用量，粉煤灰摻量?jī)H為10%左右，而該工程屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，很容易因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而產(chǎn)生有害裂縫。為了避免溫度應(yīng)力，該文從原材料質(zhì)量、配合比、生產(chǎn)、澆筑、養(yǎng)護(hù)及耐久性等方面采取措施，嚴(yán)格控制。

3.1 原材料

3.1.1 水泥

由于引起混凝土絕熱溫升的因素主要是水泥的水化熱，水泥顆粒過(guò)細(xì)，水泥熟料中鋁酸三鈣含量過(guò)高，水泥的水化速度過(guò)快，水化熱集中釋放，混凝土因水化熱引起溫升過(guò)高，導(dǎo)致混凝土收縮增大、抗裂性降低，對(duì)混凝土耐久性不利。

水泥優(yōu)先選用質(zhì)量穩(wěn)定，比表面積控制在300 m2/kg～350 m2/kg，水泥熟料中C3A ≤8%，C2S 含量相對(duì)較高的水泥，3 d 的水化熱不宜大于250 kJ/kg，7 d 的水化熱不宜大280 kJ/kg。

由于云南水泥主要為普通硅酸鹽水泥和硅酸鹽水泥，而礦渣硅酸鹽水泥及其他水化熱低的水泥產(chǎn)量很少，甚至沒(méi)有，從使用量和成本等綜合考慮，該工程采用普通硅酸鹽水泥（昆鋼嘉華建材有限公司）等級(jí)為42.5，比表面積為337 m2/kg，C3A 為6.622%，堿含量為0.54%，3 d 天的水化熱不宜大于230 kJ/kg，7 d 天的水化熱不宜大279 kJ/kg，C3A 為7.93%。

3.1.2 骨料

粗骨料先選用吸水率低、線脹系數(shù)小的骨料，采用碎石，骨料最大粒徑宜小；混凝土骨料的級(jí)配合理、粒形良好，并保持潔凈。為減少膠凝材料的用量，采用混合級(jí)配（5 mm～10 mm ，10 mm～25 mm，2 種單粒級(jí)按20%∶80%摻配摻配后符合5 mm～25 mm 連續(xù)級(jí)配要求）。

細(xì)集料采用機(jī)制砂，因云南的石料形成多數(shù)是層狀，層間夾帶少量泥，含泥量偏高；壓碎值偏低，破碎后石粉含量偏大；為了更好地保證質(zhì)量，要求石粉含量必須≤7.0%，采用中砂，并選擇了云南石利爾建材有限公司雞冠山石廠，并在拌和站設(shè)置了洗石機(jī)，對(duì)含泥量高的骨料進(jìn)行清洗，確保質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

3.1.3 外加劑

選用緩凝型的高性能減水劑，質(zhì)量穩(wěn)定，減水劑與水泥及摻和料之間具有良好的相容性，提供外加劑對(duì)硬化混凝土收縮等性能的影響系數(shù)；減水劑含氣量不得大于3%。

適量引氣有利于改善混凝土過(guò)渡區(qū)，提高混凝土的抗凍性、抗?jié)B性、抗裂性（尤其云南地區(qū)溫差大）。混凝土中摻入少量引氣劑后，就能使每方混凝土中引入數(shù)千億個(gè)微小氣泡，使混凝土的工作性能和抗裂、抗凍融性能大大提高。

為了降低單方用水及降低水泥用量，進(jìn)一步降低水泥的總水化熱，采用安徽中鐵工程材料科技有限公司，RAWY101 高性能減水劑（緩凝型），減水率為29%，泌水率為16.5%，含氣量為2.6%，凝結(jié)時(shí)間差為+110 min，收縮率比為95%。

3.1.4 粉煤灰

粉煤灰的燒失量實(shí)際反應(yīng)的是粉煤灰中未燃碳的比率，燒失量越大，未燃碳含量越大。未燃碳是粉煤灰中的有害成分，會(huì)造成混凝土需水量過(guò)大（毛細(xì)吸附作用），水膠比過(guò)大，坍落度損失大、混凝土流動(dòng)性極不穩(wěn)定，影響澆筑質(zhì)量。同時(shí)，當(dāng)混凝土水膠比較大時(shí)，由于未燃碳比重較水泥顆粒小，易懸浮于混凝土表面，當(dāng)澆筑有間歇時(shí)，還會(huì)附著在模板周圍形成黑色的懸浮層，嚴(yán)重影響混凝土外觀。在經(jīng)濟(jì)方面，過(guò)高的燒失量其還會(huì)造成勃蘭特效應(yīng)降低，增加水泥用量。

粉煤灰采用Ⅱ級(jí)及以上的大廠粉煤灰。粉煤灰燒失量控制在3%以內(nèi)，任何情況下，粉煤灰燒失量不得大于5%，二氧化硅、三氧化二鐵及三氧化二鋁總質(zhì)量分?jǐn)?shù)不小于70%。

由于云南粉煤灰稀缺，假的也很多，我們對(duì)每批進(jìn)場(chǎng)的粉煤灰用顯微鏡進(jìn)行玻璃珠的辨別，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)合格，采用成都西物鐵建材有限公司，F(xiàn) 類II 級(jí)；細(xì)度為13.6%，需水量比為99%，燒失量為4.2%，二氧化硅、三氧化二鐵及三氧化二鋁總質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75.2%，游離氧化鈣含量為0.03%。

3.1.5 水

采用當(dāng)?shù)仫嬘盟?，檢驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

3.2 混凝土配合比

大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于減少水泥的總發(fā)熱量，降低混凝土內(nèi)部的最高溫度，以避免混凝土在內(nèi)外溫差作用下出現(xiàn)溫度應(yīng)力裂縫。在該承臺(tái)混凝土澆筑方量多、作業(yè)面積大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。新拌混凝土應(yīng)該具有較長(zhǎng)的緩凝時(shí)間，坍落度經(jīng)時(shí)損失值應(yīng)控制在2 h 范圍內(nèi)。在保證承臺(tái)混凝土強(qiáng)度及和易性要求的前提下，盡可能地采用低水灰比，降低單方用水量，并適當(dāng)提高礦物摻合料摻量和骨料含量，從而降低單位體積混凝土的水泥用量，減少混凝土干縮，并降低水泥水化的總發(fā)熱量。

在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，除了應(yīng)符合現(xiàn)行國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ 55 外，根據(jù)原材料的質(zhì)量要求，結(jié)合云南省行業(yè)狀況，我們主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行試配。

3.2.1 合理配比

采用齡期60 d混凝土抗壓強(qiáng)度作為混凝土配合比的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2.2 最佳坍落度

所配制的混凝土拌合物，到澆筑工作面的坍落度不宜大于180 mm。

3.2.3 影響混凝土過(guò)渡區(qū)的因素

水膠比不宜大于0.45，拌和水用量不宜大于170 kg/m3。水膠比是影響混凝土過(guò)渡區(qū)性能最關(guān)鍵的因素之一，也是影響混凝土和易性的和外觀質(zhì)量重要因素，過(guò)大的水膠比會(huì)顯著增加水泥用量，不但會(huì)使混凝土的水化溫度變高和熱量集中釋放，造成混凝土收縮變大、溫差開裂，還會(huì)造成外加劑摻量的敏感性，致使混凝土出現(xiàn)泌水等現(xiàn)象。所以規(guī)定水膠比不得大于0.40。

3.2.4 最佳膠凝材料總量

膠凝材料總量不宜大于450 kg/m3。

3.2.5 “雙摻”技術(shù)

采用“雙摻”技術(shù)，以粉煤灰取代部分水泥，減少大體積混凝土的單位水泥用量；粉煤灰摻量不宜超過(guò)膠凝材料總量的40%。粉煤灰摻量應(yīng)適當(dāng)增加，但不宜超過(guò)膠凝材料用量的40%，膠凝材料中摻入粉煤灰的主要目的是為了降低大體積混凝土的水化熱總量及放熱速度，降低混凝土絕熱溫升，但是隨著粉煤灰摻量的增加，混凝土的抗拉強(qiáng)度也會(huì)降低，不過(guò)與其損失的抗拉強(qiáng)度相比，在一定摻量范圍內(nèi)，降低水化熱總量及放熱速度是主要因素。

3.2.6 最佳砂率

砂率宜為38%～42%。

3.2.7 耐久性

結(jié)合云南的氣候環(huán)境，主要從電通量和抗裂性2 個(gè)方面進(jìn)行考慮。通過(guò)電通量來(lái)評(píng)價(jià)混凝土原材料和配合比對(duì)混凝土抗?jié)B透性能的影響和間接評(píng)價(jià)混凝土的密實(shí)性。過(guò)抗裂性對(duì)不同原材料和配比混凝土之間的相對(duì)比較，以選擇在標(biāo)準(zhǔn)條件下抗裂性能相對(duì)較好的配合比用于施工。

綜上所述，我們最終確定混凝土配合比如下。

3.2.7.1 配合比

混凝土配合比設(shè)計(jì)坍落度為160 mm～200 mm，根據(jù)試拌混凝土性能的情況及28 d 強(qiáng)度結(jié)果，最終選定的理論配合比每方混凝土中各種原材料用量見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比各原材料用量

3.2.7.2 各項(xiàng)性能指標(biāo)

配合比各項(xiàng)指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求，見(jiàn)表2。

表2 混凝土拌合物性能檢測(cè)結(jié)果

3.2.7.3 混凝土配合比的絕熱溫升

①水泥水化熱計(jì)算

式中：Q3—在齡期3 d 時(shí)的累積水化熱（kJ/kg）。

Q7—在齡期7 d 時(shí)的累積水化熱（kJ/kg）。

Q0—水泥水化熱總量（kJ/kg）。

Q0=4/（7/279-3/230）=332.0569kJ/kg

②膠凝材料水化熱總量應(yīng)在水泥、摻合料、外加劑用量確定后，根據(jù)實(shí)際配合比通過(guò)試驗(yàn)得出[1]。當(dāng)無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按下式計(jì)算：

Q=kQ0

式中:

Q—膠凝材料水化熱總量（kJ/kg）。

k—不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)。

③當(dāng)采用粉煤灰與礦渣粉雙摻時(shí)，不同摻量摻合料水化熱

調(diào)整系數(shù)可按下式計(jì)算：

k=k1+k2-1

式中：

k1—粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)。

K2—礦渣粉摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)。

k=k1+k2-1=0.82+1-1=0.82

Q=kQ0=0.82×332.0569=272.2866kJ/kg

④混凝土絕熱溫升值可按下式計(jì)算

T（t） =WQ/Cρ（1-emt）

式中：

T（t）—混凝土齡期為t 時(shí)的絕熱溫升，℃。

W—每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3。

C—混凝土的比熱容，可取 0.92 kJ/（kg·℃）～1.00 kJ/（kg·℃）。

ρ—混凝土的質(zhì)量密度，可取2 400 kg/m3～2 500 kg/m3。

t—混凝土齡期，d。

m—與水泥品種、用量和入模溫度等有關(guān)的單方膠凝材料對(duì)應(yīng)系數(shù)。

⑤單方膠凝材料對(duì)應(yīng)的系數(shù)m值可按下列公式計(jì)算

m=km0

m0=AW+B

W=λWc

式中：

m0—等效硅酸鹽水泥對(duì)應(yīng)的系數(shù)。

W—等效硅酸鹽水泥用量（kg）。

A、B—與混凝土施工入模溫度相關(guān)的系數(shù)，取內(nèi)插值;當(dāng)入模溫度低于10C 或高于30℃時(shí)，按10℃或30℃選取。

Wc—單方其他硅酸鹽水泥用量（kg）。

λ—修正系數(shù)。

W=λWc=0.88×280=246.4kg

m0=AW+B=0.0024×246.4+0.5159=1.1073

m=km0=0.82×1.1073=0.9080

T（3）=WQ/Cρ.（1-e-mt）=437×272.2866/1.0×2460×（1-2.718-0.9080×3）=48.3℃

T（7）=WQ/Cρ.（1-e-mt）=437×272.2866/1.0×2460×（1-2.718-0.9080×7）=45.2℃

3.3 拌和及澆筑

拌和過(guò)程中，主要是控制原材料的溫度及出機(jī)溫度，主要采取以下措施。

3.3.1 溫度控制

因砂石料、外加劑和水儲(chǔ)存時(shí)溫度為常溫，水泥儲(chǔ)存罐露天，水泥使用量大，廠家未冷卻儲(chǔ)存就已出廠，導(dǎo)致水泥入機(jī)溫度過(guò)高，導(dǎo)致混凝土出機(jī)溫度和入模溫度增高。因此，水泥應(yīng)有足夠的儲(chǔ)存期、或采取降溫措施，保證水泥入機(jī)溫度滿足規(guī)定要求。

施工過(guò)程中控制所用水泥入機(jī)溫度不應(yīng)大于55℃；加強(qiáng)溫度監(jiān)控，及時(shí)采取降溫措施。

混凝土的入模溫度控制在5℃～30℃。混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不大于50℃，且最高溫度不得大于65℃?；炷列静繙囟扰c表層溫度之差不應(yīng)大于20℃?；炷翝仓w降溫速率不宜大于2.0℃/d[2]。

3.3.2 拌和時(shí)間控制

因膠凝材料用量過(guò)大，攪拌過(guò)程拌和時(shí)間控制在120 s～180 s，確保拌和均勻。

3.3.3 混凝土澆筑層厚度控制

根據(jù)所用振搗器作用深度及混凝土的和易性確定為300 mm，振搗時(shí)避免過(guò)振和漏振。混凝土的澆筑應(yīng)連續(xù)、有序，混凝土澆筑面應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次抹壓處理。

3.3.4 保溫保濕措施

為了控制混凝土內(nèi)外溫差，應(yīng)采取“內(nèi)降外?！痹瓌t，“內(nèi)降”采取了溫控系統(tǒng)輔助措施，驗(yàn)證混凝土溫度控制效果?；炷翝仓戤吅螅诔跄傲⒓从猛凉げ歼M(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓戤吅螅凑諟乜丶夹g(shù)要求進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。1）由專人負(fù)責(zé)保溫養(yǎng)護(hù)工作，并應(yīng)進(jìn)行測(cè)試記錄。2）保濕養(yǎng)護(hù)14 d，經(jīng)常檢查保溫材料的完整情況，保證混凝土表面濕潤(rùn)。3）保溫覆蓋層的拆除分層逐步進(jìn)行，當(dāng)混凝土的表層溫度與環(huán)境最大溫差小于20℃時(shí)，全部拆除。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)采取以上措施，大體積混凝土施工過(guò)程中混凝土內(nèi)部溫度7 d 左右達(dá)到51.9℃；采用冷卻水循環(huán)，經(jīng)過(guò)10 d 后混凝土內(nèi)部溫度降到40.0℃，表面環(huán)境30℃，保溫層溫度20.1℃，環(huán)境環(huán)境16.0℃，表里溫差控制在20℃，暫停冷卻水循環(huán)，芯部溫度基本保持在40℃，加強(qiáng)保溫；拆模后混凝土表面未出現(xiàn)收縮裂紋，混凝土7 d 強(qiáng)度到達(dá)38.8 MPa。減少水泥用量，粉煤灰摻量36%是可行；在不減少水泥用量情況下，采取《大體積砼智能溫控與自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)》進(jìn)行降溫（須控制進(jìn)出水口的溫差）；保溫是減少大體積混凝土裂縫關(guān)鍵措施。