大體積混凝土溫度場及裂縫控制

黃賢君

(江蘇華寧工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，在進行基礎(chǔ)建設(shè)的過程中，大體積混凝土的應(yīng)用越來越廣泛[1_2]。《大體積混凝土施工標準》(GB 50496—2018)定義混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸不小于1 m，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土為大體積混凝土[3]。對于較大的跨江、跨河、地質(zhì)條件特殊或需要跨過建筑物的橋梁，為不對通航或周邊建筑物造成不利影響，往往采用一跨而過的橋梁結(jié)構(gòu)形式[4]。這樣的橋梁需要足夠大的主墩承臺，其最小尺寸遠大于1 m，為大體量混凝土結(jié)構(gòu)[5]。

水泥在水化過程中會產(chǎn)生大量熱量，在大體積混凝土內(nèi)外部散熱能力不一，會導(dǎo)致溫度差從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使得形成溫度裂縫[6_7]。大體積混凝土施工中，溫度是核心指標之一?，F(xiàn)有研究普遍認為：大體積混凝土在硬化過程中產(chǎn)生的水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差超過25 ℃會導(dǎo)致混凝土開裂[8_9]，而單一的指標往往不能夠全面的反應(yīng)結(jié)構(gòu)中的溫度變化。本文基于某橋工程實例，對混凝土內(nèi)溫度變化進行多維度分析，并從施工角度對混凝土澆筑后如何降低水化熱提出幾點方法，從而對裂縫控制目的進行研究。

1 溫度場監(jiān)測方案

1.1 工程概況

本工程為連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋跨徑100 m+160 m+100 m，其中柱墩承臺尺寸為22.4 m×13.0 m×4.5 m。本工程混凝土采用一次澆筑的方法進行澆筑，澆筑過程中采用冷卻水對現(xiàn)澆混凝土進行降溫，冷卻水管埋設(shè)間距為1 m，共設(shè)置4層(見圖1)。

圖1 冷卻水管布置

1.2 測點布置

在承臺混凝土澆筑前進行了溫度傳感器的埋設(shè)，溫度傳感器按承臺水化熱有限元計算結(jié)果及《大體積混凝土施工標準》中6.0.2條規(guī)定進行布置[3]。為了能夠反應(yīng)承臺中水化熱溫度場的分布情況和承臺混凝土里表溫差、降溫速率等參數(shù)的時程關(guān)系。將傳感器布置位置分為底層區(qū)、中層區(qū)和頂層區(qū)，在底層區(qū)和頂層區(qū)埋置3個傳感器，中層區(qū)域埋置6個傳感器(見圖2)。

(a) 底層傳感器 (b) 中層傳感器 (c) 頂層傳感器

(2)13號墩左幅承臺溫度傳感器布置立面圖圖2 承臺溫度傳感器布置(單位：m)

2 溫度場監(jiān)測結(jié)果與分析

2.1 溫度監(jiān)測表分析

本工程混凝土澆筑完成后立即進行溫度監(jiān)測(見表1～3)，其中M-6測點破壞，未列出其監(jiān)測記錄。整體上來說，結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度較高，邊緣溫度較低；表明由于體積較大，使得熱傳導(dǎo)路徑變長，導(dǎo)致中間溫度較高。

在表1中，底層混凝土中心D-1測點溫度在澆筑后4 d左右達到最大值，在該水平維持1周左右后，緩慢下降；底層外緣D-3測點溫度在升至最高值后快速下降。而溫度最高出現(xiàn)在中心點附近，在表2的M-4測點在第4天的時候達到最高溫度84.8 ℃。頂層的三測點溫度下降得較快，在2～3 d基本達到峰值之后降低，直到平穩(wěn)。

表1 大體積混凝土底層各測點溫度監(jiān)測情況

續(xù)表1 大體積混凝土底層各測點溫度監(jiān)測情況

表2 大體積混凝土中層各測點溫度監(jiān)測情況

續(xù)表2 大體積混凝土中層各測點溫度監(jiān)測情況

表3 大體積混凝土頂層各測點溫度監(jiān)測情況

2.2 最大溫差時程曲線分析

根據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)，繪制承臺里表最大溫差時程圖以及各測點溫度時程曲線(見圖3、圖4)。從圖中可以看出，在澆筑后的第2天最大溫差已經(jīng)超過25 ℃，并在第6天的時候達到峰值55 ℃；之后隨著時間增加，溫差開始降低并呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。依規(guī)范，本實例的溫差已經(jīng)遠遠超過25 ℃，加大了裂縫產(chǎn)生的可能性。

2.3 降溫速率時程曲線分析

降溫速率一定程度上反應(yīng)溫度應(yīng)力的增加情況，圖4給出了各個測點降溫速度時程曲線。對比不同區(qū)域的測點可以看出，中層、頂層的各個測點降溫速率超過2 ℃/d要大于頂層。頂層混凝土U-1、U-2、U-3三測點溫度變化時程曲線說明在混凝土邊緣處混凝土內(nèi)外熱量交換快(見圖5)，在澆筑1周后便可進行正常的保濕養(yǎng)護。

圖3 承臺里表最大溫差時程圖

圖4 各測點降溫速率時程圖

圖5 三測點溫度變化時程圖

3 裂縫控制

通過對實際大體積混凝土工程施工澆筑過程溫度變化的監(jiān)測與研究，了解到對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)、外溫度差和溫度變化速率都超出了《大體積混凝土施工標準》的要求，難以完全解決裂縫的產(chǎn)生。結(jié)合實際工程經(jīng)驗，提出以下措施以減少本工程中混凝土裂縫的產(chǎn)生：

(1)在施工準備過程中，應(yīng)考慮使用水化熱相對較低和凝結(jié)時間較長的水泥，如中硅酸水泥、大壩水泥以及礦渣水泥等，從源頭減少水化熱的產(chǎn)生。同時，應(yīng)考慮在水泥中添加緩凝劑、減水劑及摻合料，如粉煤灰以及礦粉等，以降低單方混凝土中水泥的用量。此外，應(yīng)注意粗骨料的級配是否連續(xù)以及細骨料宜采用中砂，還可以在攪拌前對砂石料進行物理降溫。

(2)在施工過程中，應(yīng)當(dāng)合理劃分結(jié)構(gòu)物并分塊澆筑混凝土，即采用跳倉法進行施工，以避免大體積混凝土施工初期部分激烈溫差及起干燥作用。同時，可采用混凝土冷卻系統(tǒng)，根據(jù)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，從中間往兩側(cè)、從上往下布置冷卻水管道，借助水較大的比熱容以及其流動性，有效地帶走混凝土水化產(chǎn)生的熱量。

(3)混凝土澆筑完成后的第1個星期是保溫、保濕養(yǎng)護的關(guān)鍵，需要重點加以關(guān)注；其保濕養(yǎng)護的持續(xù)時間不宜少于14 d，具體養(yǎng)護時間與結(jié)構(gòu)物斷面尺寸大小成正比，斷面尺寸越大，養(yǎng)護時間應(yīng)當(dāng)越大。

4 結(jié) 論

大體積混凝土的溫度控制是裂縫控制的關(guān)鍵一環(huán)，通過對具體大體積混凝土工程實例澆筑后溫度變化情況的研究，確定了大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑后極易產(chǎn)生裂縫的原因，并據(jù)此提出了可行的裂縫控制措施。

(1)結(jié)合《大體積混凝土施工標準》與對實際工程實例的研究，造成大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因一是混凝土內(nèi)外溫差超過25 ℃。二是溫度下降速率超過2 ℃/d。

(2)在混凝土澆筑前期、混凝土澆筑過程以及混凝土澆筑完成后可以通過降低水化熱的產(chǎn)生、加速水化熱的彌散以及做好混凝土的養(yǎng)護等措施，以降低水化熱對大體積混凝土的影響，從而達到裂縫控制的目的。