龍春成

（貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

直徑1 m以上的混凝土為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在澆筑過程中由于水泥水化產(chǎn)生大量熱量，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部聚集難以散發(fā)，出現(xiàn)大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外部間溫差過大，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫[1-2]。該文對大體積混凝土溫度控制措施進(jìn)行探究，期望為控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，提供工程實踐借鑒。

1 工程概況

該研究的工程案例為某大型橋梁承臺工程，橋梁主墩為空心墩，橋梁以灌注樁為基礎(chǔ)，由C30混凝土澆筑構(gòu)成橋梁承臺，各承臺均為混凝土實心結(jié)構(gòu)且彼此連接。橋梁承臺土方量合計6 693 m3，承臺結(jié)構(gòu)尺寸為23.3 m×19.3 m×5.1 m，項目屬典型大體積混凝土施工類型。

2 溫度裂縫成因及控制措施

2.1 混凝土的特點(diǎn)

混凝土材料具備較高的抗壓強(qiáng)度，抗拉伸性強(qiáng)度低且抗拉強(qiáng)度小，有一定脆性且材質(zhì)均勻性差[3]?；炷量箟簭?qiáng)度為抗拉強(qiáng)度十倍，短期極限變形范圍為0.6×10-4～1.0×10-4，與其處于6～10°環(huán)境線下的變形指標(biāo)一致，長期極限拉伸變形為1.2×10-4～2.0×10-4。

2.2 溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理

澆筑后2～5 d內(nèi)混凝土內(nèi)部會出現(xiàn)大量水泥水化熱，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部熱量大量凝聚，溫度迅速升高，最大溫度可達(dá)60～65 ℃。由于積聚效應(yīng)，混凝土內(nèi)部膨脹，在內(nèi)外溫度差作用下形成溫度梯度，混凝土內(nèi)部受產(chǎn)生的約束力作用，混凝土內(nèi)與表面分別出現(xiàn)壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力值超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度值時則會出現(xiàn)表面裂縫現(xiàn)象?；炷脸尚驮缙诨咎幱谒苄约皬椝苄誀顟B(tài)，其彈性模量水平較低，約束應(yīng)力水平不足，隨后隨著混凝土溫度下降，彈性模量值增加，約束拉應(yīng)力水平也有所升高，當(dāng)約束拉應(yīng)力值超過抗拉強(qiáng)度水平時也會出現(xiàn)表面裂縫現(xiàn)象[4]。

2.3 溫度裂縫的控制措施

溫度作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度是引發(fā)表面裂縫的根本原因，故此可根據(jù)施工需求適當(dāng)增加構(gòu)造筋數(shù)量以改善混凝土的抗裂性能，對溫度引發(fā)的裂縫效果加以控制。增配構(gòu)造筋需保持小間距，選用小直徑產(chǎn)品，既往研究證實保持間距150 mm并選用直徑8～14 mm的構(gòu)造筋效果最佳。為保持混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，一般保持混凝土全截面配筋率在0.3%～0.5%范圍內(nèi)，如構(gòu)造筋無法滿足抗約束效果，則應(yīng)當(dāng)增加其數(shù)量，直至滿足變形構(gòu)造基本要求。

大體積混凝土內(nèi)部的溫度為瞬態(tài)溫度場，其數(shù)值隨著時間和位置變化，初期溫度變化特征與拋物線結(jié)構(gòu)相似，隨后溫度曲線稍平緩并逐步趨近于外界溫度。影響大體積混凝土內(nèi)部溫度的因素眾多，一般情況下，對于大體積混凝土內(nèi)部溫度的控制需考慮內(nèi)外溫度變化及其溫度峰值。外部環(huán)境、散熱邊界條件、混凝土配合比等因素都會對大體積混凝土內(nèi)部溫度峰值產(chǎn)生影響，可將其分為水泥水化熱溫度、澆筑溫度、混凝土散熱溫度三個部分，故降低大體積混凝土內(nèi)部溫度也應(yīng)針對上述三個方面采取針對性措施。與此同時，澆筑施工過程中也需降低混凝土結(jié)構(gòu)約束力并加強(qiáng)全程養(yǎng)護(hù)[5]。

3 承臺大體積混凝土溫控技術(shù)

3.1 原材料選擇和混凝土配合比優(yōu)化

通過改善混凝土配合比達(dá)到最佳水平以降低混凝土水化熱是降低大體積混凝土內(nèi)外溫度差的有效措施。

（1）堅持“強(qiáng)度合格”原則基礎(chǔ)上進(jìn)行對組對比試驗，確定最佳的水泥型號、添加劑成分及其配比，通過控制配合比減少澆筑過程中的水泥水化熱[6]。

（2）優(yōu)化混凝土澆筑方式。泵送混凝土方案具備效率高、成本低、施工便捷的特征，但是需對技術(shù)指標(biāo)嚴(yán)格控制。為確保澆筑質(zhì)量，初始坍落度需大于18 m，且初凝時間保持在18～22 h內(nèi)。該案例橋梁承臺選用的C30混凝土配合比情況如表1所示。

表1 優(yōu)化后C30承臺混凝土配合比

3.2 承臺大體積混凝土分層澆筑措施

合理的施工技術(shù)是確保混凝土澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵。為提高澆筑水平，施工中應(yīng)用斜面分層和全面分層的澆筑方案，解決初期澆筑過程中混凝土過熱溫度的同時，有效降低了內(nèi)外溫差[7]。

（1）全面分層法。沿建筑物長側(cè)澆筑，第一層混凝土澆筑完畢前進(jìn)行二次澆筑。

（2）斜面分層法。用于建筑物厚度小于長度三分之一的情況下，需保持施工斜坡坡度小于三分之一。該案例中橋梁承臺厚度為3 m，頂部厚度為2 m，結(jié)合實際情況選用了全面分層澆筑聯(lián)合斜面分層澆筑的施工方案。

3.3 承臺冷卻管埋設(shè)及控制要求

大尺寸承臺結(jié)構(gòu)多采取一次性澆注筑工藝，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置冷卻管加速熱量散發(fā)，借助熱循環(huán)提高澆筑成功率。

（1）承臺冷卻管多選用φ50 mm×2.5 mm焊管，并單獨(dú)設(shè)置單層冷卻管進(jìn)行水循環(huán)，避免置于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的冷卻管道過長引發(fā)堵塞。項目承臺內(nèi)部設(shè)置了4層獨(dú)立冷卻管，通過對管道內(nèi)循環(huán)水量的控制降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，減少表面裂縫概率。

（2）科學(xué)控制冷卻水管安裝質(zhì)量，合理布置管線格局，通水檢驗避免漏水。根據(jù)項目需求合理控制通水時間與流量，水管埋深大于250 mm需進(jìn)行通水并保持通水流量大于30 L/min。

（3）做好溫度檢測，當(dāng)冷卻水管進(jìn)水口與出水口溫差大于9 ℃時需加大冷卻管內(nèi)水流量，并嚴(yán)格控制進(jìn)水口水溫，將混凝土內(nèi)部溫度與進(jìn)水口水溫溫差限定在25 ℃以內(nèi)。

3.4 承臺大體積混凝土的合理養(yǎng)護(hù)

做好日常養(yǎng)護(hù)工作是避免大體積混凝土裂縫的關(guān)鍵，也是保障項目施工質(zhì)量的有效措施。故此，需加強(qiáng)大體積混凝土日常表面潤濕工作。

（1）溫度控制。溫控對保障大體積混凝土澆筑質(zhì)量至關(guān)重要，多以內(nèi)外結(jié)合的方案進(jìn)行有效控制?；炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)部以冷卻水循環(huán)的方式降低內(nèi)部溫度，減少水泥水化熱引發(fā)的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度急劇升高，從而實現(xiàn)控制溫度的目的，該方法被稱為降溫法?；炷镣獠縿t采用覆蓋麻袋、泡沫板、塑料薄膜等保溫材料的方式降低大體積混凝土構(gòu)件表面與外界接觸，減少熱交換以實現(xiàn)保溫的目的。外保溫和內(nèi)降溫方式的運(yùn)用，能減少混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差，避免溫度裂縫的出現(xiàn)。

（2）混凝土養(yǎng)護(hù)。為確保工程質(zhì)量，以項目施工經(jīng)驗為基礎(chǔ)，合理增加混凝土養(yǎng)護(hù)措施。該案例中橋梁承臺大體積混凝土澆筑施工時間為冬季，混凝土內(nèi)外溫差大，水泥水化反應(yīng)慢，需增加養(yǎng)護(hù)時間滿足水化反應(yīng)充分的需求，確?；炷翉?qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)。故此，施工中達(dá)到一定溫濕度后需對混凝土構(gòu)件表面加強(qiáng)潤濕，并結(jié)合項目需求進(jìn)行合理養(yǎng)護(hù)，最終確定養(yǎng)護(hù)時間需大于21 d。施工過程中，需保障混凝土強(qiáng)度大于2.5 MPa以滿足荷載需求，避免荷載因素對橋梁承臺結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生影響[8]。

（3）合理確定拆模時間。拆模前需進(jìn)行檢測，確定各項指標(biāo)符合規(guī)定方可實施，包括周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)表面溫濕度、混凝土強(qiáng)度等，一般需保持混凝土強(qiáng)度大于10 MPa，且溫度低于20 ℃時方可拆卸模板。拆除模板時需做好保溫措施，拆模期間及拆模后通過灑水控制混凝土構(gòu)件內(nèi)外溫差，同時注意維護(hù)結(jié)構(gòu)物表面完整性。

4 溫控結(jié)果分析

未采取溫度控制措施情況下的混凝土水化熱絕熱溫度如公式（1）所示；采取溫度控制措施后，混凝土施工配合比、外部環(huán)境等因素變化，以大體積混凝土溫度控制為例，采取內(nèi)部布設(shè)冷卻水管利用循環(huán)水降溫的方式控制溫度。

式中，結(jié)合該項目各指標(biāo)取值如下：水泥用量mc=307 kg/m3，發(fā)熱量Q=377 J/kg，比熱容C=0.96 J/kg·℃，重力密度d=2 400 kg/m3，經(jīng)驗系數(shù)m=0.3。

未采取溫度控制措施情況下，借助公式（1）獲得混凝土水化熱絕熱溫度數(shù)據(jù)，記為溫度1；利用有限元軟件Midas/Civil分析獲得采取混凝土內(nèi)部冷卻水管循環(huán)水降溫措施的水管溫度，記為溫度2；將現(xiàn)場測量的實際溫度記為溫度3。三個溫度數(shù)據(jù)隨時間變化的情況如表2所示。由表2可知，溫度2和溫度3數(shù)據(jù)基本一致，絕熱溫度均小于30 ℃。

表2 混凝土水化熱絕熱溫升值與時間關(guān)系

現(xiàn)場測量獲得溫度數(shù)據(jù)變化情況如下：

（1）承臺中間區(qū)域呈現(xiàn)溫度迅速升高緩慢下降的趨勢，最高溫度為29.35 ℃且持續(xù)3～9 h，升溫期約3～4 d。

（2）各測溫層溫度下降值小于2 ℃/d。

（3）測溫層最大溫差22.2 ℃，并對溫度實際實施監(jiān)測并跟蹤承臺結(jié)構(gòu)狀況，未發(fā)現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，證實該案例采取的穩(wěn)控措施有效。

5 質(zhì)量、環(huán)?？刂拼胧?/h2>

5.1 質(zhì)量管理措施

橋梁施工環(huán)節(jié)建立相對科學(xué)的質(zhì)量控制體系，并嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)交底制度。施工前，嚴(yán)格落實施工手冊，認(rèn)真執(zhí)行工作任務(wù)交接，加強(qiáng)針對項目管理人員技術(shù)培訓(xùn)。作業(yè)過程中，技術(shù)人員重點(diǎn)交底施工工藝、技術(shù)指標(biāo)，現(xiàn)場督導(dǎo)關(guān)鍵環(huán)節(jié)施工，采取書面形式完成技術(shù)交底，附帶圖表與文字說明，提高認(rèn)知準(zhǔn)確性[9]。

加強(qiáng)原材料質(zhì)量把控，全面調(diào)研原材料市場，秉承優(yōu)中選優(yōu)原則，結(jié)合項目實踐選擇信譽(yù)突出、質(zhì)量可靠的供應(yīng)商建立合作關(guān)系。進(jìn)場前，對原材料供應(yīng)商產(chǎn)品合格證、質(zhì)量證明書進(jìn)行核查，認(rèn)真比對材料廠家、型號、類型等技術(shù)指標(biāo)，確保符合方案要求后方可進(jìn)場，現(xiàn)場隨機(jī)抽樣完成質(zhì)量跟蹤，檢測合格的材料方可應(yīng)用于施工環(huán)節(jié)。

5.2 環(huán)保管理措施

強(qiáng)調(diào)文明施工，提高工作人員環(huán)保理念，確保工程高質(zhì)量竣工。加強(qiáng)衛(wèi)生管理，落實環(huán)保理念，切實推動精神文明建設(shè)，提高工程項目質(zhì)量。

（1）場地潔凈，器具擺放整齊，分類放置，無異物雜物堆積。

（2）施工道路通暢、整潔，無散落物，場地平整，無坑洼、積水。

（3）水資源保護(hù)。避免水資源污染，嚴(yán)禁將清洗機(jī)械、施工設(shè)備的廢水直接排入江河，做好污水處置與養(yǎng)護(hù)，加強(qiáng)日常維護(hù)與記錄。

（4）完工后清理現(xiàn)場，恢復(fù)秩序。工程竣工后，確保操作面整潔，操作區(qū)域及周圍環(huán)境無污染物，及時回收并處置廢棄物[10]。制定符合項目特點(diǎn)的環(huán)保施工方案，結(jié)合施工實踐適度調(diào)整。

6 結(jié)論

綜上所述，大體積混凝土水泥水化熱屬三維空間熱傳導(dǎo)，內(nèi)部水化熱與外部氣溫變化對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度產(chǎn)生顯著影響，并在多重因素影響下引發(fā)裂縫。大體積混凝土項目施工過程中，溫度控制是質(zhì)量控制的有效措施，通過提高混凝土配合比科學(xué)性，合理安排澆筑順序，應(yīng)用保溫材料降低混凝土內(nèi)外溫差，設(shè)定合理澆筑時間，采取自動化監(jiān)測技術(shù)實現(xiàn)溫度控制與實時調(diào)整，為有效控制大體積混凝土內(nèi)外溫度確保施工質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。該文所述工程實踐中，大體積承臺施工階段通過合理的溫度控制措施，將混凝土內(nèi)外溫度控制在既定范圍內(nèi)，未出現(xiàn)溫度裂縫現(xiàn)象，提高了項目質(zhì)量，保障了其經(jīng)濟(jì)效益，相關(guān)溫控技術(shù)與措施為同類項目建設(shè)提供了參考。