楊鷹，盛興旺，馬昆林

(中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

在橋梁建設中，強度設計等級C50及以上的大體積混凝土承臺、橋墩、塔等結構大量出現。由于目前所生產的水泥由于細度較大，放熱速度較過去大為提高，這使大體積混凝土的溫度裂縫問題日益突出，已成為普遍性的問題[1?2]。大體積混凝土在硬化過程中釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和約束作用，由此而產生的溫差和溫度應力是導致混凝土出現裂縫的主要因素，影響了結構的整體性、防水性和耐久性，成為結構隱患[3]。針對大體積混凝土早期開裂的問題，已經有很多學者進行了理論計算[4?6]，我國也形成了相關的規(guī)范[7?8]，但是實踐證明，這些計算方法比較復雜，現場工程師不宜掌握，且目前很多大體積混凝土的設計強度已經達到C50，超過了規(guī)范提出的大體積混凝土設計強度等級宜在C25~C40之間的規(guī)定，很多現場溫度監(jiān)測也發(fā)現，大部分高強度大體積混凝土早期的內外溫度差大于 25 ℃，但通過養(yǎng)護和配合比設計等方法，混凝土也未出現開裂[9]。本文通過對采用不同配合比條件下某工程橋墩C50大體積混凝土早期內部溫度和應力的監(jiān)測，分析了配合比設計參數對大體積混凝土早期溫度、應變的發(fā)展及其分布的影響，探討了C50大體積混凝土開裂的機理以及提高強度大體積混凝土抗裂的有效方法，以期為現場施工提供切實可行的控制開裂的技術方法。

1 大體積混凝土早期開裂

混凝土早期開裂的原因是諸多因素共同作用的結果，但混凝土的早期變形是造成其開裂的最主要原因。研究表明[10?13]，混凝土早期的變形主要包括溫度變形、自收縮變形、干燥收縮變形、碳化變形以及約束條件下的徐變變形。在混凝土澆筑早期，碳化收縮很小可以忽略，通過合理的養(yǎng)護可以降低干燥收縮值。對于大體積混凝土，在內部水泥早期水化過程中，將釋放大量水化熱，而大體積混凝土內部各部位的溫度場不一致。一般規(guī)律為，內部溫度高，越靠近表面，溫度越低，從而導致了混凝土外部和內部有較大的變形差，產生了較大相互約束，造成了混凝土內部產生早期應力。

同時，混凝土是一種時變材料，其強度 f(t)和彈性模量 E(t)在早期隨著時間的增加將有較大的變化，在有約束的條件下混凝土內部各部位產生的拉應力計算公式如式(1)所示：

式中：σ(t)為齡期為 t時混凝土內部某點受到的應力；E(t)為混凝土早期t時刻的彈性模量，GPa；ε1(t)為 t時刻混凝土由于自收縮產生的應變；ε2(t)為 t時刻混凝土的溫度應變；ε3(t)為約束邊界條件下變形引起的應變；ε4(t)為混凝土在邊界約束條件下的徐變應變；ε5(t)為高度為 h的混凝土受到的自重應力。

混凝土的抗拉強度 fc(t)和彈性模量 E(t)的計算可以參考式(2)和(3)計算[14]：

式中：ft(t)為混凝土齡期為t時的抗壓強度MPa，由試驗測試得到; fc(t)為齡期為 t時混凝土抗拉強度MPa；E(t)為混凝土齡期為t時，混凝土的彈性模量GPa；

很顯然，當混凝土內部的應力 σ ( t) ≥ ft( t)時，混凝土就可能開裂。通過適當提高混凝土抗拉強度可以有效降低開裂的風險。

2 現場實驗測試

2.1 原材料及配合比

本研究采用的原材料參數如下：水泥(Cement，簡稱C)，湖南省石門霸道牌PO42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.13 g/cm3，燒失量2.2%，比表面積362 m2/kg，3 d抗壓強度32.8 MPa，28 d抗壓強度52.6 MPa；粉煤灰(Fly ash，簡稱FA)，F類粉煤灰，比表面積465 m2/kg，45 μm方孔篩的篩余為8.6%，燒失量為3.48%，密度2.45 g/cm3。礦渣(Slag，簡稱SL)：等級S95，比表面積435 m2/kg，45 μm方孔篩的篩余為14.4%，燒失量為2.98%，密度2.82 g/cm3；細骨料：河砂，表觀密度2.66 g/cm3，含泥量0.6%，泥塊含量為0.1%，細度模數2.7，Ⅱ區(qū)級配合格；粗骨料：4.75~31.5 mm石灰石碎石，壓碎指標10.7%，堆積密度1.54 g/cm3，表觀密度2.72 g/cm3，堆積密度1.43 g/m3孔隙率 42.5%，針片狀總含量4.9%，含泥量0.4%，泥塊含量0.2%。外加劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率大于30%。

2.2 試驗測試方案

按照試驗配合比，分別制作 2個尺寸為 6.5 m×2.0 m×4.5 m，混凝土強度等級為C50的橋墩混凝土，按照C1和C2配合比分別進行混凝土進行澆筑，并測試7 d內的溫度和應變。實驗測試時間為冬季，氣溫為?1~12 ℃，平均氣溫6 ℃，混凝土澆筑用水溫度為 10 ℃左右。實驗設計中，混凝土澆筑后側面采用帶模養(yǎng)護 7 d，頂面鋪設塑料薄膜養(yǎng)護，7 d拆模后，側面采用塑料薄膜加草墊養(yǎng)護至14 d。

表1 現場混凝土配合比設計Table 1 Mixture design of concrete

1) 溫度應力傳感器埋設

該橋墩為規(guī)則矩形，溫度應力傳感器布置采用1/4面積布置，每個平面布置9個溫度應力傳感器，縱向布置2個溫度應力傳感器，合計11個?，F場混凝土溫度和應力監(jiān)控所用的溫度應力傳感器埋設布置1所示?，F場測試了圖1所示1~11號測試點從入模開始至7 d時混凝土內部的溫度，有針對性的測試混凝土中部和邊緣的應變。

圖1 溫度應力傳感器測試布置點Fig. 1 Arrangement sketch of temperature and stress sensor

2) 溫度應力傳感器埋設

溫度應力傳感器(湖南凱邦電子科技有限公司生產，型號為BK-1015)在橋墩中沿豎向埋設好并驗收合格后，開始澆筑混凝土?；炷翝仓戤吅螅_始測試混凝土溫度和應力，每0.5 h測試讀數1次，直到第7 d。數據接收采用GPS無線傳輸系統(tǒng)。

3 試驗結果

3.1 混凝土性能測試

在實驗室對表1所列配合比首先進行了性能測試。表2為2組混凝土性能測試結果。由表2可知，混凝土成型后3 d內抗壓強度增長較快，到3 d齡期時，粉煤灰混凝土抗壓強度已經達到設計強度的85.6%，粉煤灰和礦粉雙摻混凝土抗壓強度已經達到設計值的81.0%，到7 d齡期時各組混凝土抗壓強度已經達到設計強度的89.8%和93.6%。

由于混凝土的抗拉強度不宜直接測試，本文采用測試劈裂抗拉強度的方法測試混凝土的抗拉強度，并通過式(2)計算得到混凝土的理論抗拉強度。圖3為計算得到的混凝土在不同齡期的抗拉強度，由表2和圖2可知，在混凝土澆筑后3 d內，混凝土的劈拉強度與理論計算的抗拉強度較為接近，同齡期劈拉強度略低于理論計算的抗拉強度，同時由表2和圖2還可知，3 d以后混凝土劈拉強度和抗拉強度的增加已經不明顯。根據式(3)計算得到混凝土彈性模量的變化如圖3所示。由圖3可知，混凝土彈性模量隨混凝土抗壓強度的增加而顯著增大，且在混凝土成型后3 d內，彈性模量增加最快，計算得到第 3 d時，各組混凝土彈性模量大約為 31 GPa，7 d時各組混凝土彈性模量大約為32 GPa，3 d后隨著齡期的增大，混凝土彈性模量的增加不顯著。

3.2 混凝土溫度測試

3.2.1 粉煤灰混凝土

粉煤灰混凝土(粉煤灰摻量 15%)內部溫度測試結果見圖4所示。由圖4(a)可知，粉煤灰混凝土的入模溫度為24.8 ℃。混凝土澆筑后約38 h左右，混凝土內部1，2，4，5，10和11號點溫度達到最大，最高溫度達到71.5 ℃，然后隨著時間的增加，混凝土內部各點溫度緩慢降低；混凝土內部的3，6，7，8和9號點在澆筑約17 h時溫度達到最大，最高溫度約50.6 ℃左右，然后隨著時間的增加，混凝土各測試點溫度顯著減低，到168 h時，1號測點溫度為46.2 ℃，9號測點溫度為20.9 ℃。

表2 混凝土性能測試結果Table 2 Results of concrete properties

圖2 抗拉強度隨齡期變化Fig. 2 Development of tensile strength with age

圖3 彈性模量隨齡期變化Fig. 3 Development of elastic modulus with age

圖4 (b)為粉煤灰混凝土內部溫度最高的1號點和溫度較低的9號點的溫度測試和內外溫差。由圖4(b)可知，隨著水泥水化的進行，混凝土內部和外部的最大溫度差顯著增大然后降低，內外溫差最大值出現在澆筑后第71 h，最大溫差為38.0 ℃，且在23~168 h內，混凝土內部最大溫度差均大于30 ℃。3.2.3 粉煤灰和礦渣雙摻混凝土

圖4 粉煤灰混凝土內部溫度變化Fig. 4 Inner temperature change of fly ash concrete with

粉煤灰與礦渣雙摻混凝土(粉煤灰摻量15%，礦渣摻量18%)內部溫度變化測試結果見圖5所示。由圖5(a)可知，粉煤灰與礦渣雙摻混凝土的入模溫度為23.9 ℃?；炷翝仓蠹s27 h左右，混凝土內部1，2，4，5，10和11號點溫度達到最大，最高溫度達到67.8 ℃，然后隨著時間的增加，混凝土內部各點溫度緩慢降低；混凝土外部的 3，6，7，8和9號點在澆筑約14 h時溫度達到最大，最高溫度約50.4 ℃左右，然后隨著時間的增加，混凝土內部各測試點溫度顯著減低。

圖5(b)為粉煤灰和礦粉雙摻混凝土內部溫度最高的1號點和溫度較低的9號點的溫度測試和內外溫差。由圖5(b)可知，隨著水泥水化的進行，混凝土內部和外部的最大溫度差顯著增大然后降低，內外溫差最大值出現在澆筑后第 85 h，最大溫差為32.8 ℃，且在25~145 h內，混凝土內部最大溫度差均大于25 ℃。

圖5 粉煤灰與礦渣雙摻混凝土內部溫度變化Fig. 5 Inner temperature change of concrete with fly ash and slag

3.3 混凝土內部應力

現場測試得到不同時期混凝土內部豎向的應變，根據式(3)和圖3的計算結果，帶入彈性模量計算得到不同時期混凝土內部豎向應力變化?，F場測試不同配合比混凝土內部應力結果見圖5和圖6所示。由圖5可知，在所測試齡期內，粉煤灰混凝土內部的 1，2，4，5，6，7，8，10和 11號均受到的壓應力，且壓應力隨著齡期逐漸增大，在大約20~40 h內，各點受到的壓應力達到最大，此后，隨著齡期的增加，各點受到的壓應力逐漸降低。測試中發(fā)現，該大體積混凝土僅有9號點出現了拉應力，且最大拉應力為2.6 MPa，出現在第70 h即澆筑后第3 d，大約在第80 h以后，拉應力逐漸降低，在大約 138 h時，9號點受力由拉應力轉變?yōu)閴簯Α?/p>

由圖6可知，粉煤灰與礦粉雙摻的混凝土，在所測齡期內，僅有9號點受到拉應力，且最大拉應力出現在澆筑后第78 h左右，最大拉應力為0.85 MPa，大約在第110 h后，9號點的受力由拉應力轉變?yōu)閴簯Α?/p>

圖6 混凝土內部應力測試結果Fig. 6 Results of stress tested

現場測試數據表明，該大體積混凝土內部大部分測點均受到壓應力，僅僅9號測點受到拉應力，該點位于混凝土墩的棱角處，且隨著齡期的增大，該點的拉應力逐漸轉化為了壓應力。粉煤灰混凝土在3 d時，內外溫差達到最大為38 ℃，且在測試期間內外溫差均大于 30 ℃，粉煤灰與礦粉雙摻的混凝土內外溫差最大是在大約3.5 d時，最大溫差為32.8 ℃, 且在25~145 h內，混凝土內部最大溫度差均大于 25 ℃。以上對兩組混凝土內部溫度的測試及最大溫度差計算表明，礦物摻合料摻量增加，降低了混凝土內部最高溫度，降低了最大溫度差，但是混凝土內外溫差均大于規(guī)范規(guī)定的 25 ℃。經過對拆模后的混凝土進行檢查，均未發(fā)現混凝土表面出現裂紋。其主要原因應該是該兩組混凝土中，早期強度增長較快，實際測試表明粉煤灰混凝土 3 d劈拉強度已經達到2.8 MPa，而該混凝土內部同期最大拉應力為2.6 MPa，粉煤灰和礦粉雙摻的混凝土3 d強度為2.6 MPa，而同期該混凝土內部最大拉應力為0.85 MPa，同時對該混凝土采取了相應的保溫措施，減小了內外溫度差。由于溫度產生的拉應力均小于混凝土的抗拉強度，因此未見混凝土開裂。

4 結論

1) 本實驗測試的 C50大體積混凝土內外最大溫差出現在3~4 d左右，最大拉應力也出現在大約3~4 d左右，提高早期混凝土的抗拉強度對于提高抗裂性能有積極作用。

2) 采用粉煤灰和礦渣雙摻的混凝土，摻合料摻量占膠凝材料30%以上，能夠有效降低混凝土早期內外溫差且3 d抗拉強度并未顯著降低，改善了混凝土的抗裂性。

3) 對于 C50及以上的大體積混凝土，由于膠凝材料摻量較大，早期抗拉強度較中低強度混凝土高，當混凝土內外溫差大于 25 ℃時，保溫措施適合條件下，混凝土開裂的風險可控。

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