谷 克 翰

(中鐵五局集團(tuán)路橋工程有限責(zé)任公司，廣東 廣州 511458)

大體積混凝土一旦開裂，尤其是不穩(wěn)定的裂縫，就會(huì)對(duì)建筑工程的結(jié)構(gòu)造成極大的安全隱患。大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)的探究應(yīng)從兩個(gè)方面著手，一方面，最大程度上提高抗裂能力，增強(qiáng)本身特性；另一方面應(yīng)從改善約束、控制溫度等減小溫度應(yīng)力的措施開展。

1 大體積混凝土開裂分析

根據(jù)大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生機(jī)理，可以得出，當(dāng)混凝土由于變形受到的內(nèi)外約束引起的應(yīng)力σ(t)超過(guò)抗拉強(qiáng)度Rf(t)時(shí)，便會(huì)出現(xiàn)裂縫。其中，抗拉強(qiáng)度Rf(t)是混凝土受內(nèi)約束產(chǎn)生的應(yīng)力σN(t)與受到外約束引起的應(yīng)力σW(t)的和。即：

σ(t)=σN(t)+σW(t)

(1)

應(yīng)力σN(t)是內(nèi)外溫差ΔT(t)引發(fā)的相對(duì)形變受到內(nèi)約束造成的。

應(yīng)力σW(t)是由混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部從最高溫度Tmax降低至外界環(huán)境溫度Th(t)時(shí)引發(fā)的收縮變形受到外約束的抑制而造成的。其溫降值ΔT(t)為：

ΔT(t)=[Tj+T(t)-Ts(t)-Td(t)]max-Th(t)|t=t0

(2)

其中，Td(t)為非溫度收縮因素引起的收縮當(dāng)量溫度；Th(t)為環(huán)境溫度值；t0為混凝土內(nèi)部溫度降低至外界溫度時(shí)的時(shí)間：

σW(t)=σZ(t)+σS(t)+σ0(t)-σX(t)

(3)

其中，σZ(t)為總溫降收縮受約束造成的應(yīng)力；σS(t)為收縮變形受約束造成的應(yīng)力；σ0(t)為其他次要因素造成的應(yīng)力；σX(t)為徐變釋放的應(yīng)力。

綜上，若滿足式(4)，便會(huì)抑制大體積混凝土溫度裂縫的形成：

Rf(t)>σN(t)+σZ(t)+σS(t)+σ0(t)-σX(t)

(4)

由式(4)左邊可知，避免出現(xiàn)溫度裂縫的關(guān)鍵是抗拉強(qiáng)度要超過(guò)由眾多原因?qū)е碌膽?yīng)力；由式(4)右邊可知，降低總溫度應(yīng)力、內(nèi)外溫差應(yīng)力、收縮應(yīng)力，提高混凝土變形能力，增強(qiáng)松弛的能力，是避免溫度裂縫出現(xiàn)的有效措施。

2 制備階段控制

在控制大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫領(lǐng)域，材料的選擇與制備至關(guān)重要?；炷涟脑牧媳姸啵疚闹饕獜奶岣呖估瓘?qiáng)度、降低水化熱、緩解混凝土的收縮等方面進(jìn)行闡述。

2.1 水泥和水的選擇

關(guān)于水泥和水的選擇，主要考慮三個(gè)方面的內(nèi)容，分別是：降低水化熱、減少水泥用量以及控制用水量。

1)降低水化熱。

水泥作為一種礦物質(zhì)，其放熱量及放熱速率是有一定的順序的，具體如表1所示。而不同的礦物有著不同的特性，具體如表2所示。它們?cè)谑炝现械暮坎煌?，水泥的性質(zhì)也略有不同。根據(jù)表1，表2可知，若要降低大體積混凝土內(nèi)部和外表面的溫度差異，減少水化熱的釋放，則要在水泥中適當(dāng)?shù)丶訌?qiáng)硅酸二鈣和鐵鋁酸四鈣的比例，并且限定鋁酸三鈣和硅酸三鈣的用量。

表1 不同熟料礦物的水化熱

表2 不同礦物特性

在大體積混凝土工程項(xiàng)目的實(shí)際施工過(guò)程中，對(duì)于水泥的選擇還應(yīng)綜合考慮坍落度、強(qiáng)度、水化熱等眾多因素。當(dāng)前，實(shí)際施工中，采用最為普遍的是普通的硅酸鹽水泥和礦渣硅酸鹽水泥。

2)減少水泥的用量。

大量的試驗(yàn)與工程實(shí)踐表明，水泥的使用量越多，水化熱越高，每立方米混凝土的水泥含量每增加或減少10 kg，水泥水化熱可使溫度升高或降低1 ℃。

3)減少水的用量。

用水量的增多會(huì)導(dǎo)致混凝土的干縮率增大，通常情況下，每增加1%的用水量，可提高2%～3%的干縮率。

2.2 粗細(xì)骨料的選擇

為使水泥充分發(fā)揮它的作用，粗骨料的選擇應(yīng)以最大粒徑最為適合。粗骨料的規(guī)格和型號(hào)不僅影響了混凝土澆筑的施工技術(shù)，還對(duì)配筋間距和模板形狀造成了影響。選用連續(xù)級(jí)配粗骨料的混凝土有著極好的和易性，可減少水的用量，從而減少收縮。

在石子的選擇方面，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際的施工情況，選用粒徑與級(jí)配均較好的石子。粗骨料的形狀、特性嚴(yán)重影響著混凝土的用水量及和易性，因此對(duì)于粗骨料的選擇，片狀及針形的顆粒其重量均要小于15%。對(duì)于細(xì)骨料而言，應(yīng)盡量選用中、粗砂[1]。

2.3 摻合料的選擇

在實(shí)際施工項(xiàng)目中，常用的摻合料包括：粉煤灰、硅灰、礦渣及沸石粉等，它們可有效降低膠凝材料產(chǎn)生的水化熱，同時(shí)又減少了水泥的用量。但是礦物摻合料的數(shù)量、品種以及摻加形式，會(huì)對(duì)水化熱造成不同的影響。

1)礦渣。礦渣在堿性條件下可呈現(xiàn)較高的水硬性，其大小與玻璃體含量及其自身的化學(xué)成分息息相關(guān)。

2)粉煤灰。經(jīng)驗(yàn)證明，添加水泥用量15%的粉煤灰可以有效降低約15%的水化熱。水泥水化熱與粉煤灰的用量成反比，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際調(diào)整摻合料的用量。

3)沸石粉。沸石粉作為一種細(xì)摻料，其形狀為架狀，且富含有鋁硅酸鹽，來(lái)源和應(yīng)用廣泛。需水性略高于粉煤灰，實(shí)際施工過(guò)程中與其他摻料共同作用[2]。

3 施工階段控制

3.1 混凝土配合比的優(yōu)化確定

為了避免混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，必須采用適當(dāng)?shù)拇胧┘胺椒p小水泥水化熱和混凝土強(qiáng)度的比值，即其熱強(qiáng)比(Q水泥/R混凝土)。借鑒以往大量的工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和特點(diǎn)，不斷優(yōu)化單方混凝土中的水泥用量，控制砂率、水灰比及初凝時(shí)間等因素。

3.2 控制出機(jī)溫度和澆筑溫度

在施工過(guò)程中，要最大程度上減小混凝土的澆筑溫度。在混凝土的運(yùn)輸過(guò)程中，減小運(yùn)輸及停留時(shí)間，降低在此過(guò)程中的吸熱。

通常情況下，混凝土的澆筑溫度應(yīng)保證在30 ℃以下的范圍內(nèi)；冬季施工時(shí)要注意保溫，做好混凝土表面的防凍養(yǎng)護(hù)，尤其是在初凝期，一般采用加熱骨料、熱水拌合的方法保證混凝土原材料的溫度達(dá)標(biāo)，其澆筑溫度不應(yīng)超過(guò)50 ℃[3]。

3.3 合理分層分塊澆筑

大體積混凝土項(xiàng)目在施工時(shí)通常是分塊澆筑的。分塊澆筑可以分為兩類：分段跳倉(cāng)澆筑法和分層澆筑法。分層澆筑法又可分為分段分層澆筑、斜面分層澆筑以及全面分層澆筑法三大類，如圖1所示。

分段分層澆筑的方法適用于拌和能力較低且抗?jié)B要求不高的大體積混凝土結(jié)構(gòu)；斜面分層澆筑一般用于結(jié)構(gòu)尺寸較大但是壁厚較薄的混凝土結(jié)構(gòu)；全面分層澆筑可以實(shí)現(xiàn)混凝土的均勻散熱，一般在拌合和運(yùn)輸均能滿足混凝土在初凝前連續(xù)澆筑的情況下使用。

4 養(yǎng)護(hù)階段控制

在保溫養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，可以在其表面覆蓋麻袋、塑料薄膜等材料，確保水分不過(guò)分散失，且需要在覆蓋物下適當(dāng)噴灑一定量的水分以維持混凝土外表面的濕潤(rùn)。大體積混凝土的保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)短應(yīng)根據(jù)溫度應(yīng)力來(lái)確定，對(duì)于外界環(huán)境較為寒冷的工程，其混凝土的保溫周期應(yīng)該相對(duì)延長(zhǎng)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析可以得出，水泥的種類和使用量、抗拉強(qiáng)度、配筋率、收縮變形、澆筑溫度、外界環(huán)境條件等是影響溫度應(yīng)力大小的原因。因此，應(yīng)該從混凝土的材料選擇、施工方法以及設(shè)計(jì)等方面綜合采用合理的措施，實(shí)現(xiàn)有效抑制溫度裂縫出現(xiàn)的目標(biāo)。