預(yù)制混凝土大方塊裂縫控制措施探討

陳曉虎，張 興

（中交四航局第二工程有限公司 廣州510230）

0 引言

近年來，建筑行業(yè)迅速發(fā)展，隨著各種新材料、新技術(shù)的應(yīng)用，混凝土性能有了很大的提高，大體積混凝土在施工中越來越常見。大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸大，內(nèi)部水化熱無法輕易散發(fā)，在施工過程中常出現(xiàn)裂縫，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生一定影響。本文通過對(duì)香港某綜合廢物管理設(shè)施工程預(yù)制素混凝土大方塊施工過程進(jìn)行分析，得出了行之有效的裂縫控制方法。

1 工程概述

預(yù)制場(chǎng)位于廣東東莞市，高溫期較長，蒸發(fā)量大。大方塊共17 種，總計(jì)323 件，長4～8 m，寬3～5 m，高度均為2.7 m，如圖1所示。最大質(zhì)量近200 t，設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度為35D/20素混凝土，按香港規(guī)范要求需使用OPC水泥，并摻入不少于25%的粉煤灰。預(yù)制時(shí)間為8～12 月之間，氣溫變化較明顯。由于預(yù)制場(chǎng)地有限，加上種類較多，工期緊，致臺(tái)座周轉(zhuǎn)時(shí)間短，用于大方塊養(yǎng)護(hù)的時(shí)間也較短。大方塊安裝于香港石鼓洲附近海床之上，常年浸泡于海水中，對(duì)混凝土耐久性方面要求高。

圖1 方塊立面Fig.1 Elevation of Block

2 溫度裂縫產(chǎn)生原因

混凝土裂縫按產(chǎn)生的原因可分為荷載裂縫、變形裂縫兩類，其中變形裂縫是由非受力變形變化引起，如溫度、濕度等，溫度裂縫是變形裂縫的一種［1］。

在大體積混凝土澆注完成后，在升溫階段，由于內(nèi)部水化反應(yīng)溫度上升快，易形成較大內(nèi)外溫度差，冷縮的外部受到內(nèi)部熱膨脹約束而處于受拉狀態(tài)，當(dāng)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度小于約束所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，混凝土表面會(huì)出現(xiàn)裂縫。在降溫階段，由于基礎(chǔ)或相鄰構(gòu)件的約束，混凝土內(nèi)部會(huì)形成拉應(yīng)力。當(dāng)極限抗拉強(qiáng)度小于約束所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，在約束表面會(huì)產(chǎn)生裂紋。由此產(chǎn)生的裂縫一般寬度較大，對(duì)耐久性和結(jié)構(gòu)的整體性有著較大影響，如圖2所示。

3 裂縫防治措施

圖2 方塊側(cè)面應(yīng)力裂縫Fig.2 Stress Crack of Block Side

為防止在大方塊預(yù)制過程中產(chǎn)生溫度裂縫，針對(duì)溫度裂縫產(chǎn)生的原因，在施工過程中采取以下措施，以減少溫度裂縫的出現(xiàn)。

3.1 配合比及原材料控制

3.1.1 配合比設(shè)計(jì)［2-3］

大方塊混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為35D/20，香港規(guī)范要求使用OPC水泥，OPC水泥按組分比例分析，與國標(biāo)P·Ⅱ水泥一致，故采用P·Ⅱ水泥。P·Ⅱ水泥中熟料+石膏的比例超過95%，其他摻料比例低，因此P·Ⅱ水泥的水化熱量較普通硅酸鹽水泥大。

香港規(guī)范要求混凝土水灰比不超過0.5，膠凝材料用量不少于330 kg/m3，設(shè)計(jì)配合比膠凝材料總量達(dá)370 kg/m3，膠材用量高。

經(jīng)過試配，在保證強(qiáng)度的前提下提高粉煤灰摻量（30%）以減少水泥用量，減少水化熱的產(chǎn)生。

此外，選擇蘇博特PCA-Ⅰ型緩凝型減水劑，延緩混凝土的凝結(jié)速度，減少水化熱在混凝土內(nèi)部所形成的應(yīng)力。

3.1.2 原材料控制

文獻(xiàn)［3］要求采用機(jī)制砂，碎石的最大料徑不超過20 mm。在混凝土生產(chǎn)前，嚴(yán)格控制機(jī)制砂含泥量不超過5%，碎石含泥量不超過2%（CS3 Clause 3.5 要求含泥砂不超過10%，碎石不超過4%）［4］。若超過要求，應(yīng)沖洗后重新進(jìn)行含泥量測(cè)量，滿足要求后方可使用，如圖3、圖4所示。

圖3 機(jī)制砂含泥量報(bào)告Fig.3 Report of CRF Silt Content

圖4 碎石含泥量報(bào)告Fig.4 Report of Crushed Stone Silt Content

炎熱天氣時(shí)，使用冷水機(jī)將拌合水降至5 ℃，同時(shí)在水池中加入冰塊降低拌合用水溫度，若有制冰機(jī)效果更理想。

骨料倉設(shè)遮陽擋雨棚［5］，以免與陽光和雨水直接接觸。粉料至少提前1周進(jìn)場(chǎng)，讓其自然散熱，減少原材料熱量，從而控制溫度上升的源頭。

3.2 混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算［6］

混凝土出機(jī)口溫度由拌和前混凝土原材料的總熱量決定，拌和后流態(tài)混凝土的總熱量等于原材料的總熱量之和，因此混凝土拌和后的溫度可按下式計(jì)算：

式中：T0為混凝土出機(jī)口溫度（℃）；Qs為細(xì)骨料的含水率，以質(zhì)量百分比計(jì)（%）；Ws為每m3混凝土中細(xì)骨料的質(zhì)量（kg）；Ts為細(xì)骨料的溫度（℃）；Qg為粗骨料的含水率，以質(zhì)量百分比計(jì)（%）；Wg為每m3混凝土中粗骨料的質(zhì)量（kg）；Tg為粗骨料的溫度（℃）；Wc為每m3混凝土中膠凝材料的質(zhì)量（kg）；Tc為膠凝材料的溫度，取水泥和礦物摻合料溫度的質(zhì)量加權(quán)平均值（℃）；Ww為每m3混凝土中水的質(zhì)量（kg）；Tw為水的溫度（℃）。

通過每天監(jiān)控各原材料的氣溫，代入式⑴計(jì)算，若計(jì)算所得混凝土溫度超過32 ℃，則通過降低原材料的溫度，使混凝土拌和后的出廠溫度滿足要求。

3.3 試驗(yàn)方塊溫度測(cè)試［7］

試驗(yàn)塊長寬高均超過2 m，試驗(yàn)時(shí)間為2019 年9月21日～9月24日，試驗(yàn)期間白天氣溫超過33 ℃，夜間氣溫超過26 ℃，與高溫期方塊預(yù)制現(xiàn)場(chǎng)一致。在試驗(yàn)方塊表面和內(nèi)部不同位置埋設(shè)多個(gè)溫度傳感器，其中A1、A3、A5、A7 為內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)，A9、A11、A13 為表面測(cè)溫點(diǎn)，如圖5所示，實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)塊內(nèi)部不同位置不同齡期下的溫度變化情況，了解混凝土構(gòu)件內(nèi)部溫度變化情況。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置俯視及正視Fig.5 Top View and Front View of Measuring Point Layout

試驗(yàn)溫度曲線如圖6所示，其結(jié)果表明：混凝土內(nèi)部測(cè)點(diǎn)（A1、A3、A5、A7）溫度在澆筑完成后約24～30 h左右達(dá)到峰值70 ℃以上，在約90 h 時(shí)緩慢下降至約50 ℃；在約90 h 時(shí)近表面處測(cè)點(diǎn)（A9、A11、A13）溫度處于34～40 ℃之間，此時(shí)混凝土內(nèi)外溫差已小于25 ℃，同時(shí)，近表面測(cè)點(diǎn)溫度與氣溫間的溫差也已小于20 ℃。高溫期施工，混凝土澆筑完成4 d后，混凝土內(nèi)外溫差才低于25 ℃，低溫期由于氣溫低，若要內(nèi)外溫差低于25 ℃，需做好更長時(shí)間的保溫措施。因此，在澆注完7 d內(nèi)的保溫保濕極其重要。

圖6 試驗(yàn)方塊溫度曲線Fig.6 Test Block Temperature Graph

3.4 現(xiàn)場(chǎng)澆筑控制［8］

現(xiàn)場(chǎng)澆注時(shí)需將混凝土的入模溫度控制在較低水平，氣溫較高月份澆筑時(shí)間選擇在傍晚，以降低混凝土的入模溫度。

在運(yùn)輸罐車停放處設(shè)置遮陽篷，防止罐體被太陽暴曬。在罐體上設(shè)置遮陽灑水降溫帆布，盡可能地避免運(yùn)輸過程中因太陽照射而升溫。

現(xiàn)場(chǎng)攪拌站與方塊預(yù)制場(chǎng)地距離較近，在氣溫較高時(shí)，為盡量減少混凝土在車內(nèi)時(shí)間過長導(dǎo)致的溫度上升，混凝土運(yùn)輸罐車選擇不滿載，10 m3罐車只裝載5～6 m3進(jìn)行運(yùn)輸。

采用泵送分層澆筑，分層厚度不超過500 mm。利用澆注面散熱。

3.5 保溫保濕養(yǎng)護(hù)［9］

在混凝土收面后立即用薄膜覆蓋澆筑面，減少水分散失。在氣溫較低、晝夜溫差較大的月份，拆模后應(yīng)用薄膜和土工布將構(gòu)件全部包裹住，防止熱量散失，如圖7 所示。因早上水溫較低，現(xiàn)場(chǎng)待氣溫上升后，接近中午時(shí)再進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)。

圖7 薄膜+土工布包裹Fig.7 Plastic Film + Geotextile Wrap

3.6 溫度監(jiān)控［10］

部分方塊澆注時(shí)在中心位置埋入溫度傳感器，每天記錄內(nèi)部溫度和表面溫度，如圖8所示，收集數(shù)據(jù)后進(jìn)行分析得出，在澆注約7 d左右，中心溫度與表面溫度相差可降至小于25 ℃，此時(shí)可拆除保溫層。此外，通過天氣的變化以及溫度內(nèi)部溫度監(jiān)控的變化，及時(shí)調(diào)整方塊外覆蓋土工布的層數(shù)。

圖8 溫度測(cè)量Fig.8 Temperature Measurement

3.7 控制效果

通過以上控制措施的實(shí)施，后續(xù)生產(chǎn)過程中無裂縫產(chǎn)生，達(dá)到了預(yù)期的效果（見圖9）。

圖9 方塊側(cè)面Fig.9 Side of Block

4 結(jié)論

根據(jù)本工程中采取的溫度控制措施，行之有效的有如下方面：

⑴原材料的溫度對(duì)混凝土的出機(jī)口溫度影響較大，通過計(jì)算，可得出混凝土的出機(jī)口溫度，用以指導(dǎo)原材料的溫度控制。

⑵通過試驗(yàn)塊分析混凝土內(nèi)部溫度變化的過程，混凝土在澆注后1 d內(nèi)溫度便可達(dá)到峰值，在澆注后7 d內(nèi)做好養(yǎng)護(hù)工作極為重要。

⑶在混凝土出廠至現(xiàn)場(chǎng)澆注的過程中，采用不滿載運(yùn)輸縮短混凝土在攪拌車中的時(shí)間，同時(shí)做好罐車罐體的降溫，避免混凝土入模時(shí)溫度過高。

⑷ 構(gòu)件內(nèi)外溫度差在7 d 左右可降至25 ℃以內(nèi)，原則上可拆除保溫覆蓋層，但在氣溫較低、溫差較大的地區(qū)應(yīng)適當(dāng)延后保溫覆蓋層拆除時(shí)間。