(1.宜昌市東風(fēng)渠灌區(qū)管理局，湖北 宜昌 443000；2.宜昌市水利水電勘察設(shè)計(jì)院，湖北 宜昌 443000)

常年高空現(xiàn)澆施工的早強(qiáng)型高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因溫度應(yīng)力的原因易出現(xiàn)裂縫問題。混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因很多：支撐體及模板變形、溫控不到位、結(jié)構(gòu)不合理、基礎(chǔ)不均勻沉降等均能產(chǎn)生裂縫。混凝土導(dǎo)溫性能差，自然散熱所需時(shí)間較長，混凝土水化過程中會產(chǎn)生大量的水化熱，使其內(nèi)部的熱量聚集導(dǎo)致溫度持續(xù)升高，而表層溫度受環(huán)境溫度的影響，產(chǎn)生溫度差，使混凝土的表層產(chǎn)生拉應(yīng)力；在后期降溫階段，因結(jié)構(gòu)體的自身約束，使得混凝土可能產(chǎn)生內(nèi)部拉應(yīng)力；氣溫驟降時(shí)也會使混凝土的表層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出此時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),即會出現(xiàn)裂縫。

普溪河渡槽重建工程于2017年11月18日建成通水，新渡槽全長1003.42m，最大高度61.5m，設(shè)計(jì)流量15.0m3/s。槽身為單跨40m長C50W4F100預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支結(jié)構(gòu)，矩形斷面凈寬3.1m，凈高2.6m，側(cè)墻厚300mm，底板厚450mm，頂板厚200mm。采用DZ40/500型上行式造槽機(jī)原位現(xiàn)澆。工程概算總投資8598萬元。

由于大跨度薄壁結(jié)構(gòu)需配制的混凝土強(qiáng)度高，為了盡早張拉，7天強(qiáng)度須達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的85%以上。全年施工中實(shí)際環(huán)境溫度-3～41.3℃、相對濕度55%～92%，如果混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，輕則影響混凝土的整體性、抗?jié)B性和耐久性；重則將使構(gòu)件在預(yù)應(yīng)力張拉過程中出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞或造成重大事故。本文結(jié)合湖北省宜昌市普溪河渡槽重建工程實(shí)例，以溫度裂縫控制為目標(biāo)，分析了早強(qiáng)型高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力水工混凝土溫度裂縫的預(yù)防措施并以此實(shí)施，取得了較好的效果，為類似工程施工的裂縫控制提供了參考。

1 混凝土溫度裂縫的危害

1.1 降低混凝土工程外觀質(zhì)量

《水利水電工程單元工程施工質(zhì)量驗(yàn)收評定標(biāo)準(zhǔn)》(SL 632—2012)規(guī)定了表面裂縫是混凝土外觀質(zhì)量檢測的7項(xiàng)指標(biāo)之一。混凝土溫度裂縫會降低混凝土單元工程質(zhì)量評定等級。

1.2 縮短建筑物的使用壽命

混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫使空氣中的CO2極易滲透到混凝土內(nèi)部,與其堿性物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低?；炷撂蓟M(jìn)一步加劇混凝土收縮開裂，致使混凝土結(jié)構(gòu)逐步破壞，縮短了建筑物的使用壽命。

1.3 降低混凝土耐腐蝕性能力

水利工程中混凝土較常見的破壞因素有凍融循環(huán)、鋼筋銹蝕、碳酸鹽作用、淡水溶蝕、鹽類侵蝕、堿-集料反應(yīng)、酸堿腐蝕、沖擊及磨損作用等。受空氣或水中有害物質(zhì)的作用，在混凝土裂縫中形成低溶解度的新生物或溶解水化物，逐步累積后將使混凝土遭受破壞或水解流失，降低了混凝土耐腐蝕性能力。

1.4 降低混凝土的抗?jié)B能力

貫穿性裂縫形成了滲漏通道，在水壓差作用下，滲漏水現(xiàn)象是顯而易見的。未貫穿性的裂縫，在水壓力作用下，水沿裂縫滲入混凝土內(nèi)部，將一部分水化產(chǎn)物溶解并流失，裂縫會逐步發(fā)展，形成滲水通道并增加了結(jié)構(gòu)滲漏可能。

1.5 危及結(jié)構(gòu)安全

混凝土裂縫不但會引發(fā)鋼筋銹蝕，降低混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，降低建筑物的抗?jié)B性，還會影響混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫會導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失，或混凝土局部應(yīng)力集中，危及結(jié)構(gòu)安全；嚴(yán)重的裂縫直接使結(jié)構(gòu)破壞，造成工程損失。

2 溫度控制方法研究

2.1 養(yǎng)護(hù)過程常用溫控方法簡介

當(dāng)晝夜溫差變化較大，或者寒潮來襲，會導(dǎo)致正在固化的混凝土表層溫度急劇下降而產(chǎn)生收縮，表層收縮的混凝土受內(nèi)部混凝土的約束，將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。常規(guī)的主要溫控措施如下：

a.優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，盡量選用低熱或中熱水泥，減少水泥用量，降低水灰比，改善骨料級配，摻加減水防裂劑和纖維素等。

b.降低混凝土入倉溫度，降低骨料、水和摻和料的物理溫度，改善混凝土的攪拌加工工藝。

c.優(yōu)化混凝土施工工藝，降低接觸面約束，分層、分塊澆筑。

d.在混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻管道降低溫差。

e.加強(qiáng)混凝土的保濕保溫養(yǎng)護(hù)等。

2.2 溫控方法——原料配合比優(yōu)化篩選

本工程通過對比不同環(huán)境溫度下、不同配合比的試驗(yàn)，確定滿足實(shí)際施工要求的早強(qiáng)型高強(qiáng)度混凝土配合比為：水泥∶粉煤灰∶江砂∶黃砂∶碎石∶減水劑∶水∶纖維素=470∶60∶210∶490∶1030∶12.72∶170∶0.9。通過200多組的配合比設(shè)計(jì)，該配合比能達(dá)到各項(xiàng)技術(shù)要求，水化熱可控。

2.3 溫控方法——溫變限值分析

2.3.1 渡槽溫度場計(jì)算模型

基于大型有限元分析軟件MIDAS對渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行施工過程的溫度場分析。單節(jié)一期槽身長38.8m簡支箱型渡槽，槽頂部寬5.0m，底部全寬4.1m，由于結(jié)構(gòu)為簡支結(jié)構(gòu)，為減少單元數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間，選擇模型(對稱結(jié)構(gòu))的1/4進(jìn)行分析。整個(gè)模型有4178個(gè)單元，結(jié)點(diǎn)總數(shù)為5987個(gè)。建立的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 槽身有限元模型

2.3.2 邊界條件

計(jì)算施工期渡槽槽身的溫度時(shí)間段為渡槽脫模以前，溫度場主要有三類邊界條件。

第一類邊界條件：混凝土表面溫度T是時(shí)間τ的已知函數(shù)。渡槽槽身頂面采用毛氈覆蓋，灑水養(yǎng)護(hù)，此時(shí)表面溫度等于已知的水溫度。

T(τ)=f(τ)

(1)

第二類邊界條件：混凝土表面的熱流量是時(shí)間的已知函數(shù)。為了減少節(jié)點(diǎn)，節(jié)省運(yùn)算量，同時(shí)方便模型內(nèi)部的溫度場圖的展示，在建立槽身模型時(shí)，采用1/4模型為計(jì)算模型。因此槽身的混凝土熱源及養(yǎng)護(hù)等對于軸線是對稱的，在對稱面上采用此類邊界條件。

(2)

第三類邊界條件：槽身混凝土與空氣接觸，熱量與周圍空氣發(fā)生對流交換。

(3)

式中λ——導(dǎo)熱系數(shù)；

β——表面放熱系數(shù)；

T——混凝土表面溫度。

渡槽施工期溫度場仿真分析時(shí)，側(cè)墻內(nèi)、底板頂面與空氣接觸，渡槽槽身不同部位混凝土的內(nèi)外溫度不同。為了了解槽體結(jié)構(gòu)溫度隨齡期發(fā)展的變化規(guī)律，可通過分析具有代表性的控制點(diǎn)施工期溫度變化過程曲線來研究。

2.3.3 混凝土熱學(xué)性能

槽身混凝土強(qiáng)度等級為C50，根據(jù)混凝土配合比：水泥470kg，粉煤灰60kg，江砂210kg，黃砂490kg，石子1030kg，水170kg，可得出該混凝土導(dǎo)溫系數(shù)a(m2/h)、導(dǎo)熱系數(shù)λ[kJ/(m·h·℃)]、比熱c?；炷翢釋W(xué)性能參數(shù)如表1所列。

表1 混凝土熱學(xué)性能參數(shù)匯總

2.3.4 保溫材料保溫效果分析

2.3.4.1 保溫材料厚度

采用聚苯乙烯泡沫板作為保溫層，經(jīng)有限元模型分析計(jì)算，當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí)，保溫材料在空氣中的放熱系數(shù)為80kJ/(m2·h·℃)。計(jì)算表明，對于同一種保溫材料，隨著保溫層厚度的增加，保溫效果的增幅逐漸減小，保溫層達(dá)到一定厚度后，保溫效果將趨于一致而不再提高。經(jīng)計(jì)算，在造槽機(jī)外模上安裝30mm厚聚苯乙烯泡沫板作為隔熱材料合適。

2.3.4.2 保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)

為了研究保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)對保溫效果的影響，經(jīng)模型分析，工程中常用的保溫板材的散熱系數(shù)在30～80kJ/(m2·h·℃)之間，經(jīng)計(jì)算，溫度極值點(diǎn)在散熱系數(shù)為30kJ/(m2·h·℃)和80kJ/(m2·h·℃)時(shí)溫度差值僅為2℃，如圖2所示。因此槽身保溫材料的散熱系數(shù)對該工程的影響不大，選用聚苯乙烯泡沫板作為隔熱材料合適。

圖2 不同槽身保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)的水化熱

2.3.4.3 水化熱溫度場

經(jīng)模型分析計(jì)算，水化熱溫度場數(shù)值結(jié)果如圖3所示，槽身水化熱溫度場特征值如表2所列，溫度場過程線如圖4所示，為槽身溫控提供了理論數(shù)據(jù)。

圖3 水化熱溫度場

時(shí)間/h槽身中軸線/℃槽身側(cè)墻中軸線/℃底板下部底板中部底板上部頂板下部頂板中部側(cè)墻底中部側(cè)墻中部側(cè)墻頂部環(huán)境溫度/℃1342.7550.9255.3744.339.2250.9842.7337.27201639.650.6855.6640.5435.750.4340.1232.75201937.9748.9455.0736.1632.2948.0737.0330.02202237.2747.2953.433.430.0945.6234.6828.4203630.8438.0942.9126.3824.5135.0127.1223.1204329.163438.0624.7623.2231.0425.0222.7920

續(xù)表

圖4 槽身內(nèi)溫度特征值線

影響渡槽薄壁結(jié)構(gòu)保溫材料保溫效果的因素主要有保溫材料的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)等。

3 混凝土內(nèi)部溫控值分析

槽身混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為50MPa，混凝土施工經(jīng)歷了夏季最高溫和冬季最低溫，日均溫差約為8～14℃。考慮到槽身混凝土強(qiáng)度高、單方混凝土中水泥用量較大等特點(diǎn)，通過試驗(yàn)與研究，確?；炷翝仓蟛怀霈F(xiàn)裂縫。

3.1 混凝土的出機(jī)口溫度

T0=Th-0.16(Th-Td)

(4)

式中T0——混凝土出機(jī)口溫度,℃；

Th——拌和物最終溫度,℃；

Td——拌和站溫度,℃。

3.2 混凝土運(yùn)輸時(shí)的溫度損失

TS=(at+0.032η)(T0-Td)

(5)

式中TS——混凝土運(yùn)輸中溫度損失,℃；

t——混凝土運(yùn)輸?shù)匠尚蜁r(shí)間,h。

3.3 混凝土入倉溫度

Tj=T0-TS

(6)

3.4 混凝土內(nèi)部計(jì)算最高溫度

Tmax=Tt+Tj

(7)

Tt=WQ(1-e-mt)/(Cp)

式中Tmax——混凝土內(nèi)部最高溫度,℃；

Tj——混凝土入倉溫度,℃；

Tt——t齡期時(shí)混凝土的絕熱溫升,℃；

W——每立方米混凝土中水泥用量,kg/m3,取470；

Q——每kg水泥水化熱量,kJ/kg,取410；

日本東北大地震（2011年3月11日，MW9.1）的余震發(fā)生在2011年4月7日（MW7.1），震源深度約53km，在主震以西約60km。從區(qū)域記錄獲得的標(biāo)準(zhǔn)矩張量除了我們解中顯著大于全球矩心矩張量中的非雙力偶部分之外，與全球矩心矩張量解非常相似。類似于所羅門群島2003年發(fā)生的地震，二階矩產(chǎn)生非常細(xì)長的震源橢球（在這種情況下，走向近似垂直；圖8）和3.1km／s的破裂速度（表2）。方向性比的值d＝0.38（表2）表明破裂為單側(cè)擴(kuò)展。對于該事件進(jìn)行了噪聲污染高達(dá)20%的刀切測試，結(jié)果表明重建的二階矩穩(wěn)定性相當(dāng)?shù)停ㄒ姴＠S亞地震一節(jié)）。

C——混凝土的比熱,kJ/(kg·℃)；

p——混凝土的容重,kg/m3,取2300；

m——隨水泥品種、比表面及澆筑溫度而異,取0.7；

τ——齡期,d。

按上式計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為Tmax=61.2℃。

4 實(shí)測結(jié)果

為精確監(jiān)測槽身表面及波紋管內(nèi)部等各個(gè)位置混凝土溫度隨時(shí)間變化的情況，對普溪河渡槽槽身澆筑完成后即進(jìn)行溫度監(jiān)控?，F(xiàn)抽取10號槽身溫控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，澆筑時(shí)間為2016年10月9日上午8∶00，完成時(shí)間為19∶30，在澆筑完成后第二天上午8∶30開始監(jiān)測，一直到第四天14∶30結(jié)束。設(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)分為：隨機(jī)抽取上下游端部波紋管內(nèi)10cm處、槽身頂板及底板上、中、下游混凝土表面位置(上、下游均距離端部2m位置)。觀測數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 10號槽身溫度檢測數(shù)據(jù)

混凝土溫度實(shí)測成果過程線如圖5所示。

圖5 10號槽身溫度監(jiān)測過程線

實(shí)測混凝土最高溫度為Tmax=59.6℃，在混凝土澆筑后22h達(dá)到峰值。通過對槽身頂板覆蓋多層保溫毯和多層塑料薄膜，以及模板外側(cè)粘貼聚苯乙烯泡沫板，使得分別位于槽身頂板和底板處的上、中、下游位置的混凝土溫度基本一致，表明混凝土保溫措施良好。

通過對波紋管口處溫度監(jiān)測，其溫度值略低，說明該處的聚苯乙烯泡沫板整體性不夠且單層油布熱阻能力不夠；上游端部溫度高于下游端部溫度，經(jīng)分析主要原因如下：

a.槽身上游側(cè)為1.2m的二期混凝土空間，下游側(cè)為沒有擋風(fēng)設(shè)施的敞開狀態(tài)，下游側(cè)與外部熱交換系數(shù)大于上游側(cè)。

b.上游測點(diǎn)為N4，下游測點(diǎn)為N1，下游測點(diǎn)混凝土澆筑時(shí)間比上游測點(diǎn)澆筑時(shí)間早5～6h，而端部油布封閉時(shí)間在整倉混凝土澆筑完成之后進(jìn)行，下游混凝土由于先行澆筑已經(jīng)開始初期發(fā)熱并部分散失。

5 控制、裂縫預(yù)防組合措施

5.1 混凝土控溫控制組合措施

為達(dá)到槽身澆筑7天后進(jìn)行張拉的早強(qiáng)條件，采用海螺P.O42.5R水泥。因?yàn)椴凵硎且粋€(gè)半封閉薄壁結(jié)構(gòu)，對早強(qiáng)型混凝土與一般混凝土的熱力學(xué)性能參數(shù)的分析比較說明：混凝土早期發(fā)熱速度快，彈性模量增長快，干縮變形和自身體積變形收縮量大，雖然此時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度增長也很快，但早強(qiáng)型混凝土更容易產(chǎn)生溫度裂縫。

5.1.1 原材料控溫措施

原材料的溫控措施是降低混凝土入倉溫度的一項(xiàng)重要控制內(nèi)容。首先，對拌和用水的溫度控制，采用東風(fēng)總干渠的流水進(jìn)行混凝土拌制。由于水源為尚家河水庫底層水，溫度基本處于8～12℃，故而夏季施工時(shí)，直接取水拌和；在冬季施工過程中，提前將水池注滿，確保拌和用水溫度為最低值。其次，骨料場設(shè)置遮陽棚，根據(jù)現(xiàn)場倉儲能力盡量提高骨料的堆積高度。夏季則對粗骨料進(jìn)行噴灑水霧降溫。

5.1.2 混凝土運(yùn)輸過程溫控

混凝土采用汽車攪拌車進(jìn)行水平運(yùn)輸，再泵送至混凝土倉內(nèi)。運(yùn)輸過程時(shí)間越長，混凝土的升溫越大。故而在實(shí)際施工中，要求施工單位合理架設(shè)泵管，將攪拌車上部及泵管上均覆蓋遮陽材料并定時(shí)灑水降溫；環(huán)境溫度大于35℃時(shí)采取噴霧等方法降低倉面溫度。

5.1.3 拆模時(shí)的溫控

槽身混凝土拆模前，控制混凝土溫度與環(huán)境溫度小于等于15℃，同時(shí)在拆除槽身兩端保溫油布后，讓槽身中段內(nèi)的溫度緩慢降低，控制降溫速率小于等于1℃/h，當(dāng)內(nèi)部溫度與外部溫差小于15℃后即可拆模。

5.2 裂縫預(yù)防組合措施

薄壁結(jié)構(gòu)是渡槽防裂難度最大的結(jié)構(gòu)之一，采用高性能泵送混凝土，水泥水化熱大、早期強(qiáng)度高、自生體積變形相對較大、徐變較小、坍落度較大、延性較差。工程實(shí)踐及仿真分析均表明，渡槽槽身工程需要控制早期混凝土內(nèi)外溫差。晝夜溫差大，年內(nèi)氣溫變化也較大，均易導(dǎo)致槽身混凝土裂縫。渡槽防裂工作的重點(diǎn)是早期表面防裂，對于渡槽混凝土工程的溫控防裂主要措施是保濕、保溫。

5.2.1 保濕

早強(qiáng)型高強(qiáng)度混凝土終凝后，根據(jù)混凝土表面顏色狀態(tài)要適時(shí)補(bǔ)濕，此時(shí)采用和混凝土表面溫度一致的同溫水進(jìn)行注灑，保持混凝土表面濕潤。通過保濕可以有效減小水分的蒸發(fā)，使混凝土表面水泥能夠更有效水化，保濕措施主要為多層塑料薄膜覆蓋。

5.2.2 保溫

保溫可以有效減小混凝土體內(nèi)外溫差，降低因溫差而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。普溪河渡槽澆筑完成后，采取的保溫措施有：在造槽機(jī)外模上安裝30mm厚聚苯乙烯泡沫板作為隔熱材料；槽身澆筑完成后，及時(shí)對頂面進(jìn)行薄膜+保溫毯+薄膜+保溫毯，外加一層油布覆蓋；縮短混凝土直接與空氣暴露時(shí)間；上、下游兩端進(jìn)行油布封閉以降低結(jié)構(gòu)熱交換速度等。

通過實(shí)踐，當(dāng)混凝土溫度與環(huán)境溫度小于等于15℃時(shí)，混凝土表面不再出現(xiàn)裂紋。拆模宜選在白天氣溫較高的時(shí)間進(jìn)行，以避免因外界溫差相對較大在混凝土表面產(chǎn)生過大拉應(yīng)力;同時(shí)還要避免突然的暴曬。當(dāng)晝夜溫差、風(fēng)速過大或出現(xiàn)寒潮時(shí)，宜適當(dāng)推遲拆模時(shí)間。

5.2.3 遮陽、擋風(fēng)

混凝土的內(nèi)外溫差不僅與自身的水化熱、外界氣溫有關(guān)，還與環(huán)境風(fēng)速及太陽的照射有關(guān)。為了減小混凝土的內(nèi)外溫差，施工過程中需要架設(shè)遮陽、擋風(fēng)設(shè)施，主要有遮陽篷和擋風(fēng)篷。

5.2.4 優(yōu)化配合比

混凝土配合比的優(yōu)化可以有效減少水化熱，降低絕熱溫升，減少自生體積收縮變形，從而提高混凝土自身的抗裂能力。提高渡槽混凝土的抗裂能力，除了選擇合適的配合比外，還可以通過摻加外加劑、外摻料等措施。如：普溪河渡槽混凝土中摻入了0.9kg/m3纖維素纖維，可有效阻止混凝土因溫度引起的裂縫產(chǎn)生。

5.2.5 其他防裂措施

設(shè)置蒸汽養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)或者通過內(nèi)設(shè)循環(huán)水也是混凝土溫控中最常用的有效辦法，但在高空截面僅為30cm的薄壁混凝土不易實(shí)施。

6 結(jié) 論

高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土在大跨度槽身中的使用越來越多，其內(nèi)部溫度最高達(dá)70℃左右；通過定性及定量分析，野外高空條件下整體澆筑早強(qiáng)型高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力薄壁結(jié)構(gòu)，采用一般的溫控措施難以避免溫度裂縫，通過實(shí)踐檢驗(yàn)，應(yīng)加強(qiáng)以下措施：

a.優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，在滿足混凝土的可施工性能的基礎(chǔ)上減少水化熱量。

b.加強(qiáng)混凝土保溫養(yǎng)護(hù)，通過計(jì)算，采取鋼模外貼30mm厚聚乙烯苯保溫板，混凝土面層覆蓋兩膜兩毯一油布的保溫措施，可使混凝土內(nèi)外溫差不大于15℃。

c.加強(qiáng)混凝土保濕養(yǎng)護(hù)，適時(shí)補(bǔ)充與混凝土同溫度的水養(yǎng)護(hù)。

d.遮陽、擋風(fēng)，避免薄壁結(jié)構(gòu)高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)溫度裂縫。

普溪河渡槽重建工程中采取的裂縫控制措施，抗裂效果顯著，可供類似常年野外施工的高強(qiáng)度預(yù)應(yīng)力水工鋼筋混凝土制定溫控防裂措施參考。