分步澆筑大體積混凝土冷卻水管一體化布置控裂技術(shù)

李維洲，王成啟，劉剛，谷坤鵬

（1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200030；3.中交第三航務(wù)工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

大體積混凝土因具有良好的抗壓、耐久性等優(yōu)點在各類工程中應(yīng)用廣泛[1-2]。然而，在混凝土強度生成過程中會產(chǎn)生較為明顯的溫度差導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，從而影響結(jié)構(gòu)物的使用壽命。對于溫度裂縫的控制，降低分步澆筑構(gòu)件的溫差是關(guān)鍵[3]?；炷晾鋮s水管降溫方法因具有施工方便、降溫效果顯著等優(yōu)點受到研究者和施工人員的關(guān)注[4]。研究表明[5-6]，冷卻水溫度、管徑、管長、水管布置方式等都會對降溫效果產(chǎn)生影響，在降溫階段，混凝土內(nèi)外仍將產(chǎn)生一定溫差，這在冬季施工等低溫條件下更加明顯，因此在混凝土內(nèi)部溫度降低的同時仍需要進行表面保溫措施[7-8]。

受限于現(xiàn)場施工條件，目前多數(shù)建筑只能采用“底板-側(cè)墻-頂板”的分步施工方法，在“二步”混凝土澆筑時，“一步”澆筑的混凝土已基本接近環(huán)境溫度，隨著“二步”混凝土的水化，溫度升高，在新老混凝土施工縫附近會產(chǎn)生較大的溫度梯度而產(chǎn)生開裂。由于傳統(tǒng)冷卻水管的布置方式問題，在“二步”混凝土澆筑過程中無法考慮“一步”已澆筑混凝土，因此，傳統(tǒng)冷卻水管技術(shù)無法解決施工縫附近溫度差過大的問題。

基于此，本文提出了一種基于分步澆筑混凝土的冷卻水管一體化布置施工技術(shù)，該技術(shù)將分步澆筑的混凝土作為一個整體考慮，在降低混凝土內(nèi)部溫度的同時可以減少施工縫附近的溫差，提高分步澆筑的混凝土溫度場的均勻性，從而減少“二步”混凝土的裂縫。

1 技術(shù)原理及溫度監(jiān)控

混凝土冷卻水管一體化布置及溫度測點布置如圖1 所示。側(cè)墻冷卻水管布置時，進水口（入口1）位于底部冷卻水管，出水口（出口1）位于頂部冷卻水管。側(cè)墻冷卻水管出口1 和倒角區(qū)域入口2 相連，側(cè)墻入口1 接分流器，倒角區(qū)域出口2接蓄水池。通水循環(huán)開始，冷卻水流經(jīng)側(cè)墻區(qū)域帶走大量熱量變成高溫水，高溫水流經(jīng)底板倒角區(qū)域?qū)υ搮^(qū)域進行加熱升溫后返回蓄水池。側(cè)墻在拆模后做好保溫措施，無需更換冷卻水，待側(cè)墻內(nèi)部溫度接近環(huán)境溫度時即可停止通水。

圖1 冷卻水管一體化布置原理及溫度測點布置Fig.1 Principle of integrated cooling water pipe and arrangement of temperature monitoring points

由于“一步”施工的倒角和側(cè)墻對稱布置，因此在采用降溫措施一側(cè)的溫度測點有“C”標(biāo)志，例如1-C。倒角區(qū)域有6 根冷卻水管，最下層冷卻水管位于底板中部位置，豎向冷卻水管位于側(cè)墻中間位置，冷卻水管間距500 mm，混凝土澆筑高度超過最上層冷卻水管300 mm，循環(huán)水口位于底板位置。冷卻水管端部距離底板端部1.5 m。3 號、4 號測點布置在外側(cè)鋼筋位置，其余測點布置在兩個冷卻水管中部。

側(cè)墻底部冷卻水管位于已澆筑倒角上300 mm，底部2 根水管間距300 mm，其余每根水管間距500 mm，入水口連接底部冷卻水管，出水口連接上部冷卻水管。冷卻水管兩端距離側(cè)墻端部1.5 m。外部測點12 號、13 號、14 號布置在鋼筋外側(cè)，中部測點位于2 根水管之間。

2 工程概況

廈門市地鐵2 號線某車站為地下2 層、局部3 層島式車站，雙柱三跨閉合框架結(jié)構(gòu)。車站寬20.7 m，長218 m。底板厚1.0 m，側(cè)墻厚80 cm，高4 m，中板厚40 cm，頂板厚80 cm。采用分步澆筑施工工藝，即底板、側(cè)墻、中/頂板的施工順序，分段長度12～18 m。

根據(jù)施工計劃安排，車站主體施工期間為夏季，根據(jù)前期對其他車站的調(diào)研，該季節(jié)施工的車站主體均存在不同程度開裂，側(cè)墻裂縫數(shù)量7～12 條，長度2～4 m，采用冷卻水管控裂效果一般。采用一體化冷管布置技術(shù)的側(cè)墻分段長度16 m。

3 通水及側(cè)墻養(yǎng)護方案

由于不更換冷卻水，側(cè)墻溫度下降較緩慢，在側(cè)墻拆模后立即在表層覆蓋保溫被養(yǎng)護，避免混凝土表面溫度下降過快產(chǎn)生較大的溫差。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，側(cè)墻內(nèi)部溫度接近環(huán)境溫度方可拆除養(yǎng)護措施。

通過溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整通水流量大小，避免混凝土內(nèi)部溫度降溫過快。底板以及倒角和側(cè)墻的通水方案見表1。

表1 側(cè)墻及底板通水方案Table 1 Water supply scheme for side wall and bottom plate

4 應(yīng)用效果

4.1 側(cè)墻降溫效果

側(cè)墻在混凝土澆筑后的溫度隨時間變化見圖2，其中，圖2（a）未采用降溫措施，圖2（b）為冷卻水管降溫。沒有降溫措施時，側(cè)墻溫峰出現(xiàn)時間在34 h，溫度峰值58.3 ℃，在開啟冷卻水管降溫后，溫峰出現(xiàn)時間延長至40 h，溫度峰值49.6 ℃。

溫升階段前期混凝土內(nèi)部溫度同步上升。隨著水化反應(yīng)進行，由于構(gòu)件不同部位的散熱條件不同，表面測點首先達到產(chǎn)熱與散熱平衡，隨后隨著外部測點散熱較快，溫升下降，而內(nèi)部散熱條件差，溫度繼續(xù)上升，開始產(chǎn)生溫差。未采用降溫措施時，側(cè)墻的最大溫差為14.8 ℃，出現(xiàn)在降溫階段。采用一體化冷卻水管降溫措施后最大溫差為9.9 ℃，圖2 中的測點曲線也表明，采取降溫措施后曲線之間更加緊湊，差距縮小。

圖2 側(cè)墻降溫效果Fig.2 Cooling effect of the side wall

可見，采用一體化布置的冷卻水管可以降低混凝土內(nèi)部的溫度峰值，延長溫度峰值出現(xiàn)時間，同時可以降低構(gòu)件內(nèi)部的最大溫差。

4.2 倒角溫升

底板及倒角澆筑完成7 d 后開始澆筑側(cè)墻，此時倒角溫度已經(jīng)接近環(huán)境溫度，而側(cè)墻由于水泥水化，混凝土內(nèi)部溫度升高，引起施工縫兩側(cè)產(chǎn)生較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生較高的溫度應(yīng)力導(dǎo)致后澆混凝土開裂。因此，降低施工縫兩側(cè)的溫度梯度是實現(xiàn)溫度裂縫控制的重要措施。采用冷卻水管一體化布置技術(shù)的倒角在側(cè)墻溫升過程中的溫度變化見圖3。

圖3 倒角溫升對比Fig.3 Contrast of chamfer temperature rise

其中，圖3（a）無降溫措施，圖3（b）有降溫措施。從圖3（a）中可以看出，采用冷卻水管一體化布置技術(shù)降溫的側(cè)墻引起的倒角溫度峰值為39.5℃（1-C 測點），稍低于無降溫措施側(cè)墻引起的倒角溫度峰值41.5 ℃（1 號測點），這表明倒角溫度峰值總體受到側(cè)墻溫升的控制。對比圖3（a）和圖3（b）的其余測點溫度曲線，采用冷卻水管一體化布置技術(shù)后各測點溫差較小，且變化規(guī)律一致；未采用降溫措施的倒角溫度隨著與側(cè)墻距離的增加而迅速降低，溫度梯度增大，不利于混凝土裂縫控制。

結(jié)合圖2 可以看出，采用冷卻水管一體化布置技術(shù)后，倒角與側(cè)墻的溫升幾乎同步進行，各測點之間的變化規(guī)律一致；而未采用降溫措施的側(cè)墻引起的倒角溫度變化中只有最上部測點與側(cè)墻溫升變化一致，其余測點隨著距離側(cè)墻位置的增加與側(cè)墻溫升的規(guī)律性變差。這表明冷卻水管一體化布置技術(shù)的應(yīng)用加強了側(cè)墻和倒角溫度變化的均勻性，有利于混凝土溫度裂縫控制。

4.3 溫度分布

溫差是混凝土溫度裂縫控制的一個重要指標(biāo)，其本質(zhì)上是混凝土內(nèi)部溫度均勻性的反映，溫差越大，溫度的均勻性越差。因此，本文采用同一時間各測點之間的標(biāo)準(zhǔn)差反映混凝土內(nèi)部各測點溫度均勻性。倒角（選取測點1～6 號）和側(cè)墻（選取測點7～14 號）在溫升過程中各測點溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨時間的變化見圖4?？梢?，混凝土內(nèi)部溫度的均勻性隨著時間延長呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，且混凝土內(nèi)部溫度越高，散熱條件越差，溫度均勻性越差，這是由于混凝土在較高溫度下不容易保溫而引起的。在無降溫措施條件時，倒角由于散熱條件差，溫度標(biāo)準(zhǔn)差最大8.4 ℃，而側(cè)墻各部分散熱條件較為一致，最大標(biāo)準(zhǔn)差為3.5 ℃。采用冷卻水管一體化布置技術(shù)后，側(cè)墻和倒角的溫度標(biāo)準(zhǔn)差有明顯下降，尤其是倒角部分更是下降到了4.9 ℃，降幅達到42%。

圖4 側(cè)墻和倒角溫度離散程度Fig.4 Temperature dispersion degree of side wall and chamfer

為了研究施工縫附近的溫度分步，選取具有代表性的構(gòu)件中心測點溫度進行研究。側(cè)墻測點選取7 號、8 號、9 號，倒角測點選取1 號、2號、5 號。圖5 是選取的側(cè)墻溫度測點均值與對應(yīng)的倒角溫度測點均值之差隨時間的變化關(guān)系，圖6 是選取的側(cè)墻溫度測點（7 號、8 號、9 號）與對應(yīng)倒角溫度測點（1 號、2 號、5 號）在同一時刻的標(biāo)準(zhǔn)差隨時間變化關(guān)系?？梢?，隨著混凝土內(nèi)部溫度升高，側(cè)墻與倒角溫度均值之差增大，未采用降溫措施最大溫差可達21.2 ℃，采用冷卻水管一體化布置技術(shù)后的最大溫差為13 ℃，降幅達到38.7%；施工縫兩側(cè)的溫度均勻性隨著時間增加而增大，未采用降溫措施的施工縫兩側(cè)的最大溫度標(biāo)準(zhǔn)差為7.1 ℃，采用冷卻水管一體化布置技術(shù)的施工縫兩側(cè)的最大溫度標(biāo)準(zhǔn)差為4 ℃，降幅43.7%。

圖5 施工縫附近側(cè)墻和倒角溫差Fig.5 Temperature difference of side wall and chamfer near construction joints

圖6 施工縫附近側(cè)墻和倒角溫度均勻性Fig.6 Temperature uniformity of side wall and chamfer near construction joints

由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，在側(cè)墻溫升過程中側(cè)墻的熱量很難通過混凝土傳到倒角更深的區(qū)域，造成了在施工縫區(qū)域容易產(chǎn)生較大的溫度梯度，這在傳統(tǒng)冷卻水管技術(shù)中無法解決。冷卻水管一體化布置技術(shù)通過合理布置的冷卻水管，在側(cè)墻溫升過程中將側(cè)墻的熱量導(dǎo)出到倒角區(qū)域，均勻地提高了倒角區(qū)域的溫度，降低了施工縫兩側(cè)的溫差以及溫度梯度水平，加強了分步澆筑的混凝土之間溫度變化的均勻性，有利于混凝土裂縫的控制。

4.4 裂縫控制效果

根據(jù)既定方案進行廈門市地鐵2 號線某車站地下層主體結(jié)構(gòu)施工應(yīng)用，并在側(cè)墻澆筑完成后60 d 時對兩段側(cè)墻的裂縫情況進行統(tǒng)計。側(cè)墻裂縫狀況統(tǒng)計結(jié)果見表2，典型裂縫形態(tài)見圖7。可見，采用冷卻水管一體化布置技術(shù)后側(cè)墻的裂縫狀態(tài)有顯著改善。

表2 側(cè)墻混凝土裂縫狀況Table 2 Condition of concrete cracks in side walls

圖7 典型裂縫形態(tài)Fig.7 Typical morphology of cracks

5 結(jié)語

冷卻水管一體化布置施工技術(shù)可以降低施工縫附近的溫度差，從而降低施工縫兩側(cè)因溫度不均勻而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，“二步”混凝土的裂縫的數(shù)量、寬度、長度有明顯減少。