陶建強(qiáng)，李化建，黃佳木，黃法禮，易忠來(lái)，謝永江

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道建筑研究所,北京 100081； 3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

《大體積混凝土施工規(guī)范》(GB 50496—2009)[1]中對(duì)大體積混凝土的定義為“混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)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”。按此定義鐵路工程墩身承臺(tái)、梁體等結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土。鐵路工程墩身承臺(tái)、現(xiàn)澆梁經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。這主要是因?yàn)榇篌w積混凝土具有截面尺寸大、水泥用量多等特點(diǎn)，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，導(dǎo)致混凝土中心溫度急劇上升，而且混凝土自身導(dǎo)熱性能差，中心熱量不易散失。然而混凝土外表面散熱較快，導(dǎo)致與大體積混凝土內(nèi)部形成較大的溫度梯度，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力高于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂縫，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性造成較大危害。

鐵路工程大體積混凝土內(nèi)部的溫升由混凝土澆筑溫度、水泥水化熱引起的絕熱溫升和混凝土的散熱速率3部分決定[2]，其中絕熱溫升是主要因素。因此降低混凝土的澆筑溫度、減少水泥水化熱、降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度梯度是抑制混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的主要措施。本文分析鐵路工程大體積混凝土水化熱的影響因素，提出相應(yīng)的控制措施，并指出現(xiàn)有鐵路工程大體積混凝土溫度裂縫抑制措施的不足。

1 鐵路工程大體積混凝土水化熱的影響因素

1.1 水泥的種類、細(xì)度及用量

水泥的種類對(duì)大體積混凝土的絕熱溫升有直接影響。不同種類的水泥其礦物組成也不相同，C3A和C3S含量高的水泥早期水化速率較快，水泥水化產(chǎn)生的水化熱較多。周麗強(qiáng)[3]研究了普通硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、早強(qiáng)硅酸鹽水泥、摻20%粉煤灰水泥4種不同型號(hào)的水泥對(duì)混凝土水化熱的影響。結(jié)果表明，采用低熱硅酸鹽水泥可以降低混凝土內(nèi)部的絕熱溫升，同時(shí)也可以延緩大體積混凝土中心達(dá)到最高溫度的時(shí)間。水泥細(xì)度也是影響水泥水化熱的重要因素，隨著水泥細(xì)度的增加，水泥比表面積增大，早期水化速率升高，水化熱增加[4]。水泥用量也會(huì)影響混凝土內(nèi)部的絕熱溫升，水泥用量越多，產(chǎn)生的水化熱越多，混凝土內(nèi)部的絕熱溫升越高。當(dāng)混凝土中膠凝材料用量由480 kg/m3降低到430 kg/m3時(shí)，混凝土絕熱溫升降低3～4 ℃[5]。

1.2 礦物摻合料的種類及用量

混凝土中常用的礦物摻合料有活性摻合料和惰性摻合料。活性摻合料主要有粉煤灰、礦渣粉、硅灰等。粉煤灰經(jīng)常用于大體積混凝土中，當(dāng)粉煤灰摻量超過(guò)膠凝材料總量的25%時(shí)，對(duì)混凝土強(qiáng)度和溫升有較大的影響，摻30%粉煤灰比不摻粉煤灰時(shí)溫升降低7 ℃[6]?；炷林袉螕焦杌視r(shí)前期加快水泥水化，但降低混凝土總的水化熱。SAEED等[7]研究了磨細(xì)的?；郀t礦渣粉部分取代水泥后對(duì)大體積混凝土水化熱的影響。當(dāng)用磨細(xì)的粒化高爐礦渣粉取代70%的水泥時(shí)水化熱會(huì)減少，但其早期的抗拉、抗壓強(qiáng)度會(huì)降低。礦渣粉對(duì)水泥水化熱的影響，除與摻量有關(guān)外，還與其細(xì)度有關(guān)。礦渣粉比表面積越大，對(duì)水泥水化熱的貢獻(xiàn)也越大。當(dāng)?shù)V渣粉比表面積>600 m2/kg時(shí)，摻礦渣粉水泥的水化熱大于純水泥[8]。

常用惰性摻合料主要是石灰石粉。石灰石粉雖然不具備火山灰效應(yīng)，但是對(duì)水泥的早期水化也有一定的影響。蔡基偉[9]采用熱導(dǎo)式量熱分析法研究了石灰石粉對(duì)水化熱的影響，摻入石灰石粉的水泥試樣水化誘導(dǎo)期和加速期的結(jié)束時(shí)間均早于不摻石灰石粉試樣，說(shuō)明石灰石粉能夠促進(jìn)水泥的水化，其原因是石灰石粉在水泥水化反應(yīng)中起晶核作用，誘導(dǎo)水泥的水化產(chǎn)物析晶，加速水泥水化。

1.3 水灰比

水灰比對(duì)水泥水化溫升存在一定的影響。江守恒等[10]通過(guò)大量的模擬試驗(yàn)與工程實(shí)踐證明水灰比(W/C)對(duì)于混凝土水化溫升有影響。當(dāng)W/C>0.5時(shí)，水化溫升隨著水灰比的增加而降低。當(dāng)W/C<0.5時(shí)，水化溫升隨水灰比的增加而增加。水灰比對(duì)水泥水化熱的影響不僅與其大小有關(guān)，還與水泥水化齡期有關(guān)，水化初期低水灰比的砂漿比高水灰比砂漿產(chǎn)生的水化熱多，但是隨著水化進(jìn)一步進(jìn)行，低水灰比砂漿水化熱快速降低，而高水灰比砂漿在水化后期有較高的水化熱[11]。

1.4 外加劑

外加劑主要是通過(guò)改變水泥水化速率來(lái)影響水泥水化熱。減水劑可以提高水泥初期的水化速率，增加第一水化速率峰值，但是對(duì)第二水化速率峰值有一定的延遲作用[12]。緩凝劑可以顯著延緩水泥的凝結(jié)時(shí)間，降低水泥水化的放熱速率[13]。當(dāng)復(fù)合使用高效減水劑(糖鈣)與緩凝劑時(shí)，由于協(xié)同效應(yīng)，使高效減水劑的分散作用及緩凝劑的緩凝作用同時(shí)得到加強(qiáng)。與單摻緩凝劑相比，復(fù)摻后水泥水化溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間進(jìn)一步延遲，水化溫度峰值進(jìn)一步降低[14]。

2 鐵路工程大體積混凝土溫度裂縫的抑制措施

溫度裂縫是由于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差過(guò)大而產(chǎn)生的裂縫。內(nèi)部溫差由膠凝材料水化放熱引起，外部溫差由混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度變化導(dǎo)致[15]。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差控制在20～25 ℃時(shí)，混凝土不會(huì)因?yàn)闇囟葢?yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生溫度裂縫[16]。

2.1 水化熱的抑制措施

2.1.1 原材料的選擇

1)選用水化熱較低、初凝時(shí)間較長(zhǎng)的水泥。在滿足混凝土強(qiáng)度的前提下盡量選擇比表面積較小、C3A含量較低的水泥，水泥3 d的水化熱宜<240 kJ/kg，7 d水化熱宜<270 kJ/kg，同時(shí)水泥中C3A的含量宜<8%[1]。美國(guó)規(guī)范《大體積混凝土指南》(ACI 207.1R-05)[17]中指出，大體積混凝土施工過(guò)程中宜采用波特蘭Ⅱ型水泥或者中熱水泥。規(guī)范中規(guī)定Ⅱ型水泥中C3A和C3S的含量之和<58%或7 d的水化熱≤290 kJ/kg?！惰F路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10005—2010)[18]中規(guī)定水泥的比表面積為300～350 m2/kg，熟料中C3A含量<8.0%。

2)摻入礦物摻合料。摻入礦物摻合料是抑制大體積混凝土溫度裂縫的主要措施之一。雙摻粉煤灰與膨潤(rùn)土不僅可以有效降低大體積混凝土內(nèi)部的水化熱，還可以彌補(bǔ)單摻粉煤灰后混凝土早期強(qiáng)度低的缺陷[19]。PSLB-352(普通波特蘭水泥30%、?；郀t礦渣粉50%、粉煤灰20%)和PSLB-442(普通波特蘭水泥40%、?；郀t礦渣粉40%、粉煤灰20%)這2種混合體系的水化熱均低于Ⅳ型低熱水泥的水化熱[20]。

3)摻入相變材料。相變材料具有蓄熱的特性，當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度升高至相變點(diǎn)時(shí)發(fā)生相變吸收熱量，當(dāng)溫度降低至相變點(diǎn)時(shí)亦可放出熱量，因此可以有效地控制大體積混凝土內(nèi)部的水化溫升速率，從而抑制混凝土溫度裂縫的出現(xiàn)[21]。史巍等[22]研究了石蠟作為相變材料摻入混凝土中制成石蠟相變控溫大體積混凝土，該方法可以降低混凝土內(nèi)部溫度峰值4～5 ℃，同時(shí)降低升溫速率和降溫速率，在一定程度上減緩了大體積混凝土溫度裂縫出現(xiàn)的可能性。張永娟等[23]將有機(jī)膨潤(rùn)土與癸酸相變控溫儲(chǔ)能納米元件處理成砂粒狀的相變砂，采用乳液和高強(qiáng)水泥包覆癸酸相變控溫儲(chǔ)能納米元件，以提高相變材料與水泥混凝土的相容性。在相變砂取代25%普通砂并適當(dāng)增加減水劑的摻量時(shí)，相變砂混凝土基本達(dá)到基準(zhǔn)混凝土坍落度和強(qiáng)度的要求，且摻入相變砂后大體積混凝土中心最高溫度較基準(zhǔn)混凝土降低了4.5 ℃。

2.1.2 混凝土配合比的優(yōu)化

在保證強(qiáng)度的前提下盡可能降低水泥的用量，因?yàn)樗嘤昧棵繙p少10 kg，水化熱溫升可降低約1～1.2 ℃[24]。要綜合考慮大體積混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度、工作性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性的要求，同時(shí)考慮水化熱溫升等因素進(jìn)行配合比的設(shè)計(jì)。TB 10005—2010中通過(guò)規(guī)定膠凝材料最大用量、礦物摻合料摻入量等來(lái)控制大體積混凝土的水化熱[18]。

2.2 澆筑階段施工溫度的控制措施

1)夏季大體積混凝土施工

美國(guó)墾務(wù)局規(guī)范建議，在炎熱干旱氣候條件下混凝土的入模溫度不宜大于27 ℃，一般條件下入模溫度應(yīng)控制在32 ℃以下。《鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南》(鐵建設(shè)[2010]241號(hào))[25]中規(guī)定大體積混凝土入模溫度不得超過(guò)28 ℃。降低原材料的溫度是夏季施工經(jīng)常使用的方法，降低水泥溫度4 ℃或者降低拌合水溫度2 ℃或者降低骨料溫度1 ℃，均可使混凝土內(nèi)部溫度下降大約0.5 ℃[26]。所以在夏季溫度較高的條件下澆筑時(shí)，可采用冰水或深井涼水拌制混凝土，同時(shí)設(shè)置簡(jiǎn)易遮陽(yáng)裝置對(duì)骨料進(jìn)行灑水預(yù)冷卻，以降低混凝土攪拌和澆筑的溫度[27]。

2)冬季大體積混凝土施工

冬季要保證入模溫度不低于5 ℃。通?？梢圆捎眉訜岚韬纤⒓訜峁橇系却胧┨岣呋炷猎牧系臏囟萚1]，但是拌合水溫度不宜過(guò)高，溫度過(guò)高可能會(huì)導(dǎo)致閃凝現(xiàn)象。美國(guó)規(guī)范《冬季混凝土澆筑指南》(ACI 306R-10)[28]中規(guī)定，當(dāng)拌合水的溫度超過(guò)80 ℃時(shí)，在混凝土攪拌過(guò)程中應(yīng)先加粗骨料和拌合水，后加入水泥；當(dāng)環(huán)境溫度低于-4 ℃時(shí)需要加熱骨料，若拌合水的溫度達(dá)到60 ℃時(shí)其骨料的溫度加熱到15 ℃即可，若骨料較干而且含有冰屑時(shí)，骨料需要加熱超過(guò)40 ℃。拆模之后混凝土表面應(yīng)采取保溫措施以防止混凝土表面凍壞。對(duì)薄壁結(jié)構(gòu)，要適當(dāng)延長(zhǎng)拆模時(shí)間，使之緩慢降溫，以防止表面溫度急劇下降形成溫度裂縫。拆模時(shí)，塊體中間和表面的溫差不大于20 ℃[27]。

2.3 養(yǎng)護(hù)階段混凝土內(nèi)外溫差的控制措施

混凝土養(yǎng)護(hù)期間中心溫度與表面溫度、表面溫度與環(huán)境溫度之差不應(yīng)大于20 ℃。混凝土表面溫度與養(yǎng)護(hù)用水溫度之差不應(yīng)大于15 ℃。混凝土的中心溫度不宜超過(guò)60 ℃，最大不得超過(guò)65 ℃[18]。

養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度控制方法一般分2類：①降溫法。即在混凝土施工過(guò)程中預(yù)埋冷卻管道[29]，混凝土成型之后啟動(dòng)循環(huán)冷卻水，通過(guò)控制冷卻水的流速控制大體積混凝土內(nèi)外溫差在要求范圍內(nèi)。②保溫法。即在混凝土表面采取一定的措施來(lái)減少混凝土表面熱量的散失。一般情況下，在結(jié)構(gòu)表面覆蓋草墊、泡沫塑料板來(lái)減少構(gòu)件表面熱量的散失，從而降低大體積混凝土內(nèi)外溫差。

3 結(jié)語(yǔ)

目前對(duì)于鐵路工程大體積混凝土溫度裂縫控制已經(jīng)做了大量的研究，但還有以下關(guān)鍵技術(shù)尚待突破。

1)鐵路工程大體積混凝土施工過(guò)程所采用的控制措施雖然能在一定程度上降低溫度裂縫形成的可能性，但是其總體工藝過(guò)于復(fù)雜、成本過(guò)高，而且收效甚微。相變材料是控制大體積混凝土水化溫升的一種新方法，但是對(duì)于相變材料的選擇、封裝等方面有待深入的研究。

2)降低混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力和增加混凝土表面的抗拉強(qiáng)度是減少混凝土溫度裂縫的有效措施，但降低混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力往往會(huì)削弱混凝土早期抗拉強(qiáng)度。平衡降低水化溫升和提高抗拉強(qiáng)度是控制鐵路工程大體積混凝土溫度裂縫的研究重點(diǎn)。

3)混凝土中水泥水化速率與其內(nèi)部的溫度服從Arrhenius公式，溫度越高水化速率越快，混凝土抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)越快。因此需要建立大體積混凝土的抗拉強(qiáng)度與混凝土內(nèi)部溫度變化之間的模型，準(zhǔn)確地評(píng)估鐵路工程大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的可能性。

4)目前缺少鐵路工程大體積混凝土內(nèi)部溫度梯度與溫度應(yīng)力的實(shí)時(shí)表征技術(shù)，也沒(méi)有提出基于內(nèi)外溫度匹配的鐵路工程大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)。而這將為從設(shè)計(jì)源頭控制大體積混凝土溫度裂縫提供有效途徑。

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