承臺(tái)大體積砼溫差裂縫分析及控制技術(shù)研究

寧曉飛 NING Xiao-fei

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030000）

0 引言

混凝土凝固過(guò)程包含了3 個(gè)階段，分別為升溫期、降溫期及溫度穩(wěn)定期。對(duì)于大體積砼構(gòu)件而言，由于尺寸大，在砼升溫期間，水泥水化熱難以透過(guò)厚實(shí)的砼層快速散發(fā)，而是聚集在砼內(nèi)部，導(dǎo)致砼內(nèi)部出現(xiàn)較高溫升，而構(gòu)件外部因散熱條件較好，溫升較低。當(dāng)內(nèi)外溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于該齡期的抗拉應(yīng)力時(shí)將產(chǎn)生裂縫，影響到構(gòu)件的正常及安全使用，甚至出現(xiàn)安全故事，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。所以，砼澆筑時(shí)需避免大體積砼構(gòu)件出現(xiàn)溫差裂縫。

1 工程概況

成昆鐵路米易至攀枝花段擴(kuò)能改造工程站前工程MPZQ-5 標(biāo)橋梁承臺(tái)共有52 個(gè)，其厚度為2.0～3.0m，為大體積砼施工，需進(jìn)行砼溫控制，避免出現(xiàn)溫差裂縫，控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

①砼入模溫度不超過(guò)25℃，盡量降低砼入模溫度。

②新澆砼與基坑巖土間的溫差≯15℃。

③養(yǎng)護(hù)期間，承臺(tái)內(nèi)部最高溫≯65℃，內(nèi)部與表面、表面與環(huán)境溫差≯20℃。

④拆模時(shí)，砼芯部與表面，表面與環(huán)境溫差≯20℃。

⑤最大降溫速率＜2℃/d。

為了確保承臺(tái)不出現(xiàn)溫差裂縫，本項(xiàng)目對(duì)大體積承臺(tái)的砼施工溫控展開研究。

2 產(chǎn)生溫度裂縫理論分析

2.1 砼凝固水化熱使構(gòu)件內(nèi)外溫差過(guò)大

水泥凝固化學(xué)反應(yīng)釋放出大量的熱量，由于大體積砼構(gòu)件尺寸大，內(nèi)部聚集大量的水化熱無(wú)法快速地向外界散發(fā)，導(dǎo)致構(gòu)件中心部位出現(xiàn)很高的砼溫升，溫升使砼體積膨脹。砼凝固后期，隨著熱量的緩慢散發(fā)，砼內(nèi)部溫度逐漸降低，直至穩(wěn)定。降溫過(guò)程中砼體積收縮，當(dāng)砼體積收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)砼的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在砼內(nèi)部產(chǎn)生裂縫[1]。由于砼彈性模量小，抗拉能力極差，故不在采取措施的情況下，大體積砼構(gòu)件內(nèi)部極易產(chǎn)生溫差裂縫，這是大體積砼構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的最關(guān)鍵原因。

同樣，當(dāng)砼凝固時(shí)表面與外部環(huán)境存在過(guò)大溫差時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生溫差裂縫，故控制砼表面與外部環(huán)境的溫差也是大體積砼溫控的目標(biāo)之一。

2.2 砼干燥收縮

當(dāng)砼失去內(nèi)部的毛細(xì)孔及裂縫內(nèi)的吸附水時(shí)，砼體積就出現(xiàn)干縮，干縮也是使砼構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的原因之一。

2.3 塑性收縮

塑性收縮出現(xiàn)在砼凝固前的塑性階段，由于本項(xiàng)目的高性能砼水膠比低，砼混合料的自由水分少，礦物細(xì)摻和材料對(duì)水的敏感性更高，高性能砼通常不會(huì)產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，砼表面失水迅速，所以高性能砼較普通砼出現(xiàn)更大的塑性收縮。

2.4 自收縮

密閉砼內(nèi)的濕度逐漸降低（稱自干燥），使毛細(xì)孔內(nèi)水分不飽和而出現(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓使砼出現(xiàn)自收縮。對(duì)于本項(xiàng)目的高性能砼而言，自收縮與干縮率基本相等。

3 承臺(tái)砼熱工計(jì)算，產(chǎn)生裂縫的可能性分析

本項(xiàng)目橋梁承臺(tái)厚度有2m、2.5m、3.0m 等3 種，進(jìn)行各不同尺寸的承臺(tái)砼澆筑前，根據(jù)實(shí)際施工條件及砼混和料材料構(gòu)成進(jìn)行承臺(tái)砼的熱工計(jì)算，分析承臺(tái)在水化熱作用下中間部位在各齡期的溫升值，為施工時(shí)采用的溫控措施提供決策依據(jù)。下文以最大厚度為3.0m 的承臺(tái)為例說(shuō)明熱工計(jì)算方法。

3.1 施工現(xiàn)場(chǎng)條件及拌制砼所用材料及相應(yīng)的參數(shù)

①施工時(shí)間及氣象資料。厚度為3.0m 的承臺(tái)共有9個(gè)，計(jì)劃施工期間為7 月12 日～8 月26 日。經(jīng)向氣象臺(tái)查詢，承臺(tái)澆筑時(shí)的外部環(huán)境氣溫預(yù)計(jì)在26～35℃之間。

②砼強(qiáng)度等級(jí)及配合比。承臺(tái)砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40。初步選定的砼配合為：

水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶外加劑∶水=1∶1.9∶2.8∶0.23∶0.012∶0.40。

每立方砼使用水泥396kg（P.O42.5），金沙江河砂752kg（5～10mm 連續(xù)級(jí)配）、碎石1109 kg（10～20mm 連續(xù)級(jí)配），粉煤灰摻入量91kg，高效減水劑4.8kg，拌合用水160kg。

③砼拌和、運(yùn)輸及澆筑方案。在拌和站集中生產(chǎn)，砼攪拌運(yùn)輸車運(yùn)輸，運(yùn)距0.7km，泵送入模。

3.2 計(jì)算在上述施工條件下承臺(tái)中心溫升

①絕熱條件下最高水化熱溫升計(jì)算。

當(dāng)承臺(tái)水化熱完全無(wú)散發(fā)時(shí)，絕熱溫升計(jì)算式如下：

式中T（t）—在完全絕熱條件下，澆筑承臺(tái)第t 天后承臺(tái)中間部位砼溫升（℃）；t—承臺(tái)砼齡期（d）；W—砼混和料中水泥的摻入量（kg/m3）；Q—所用水泥在28d 內(nèi)所釋放的水化熱（kJ/kg）；C—砼比熱系數(shù)；ρ—砼密度；e—常數(shù)（2.718）；m—依據(jù)環(huán)境氣溫、水泥種類的不同而選擇的調(diào)整系數(shù)（d-1）。

根據(jù)本項(xiàng)目實(shí)際情況，W=396kg/m3，Q=375kJ/kg，C=0.97kJ/（kg.k），ρ=2450kg/m3；m=0.3d-1。

當(dāng)將t 取無(wú)窮大時(shí)，將上述數(shù)據(jù)代入（1）式，可得絕熱時(shí)承臺(tái)水化熱最高溫升：

②砼中間部位實(shí)際溫升計(jì)算。

承臺(tái)中心部位存在散熱，實(shí)際溫升較絕熱溫升要低，實(shí)際溫升按（2）進(jìn)行試算：

式中T1（t）—齡期第t 天時(shí)，承臺(tái)中心溫度（℃）；Tj—入模砼溫度（℃），按33℃；Th—承臺(tái)水化熱最高溫升；ξ（t）—齡期第t 天時(shí)的降溫系數(shù)。

3m 厚度承臺(tái)的t 齡期降溫系數(shù)取值和各齡期時(shí)的溫度計(jì)算如表1 所示。

表1 各齡期砼中心計(jì)算溫度

3.3 計(jì)算承臺(tái)砼各齡期時(shí)的收縮變形量

大體積承臺(tái)裂縫的產(chǎn)生除了主要受水化熱溫差的影響外，還受砼干燥收縮、塑性收縮、自收縮的影響，故需考慮上述收縮的影響[2]。承臺(tái)砼各齡期各種類型的收縮變形量按（3）式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ε0y—在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，砼收縮變形的最終值，按3.24×10-4；M1～M11為不同條件下的修正系數(shù)，與水泥細(xì)度、砼水膠比、砼膠漿量有關(guān)。

查閱《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496-2018），根據(jù)本項(xiàng)目承臺(tái)實(shí)際情況取值，得：M1=1.0，M2=1.0，M3=1.21，M4=1.2，M5=1.0，M6=1.1，M7=1，M8=0.68，M9=1.3，M10=0.89，M11=1。將砼不同齡期參數(shù)代入（3）式得表2。

表2 各齡期砼收縮變形量

3.4 收縮變形換算為當(dāng)量溫差

將承臺(tái)砼收縮變形按不同齡期下?lián)Q算為當(dāng)量溫差，按（4）式進(jìn)行計(jì)算。

式中：Ty（t）—砼在第t 天齡期變形當(dāng)量溫差（℃）；α—混凝土的熱膨脹系數(shù)，按1.0*10-6m/℃。

3.5 計(jì)算砼承臺(tái)各齡期中心部位與表面的溫差

式中：ΔT—承臺(tái)中心部位與表面的溫差（℃）；T0—砼入模溫度，按33℃；K—折減系數(shù)，按2/3；T（t）—齡期第t 天時(shí)的絕熱溫升（℃）；Ty（t）—齡期第t 天時(shí)的收縮當(dāng)量溫升（℃）；Th—環(huán)境溫度，按28℃。

收縮變形換算為當(dāng)量溫差、內(nèi)外溫差計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 各齡期砼收縮變形量換算成當(dāng)量溫差、承臺(tái)內(nèi)外溫差表

從表4 可知，以目前砼澆筑方案進(jìn)行承臺(tái)施工，在不采取控溫措施的情況下，承臺(tái)內(nèi)外溫差最大高達(dá)55.30℃，承臺(tái)將產(chǎn)生溫差裂縫，故本項(xiàng)目需采取有效的控溫措施，確保承臺(tái)砼不出現(xiàn)溫差裂縫。

4 本項(xiàng)目采取的降溫、控溫措施

依上文的產(chǎn)生溫差裂縫的理論分析及熱工計(jì)算結(jié)果，本項(xiàng)目經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各方面的比選，采取如下的控溫措施。

4.1 優(yōu)化砼配合比

進(jìn)行砼配合比的優(yōu)化，改用火山灰水泥，進(jìn)一步降低水化熱；選用優(yōu)質(zhì)粉煤灰，并提高粉煤灰的摻量，降低水泥用量，從而減少水化熱；摻入高效減水緩凝劑，減緩砼凝固進(jìn)程，減輕水化熱的集中生成，以減少最大溫升峰值。采用的施工配合比如表4 所示。

表4 砼配合比

選用針片狀少，含泥量低（含泥量控制在1%內(nèi)）的連續(xù)級(jí)配（5～31.5 連續(xù)級(jí)配）碎石，使用前對(duì)碎石進(jìn)行檢測(cè)，如不符合篩分曲線，采取換料，或是人工配料，確保符合篩分曲線。高品質(zhì)及良好級(jí)配的碎石能夠加強(qiáng)砼密實(shí)度，提高強(qiáng)度，增強(qiáng)砼抗裂性能。

選用潔凈（含泥量控制在1.5%內(nèi)）的河砂，其細(xì)度模數(shù)＞2.5。以降低砼收縮、徐變及干縮。

4.2 降低砼入模溫度

拌和站附近有山泉水，水溫為18℃，經(jīng)化驗(yàn)，山泉水為合格的拌合用水。故采用山泉水作為拌和用水，檢測(cè)表明，能降低砼溫約5℃，效果明顯。

砂石料等搭設(shè)料庫(kù)遮陽(yáng)存放，盡量減低材料溫度。

4.3 承臺(tái)內(nèi)設(shè)置冷水管和測(cè)溫設(shè)備

4.3.1 承臺(tái)內(nèi)設(shè)置水冷水管

由于承臺(tái)厚度較大，且較高強(qiáng)度砼水泥用量較大，普通控溫措施難以達(dá)到目標(biāo)要求。采取于承臺(tái)砼內(nèi)預(yù)埋冷水管[3]，利用管內(nèi)流水將水化熱帶出，冷水管布置如圖1、圖2所示。水管采用壁厚3mm 的?48mm 薄壁鐵管，以利熱量的傳導(dǎo)。水管采用絲扣套筒進(jìn)行連接。按設(shè)計(jì)完成預(yù)埋冷水管的安裝后，對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行通水試壓試驗(yàn)，認(rèn)真檢查全部接頭，不得出現(xiàn)漏水現(xiàn)象；在鋼筋綁扎、砼澆筑時(shí)做好冷水管的保護(hù)，避免造成管路損壞。

圖1 冷水管布置立面示意圖

圖2 冷水管布置平面示意圖

在最下層冷水管被砼覆蓋后開始通水，停水時(shí)間通過(guò)分析溫測(cè)結(jié)果而決定。

4.3.2 測(cè)溫設(shè)備

在承臺(tái)內(nèi)設(shè)置測(cè)溫管共5 組，其中承臺(tái)4 個(gè)邊角距邊緣1m 處各設(shè)置1 組，承臺(tái)中心部位設(shè)置1 組。每處于砼內(nèi)預(yù)埋1 組測(cè)溫管，測(cè)溫管與承臺(tái)頂面垂直，測(cè)溫管與承臺(tái)鋼筋焊接固定。每組測(cè)溫管分別于距承臺(tái)上、下表面10cm 及中心部位設(shè)置測(cè)溫點(diǎn)。

采用便攜式建筑電子測(cè)溫儀測(cè)溫。完成砼澆筑，覆蓋養(yǎng)生時(shí)開始測(cè)溫，前4d 每2h 測(cè)1 次，以后每4h 測(cè)1 次，直至達(dá)到規(guī)范所要求方可停止測(cè)溫。

4.4 砼施工措施

4.4.1 砼澆筑方法

砼澆筑從承臺(tái)一側(cè)開始，按斜向分層、逐層推進(jìn)、一次到頂?shù)姆椒仓毕虬错抛匀涣魈势露?。為避免出現(xiàn)施工裂縫，砼澆筑時(shí)，在每層砼初凝前覆蓋上層砼，以確保上下層澆筑的間隔小于砼初凝時(shí)間。

砼分層厚度控制在≯60cm；同時(shí)澆筑上、下層時(shí)，澆筑面保持≯1.5m 的距離。

4.4.2 砼振搗

振搗砼分3 道進(jìn)行，砼坡腳為第1 道，砼坡的中間為第1 道，砼坡頂為第3 道。3 道振搗配合實(shí)施，每道設(shè)置2部振搗棒，專人嚴(yán)格按要求實(shí)施振搗。

4.4.3 表面處理

振搗完畢后及時(shí)進(jìn)行修整、抹面。采用刮杠刮平砼面，再均勻?yàn)⒉?mm～25mm 碎石，用木抹拍實(shí)抹平，反復(fù)搓壓數(shù)遍。

砼初凝前為避免面層起粉及塑性收縮，再進(jìn)行多次搓壓。最后一次搓壓時(shí)采用“邊掀開、邊搓壓、邊覆蓋”的措施。使其表面密實(shí)。

4.4.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)設(shè)專人負(fù)責(zé)。承臺(tái)砼面壓平、初凝后灑水濕潤(rùn)砼表面，然后覆蓋塑料薄膜，薄膜下設(shè)置補(bǔ)水軟管，軟管按每10cm 開1 個(gè)5mm 出水孔，砼表面干燥時(shí)向管內(nèi)注水，薄膜上覆蓋保溫材料，保溫材料及厚度需按控溫計(jì)算而定，夜間保溫材料嚴(yán)密覆蓋，避免砼暴露；午間高溫時(shí)，根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，可揭開保溫材料適當(dāng)散熱。

5 溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

圖3 為本項(xiàng)目厚度3m 的承臺(tái)中間測(cè)溫點(diǎn)的曲型砼溫監(jiān)測(cè)圖，砼溫峰值約在砼澆筑后85h 時(shí)出現(xiàn)。上、中、下測(cè)點(diǎn)的溫度峰值分別為61.7℃、48.8℃、47.2℃。砼內(nèi)部最高溫、內(nèi)外溫差及降溫速率等均達(dá)到控測(cè)的目標(biāo)要求。

圖3 承臺(tái)中心砼溫變化圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)目52 個(gè)大體積砼承臺(tái)均已澆筑完成，澆筑時(shí)采取了上述的控溫防裂縫技術(shù)措施。在養(yǎng)護(hù)期間嚴(yán)格進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)整養(yǎng)護(hù)方案及冷水管水流速度、進(jìn)水溫度等方法進(jìn)行溫度控制。經(jīng)組織多方檢測(cè)驗(yàn)收，澆筑的承臺(tái)表面表滑平整，內(nèi)部密實(shí)無(wú)裂縫，表明本項(xiàng)目所采用的溫控技術(shù)措施是科學(xué)可行的。