寧曉飛 NING Xiao-fei

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030000）

0 引言

混凝土凝固過程包含了3 個階段，分別為升溫期、降溫期及溫度穩(wěn)定期。對于大體積砼構(gòu)件而言，由于尺寸大，在砼升溫期間，水泥水化熱難以透過厚實的砼層快速散發(fā)，而是聚集在砼內(nèi)部，導(dǎo)致砼內(nèi)部出現(xiàn)較高溫升，而構(gòu)件外部因散熱條件較好，溫升較低。當(dāng)內(nèi)外溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于該齡期的抗拉應(yīng)力時將產(chǎn)生裂縫，影響到構(gòu)件的正常及安全使用，甚至出現(xiàn)安全故事，造成重大經(jīng)濟損失。所以，砼澆筑時需避免大體積砼構(gòu)件出現(xiàn)溫差裂縫。

1 工程概況

成昆鐵路米易至攀枝花段擴能改造工程站前工程MPZQ-5 標(biāo)橋梁承臺共有52 個，其厚度為2.0～3.0m，為大體積砼施工，需進行砼溫控制，避免出現(xiàn)溫差裂縫，控制標(biāo)準(zhǔn)如下：

①砼入模溫度不超過25℃，盡量降低砼入模溫度。

②新澆砼與基坑巖土間的溫差≯15℃。

③養(yǎng)護期間，承臺內(nèi)部最高溫≯65℃，內(nèi)部與表面、表面與環(huán)境溫差≯20℃。

④拆模時，砼芯部與表面，表面與環(huán)境溫差≯20℃。

⑤最大降溫速率＜2℃/d。

為了確保承臺不出現(xiàn)溫差裂縫，本項目對大體積承臺的砼施工溫控展開研究。

2 產(chǎn)生溫度裂縫理論分析

2.1 砼凝固水化熱使構(gòu)件內(nèi)外溫差過大

水泥凝固化學(xué)反應(yīng)釋放出大量的熱量，由于大體積砼構(gòu)件尺寸大，內(nèi)部聚集大量的水化熱無法快速地向外界散發(fā)，導(dǎo)致構(gòu)件中心部位出現(xiàn)很高的砼溫升，溫升使砼體積膨脹。砼凝固后期，隨著熱量的緩慢散發(fā)，砼內(nèi)部溫度逐漸降低，直至穩(wěn)定。降溫過程中砼體積收縮，當(dāng)砼體積收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過砼的抗拉強度時，就會在砼內(nèi)部產(chǎn)生裂縫[1]。由于砼彈性模量小，抗拉能力極差，故不在采取措施的情況下，大體積砼構(gòu)件內(nèi)部極易產(chǎn)生溫差裂縫，這是大體積砼構(gòu)件產(chǎn)生裂縫的最關(guān)鍵原因。

同樣，當(dāng)砼凝固時表面與外部環(huán)境存在過大溫差時，也會產(chǎn)生溫差裂縫，故控制砼表面與外部環(huán)境的溫差也是大體積砼溫控的目標(biāo)之一。

2.2 砼干燥收縮

當(dāng)砼失去內(nèi)部的毛細(xì)孔及裂縫內(nèi)的吸附水時，砼體積就出現(xiàn)干縮，干縮也是使砼構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的原因之一。

2.3 塑性收縮

塑性收縮出現(xiàn)在砼凝固前的塑性階段，由于本項目的高性能砼水膠比低，砼混合料的自由水分少，礦物細(xì)摻和材料對水的敏感性更高，高性能砼通常不會產(chǎn)生泌水現(xiàn)象，砼表面失水迅速，所以高性能砼較普通砼出現(xiàn)更大的塑性收縮。

2.4 自收縮

密閉砼內(nèi)的濕度逐漸降低（稱自干燥），使毛細(xì)孔內(nèi)水分不飽和而出現(xiàn)負(fù)壓，負(fù)壓使砼出現(xiàn)自收縮。對于本項目的高性能砼而言，自收縮與干縮率基本相等。

3 承臺砼熱工計算，產(chǎn)生裂縫的可能性分析

本項目橋梁承臺厚度有2m、2.5m、3.0m 等3 種，進行各不同尺寸的承臺砼澆筑前，根據(jù)實際施工條件及砼混和料材料構(gòu)成進行承臺砼的熱工計算，分析承臺在水化熱作用下中間部位在各齡期的溫升值，為施工時采用的溫控措施提供決策依據(jù)。下文以最大厚度為3.0m 的承臺為例說明熱工計算方法。

3.1 施工現(xiàn)場條件及拌制砼所用材料及相應(yīng)的參數(shù)

①施工時間及氣象資料。厚度為3.0m 的承臺共有9個，計劃施工期間為7 月12 日～8 月26 日。經(jīng)向氣象臺查詢，承臺澆筑時的外部環(huán)境氣溫預(yù)計在26～35℃之間。

②砼強度等級及配合比。承臺砼設(shè)計強度等級為C40。初步選定的砼配合為：

水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶外加劑∶水=1∶1.9∶2.8∶0.23∶0.012∶0.40。

每立方砼使用水泥396kg（P.O42.5），金沙江河砂752kg（5～10mm 連續(xù)級配）、碎石1109 kg（10～20mm 連續(xù)級配），粉煤灰摻入量91kg，高效減水劑4.8kg，拌合用水160kg。

③砼拌和、運輸及澆筑方案。在拌和站集中生產(chǎn)，砼攪拌運輸車運輸，運距0.7km，泵送入模。

3.2 計算在上述施工條件下承臺中心溫升

①絕熱條件下最高水化熱溫升計算。

當(dāng)承臺水化熱完全無散發(fā)時，絕熱溫升計算式如下：

式中T（t）—在完全絕熱條件下，澆筑承臺第t 天后承臺中間部位砼溫升（℃）；t—承臺砼齡期（d）；W—砼混和料中水泥的摻入量（kg/m3）；Q—所用水泥在28d 內(nèi)所釋放的水化熱（kJ/kg）；C—砼比熱系數(shù)；ρ—砼密度；e—常數(shù)（2.718）；m—依據(jù)環(huán)境氣溫、水泥種類的不同而選擇的調(diào)整系數(shù)（d-1）。

根據(jù)本項目實際情況，W=396kg/m3，Q=375kJ/kg，C=0.97kJ/（kg.k），ρ=2450kg/m3；m=0.3d-1。

當(dāng)將t 取無窮大時，將上述數(shù)據(jù)代入（1）式，可得絕熱時承臺水化熱最高溫升：

②砼中間部位實際溫升計算。

承臺中心部位存在散熱，實際溫升較絕熱溫升要低，實際溫升按（2）進行試算：

式中T1（t）—齡期第t 天時，承臺中心溫度（℃）；Tj—入模砼溫度（℃），按33℃；Th—承臺水化熱最高溫升；ξ（t）—齡期第t 天時的降溫系數(shù)。

3m 厚度承臺的t 齡期降溫系數(shù)取值和各齡期時的溫度計算如表1 所示。

表1 各齡期砼中心計算溫度

3.3 計算承臺砼各齡期時的收縮變形量

大體積承臺裂縫的產(chǎn)生除了主要受水化熱溫差的影響外，還受砼干燥收縮、塑性收縮、自收縮的影響，故需考慮上述收縮的影響[2]。承臺砼各齡期各種類型的收縮變形量按（3）式進行計算：

式中：ε0y—在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，砼收縮變形的最終值，按3.24×10-4；M1～M11為不同條件下的修正系數(shù)，與水泥細(xì)度、砼水膠比、砼膠漿量有關(guān)。

查閱《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496-2018），根據(jù)本項目承臺實際情況取值，得：M1=1.0，M2=1.0，M3=1.21，M4=1.2，M5=1.0，M6=1.1，M7=1，M8=0.68，M9=1.3，M10=0.89，M11=1。將砼不同齡期參數(shù)代入（3）式得表2。

表2 各齡期砼收縮變形量

3.4 收縮變形換算為當(dāng)量溫差

將承臺砼收縮變形按不同齡期下?lián)Q算為當(dāng)量溫差，按（4）式進行計算。

式中：Ty（t）—砼在第t 天齡期變形當(dāng)量溫差（℃）；α—混凝土的熱膨脹系數(shù)，按1.0*10-6m/℃。

3.5 計算砼承臺各齡期中心部位與表面的溫差

式中：ΔT—承臺中心部位與表面的溫差（℃）；T0—砼入模溫度，按33℃；K—折減系數(shù)，按2/3；T（t）—齡期第t 天時的絕熱溫升（℃）；Ty（t）—齡期第t 天時的收縮當(dāng)量溫升（℃）；Th—環(huán)境溫度，按28℃。

收縮變形換算為當(dāng)量溫差、內(nèi)外溫差計算結(jié)果如表3所示。

表3 各齡期砼收縮變形量換算成當(dāng)量溫差、承臺內(nèi)外溫差表

從表4 可知，以目前砼澆筑方案進行承臺施工，在不采取控溫措施的情況下，承臺內(nèi)外溫差最大高達(dá)55.30℃，承臺將產(chǎn)生溫差裂縫，故本項目需采取有效的控溫措施，確保承臺砼不出現(xiàn)溫差裂縫。

4 本項目采取的降溫、控溫措施

依上文的產(chǎn)生溫差裂縫的理論分析及熱工計算結(jié)果，本項目經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟等各方面的比選，采取如下的控溫措施。

4.1 優(yōu)化砼配合比

進行砼配合比的優(yōu)化，改用火山灰水泥，進一步降低水化熱；選用優(yōu)質(zhì)粉煤灰，并提高粉煤灰的摻量，降低水泥用量，從而減少水化熱；摻入高效減水緩凝劑，減緩砼凝固進程，減輕水化熱的集中生成，以減少最大溫升峰值。采用的施工配合比如表4 所示。

表4 砼配合比

選用針片狀少，含泥量低（含泥量控制在1%內(nèi)）的連續(xù)級配（5～31.5 連續(xù)級配）碎石，使用前對碎石進行檢測，如不符合篩分曲線，采取換料，或是人工配料，確保符合篩分曲線。高品質(zhì)及良好級配的碎石能夠加強砼密實度，提高強度，增強砼抗裂性能。

選用潔凈（含泥量控制在1.5%內(nèi)）的河砂，其細(xì)度模數(shù)＞2.5。以降低砼收縮、徐變及干縮。

4.2 降低砼入模溫度

拌和站附近有山泉水，水溫為18℃，經(jīng)化驗，山泉水為合格的拌合用水。故采用山泉水作為拌和用水，檢測表明，能降低砼溫約5℃，效果明顯。

砂石料等搭設(shè)料庫遮陽存放，盡量減低材料溫度。

4.3 承臺內(nèi)設(shè)置冷水管和測溫設(shè)備

4.3.1 承臺內(nèi)設(shè)置水冷水管

由于承臺厚度較大，且較高強度砼水泥用量較大，普通控溫措施難以達(dá)到目標(biāo)要求。采取于承臺砼內(nèi)預(yù)埋冷水管[3]，利用管內(nèi)流水將水化熱帶出，冷水管布置如圖1、圖2所示。水管采用壁厚3mm 的?48mm 薄壁鐵管，以利熱量的傳導(dǎo)。水管采用絲扣套筒進行連接。按設(shè)計完成預(yù)埋冷水管的安裝后，對水冷系統(tǒng)進行通水試壓試驗，認(rèn)真檢查全部接頭，不得出現(xiàn)漏水現(xiàn)象；在鋼筋綁扎、砼澆筑時做好冷水管的保護，避免造成管路損壞。

圖1 冷水管布置立面示意圖

圖2 冷水管布置平面示意圖

在最下層冷水管被砼覆蓋后開始通水，停水時間通過分析溫測結(jié)果而決定。

4.3.2 測溫設(shè)備

在承臺內(nèi)設(shè)置測溫管共5 組，其中承臺4 個邊角距邊緣1m 處各設(shè)置1 組，承臺中心部位設(shè)置1 組。每處于砼內(nèi)預(yù)埋1 組測溫管，測溫管與承臺頂面垂直，測溫管與承臺鋼筋焊接固定。每組測溫管分別于距承臺上、下表面10cm 及中心部位設(shè)置測溫點。

采用便攜式建筑電子測溫儀測溫。完成砼澆筑，覆蓋養(yǎng)生時開始測溫，前4d 每2h 測1 次，以后每4h 測1 次，直至達(dá)到規(guī)范所要求方可停止測溫。

4.4 砼施工措施

4.4.1 砼澆筑方法

砼澆筑從承臺一側(cè)開始，按斜向分層、逐層推進、一次到頂?shù)姆椒仓?，斜向按砼自然流淌坡度。為避免出現(xiàn)施工裂縫，砼澆筑時，在每層砼初凝前覆蓋上層砼，以確保上下層澆筑的間隔小于砼初凝時間。

砼分層厚度控制在≯60cm；同時澆筑上、下層時，澆筑面保持≯1.5m 的距離。

4.4.2 砼振搗

振搗砼分3 道進行，砼坡腳為第1 道，砼坡的中間為第1 道，砼坡頂為第3 道。3 道振搗配合實施，每道設(shè)置2部振搗棒，專人嚴(yán)格按要求實施振搗。

4.4.3 表面處理

振搗完畢后及時進行修整、抹面。采用刮杠刮平砼面，再均勻灑布5mm～25mm 碎石，用木抹拍實抹平，反復(fù)搓壓數(shù)遍。

砼初凝前為避免面層起粉及塑性收縮，再進行多次搓壓。最后一次搓壓時采用“邊掀開、邊搓壓、邊覆蓋”的措施。使其表面密實。

4.4.4 混凝土養(yǎng)護

養(yǎng)護設(shè)專人負(fù)責(zé)。承臺砼面壓平、初凝后灑水濕潤砼表面，然后覆蓋塑料薄膜，薄膜下設(shè)置補水軟管，軟管按每10cm 開1 個5mm 出水孔，砼表面干燥時向管內(nèi)注水，薄膜上覆蓋保溫材料，保溫材料及厚度需按控溫計算而定，夜間保溫材料嚴(yán)密覆蓋，避免砼暴露；午間高溫時，根據(jù)測溫數(shù)據(jù)，可揭開保溫材料適當(dāng)散熱。

5 溫控監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

圖3 為本項目厚度3m 的承臺中間測溫點的曲型砼溫監(jiān)測圖，砼溫峰值約在砼澆筑后85h 時出現(xiàn)。上、中、下測點的溫度峰值分別為61.7℃、48.8℃、47.2℃。砼內(nèi)部最高溫、內(nèi)外溫差及降溫速率等均達(dá)到控測的目標(biāo)要求。

圖3 承臺中心砼溫變化圖

6 結(jié)束語

本項目52 個大體積砼承臺均已澆筑完成，澆筑時采取了上述的控溫防裂縫技術(shù)措施。在養(yǎng)護期間嚴(yán)格進行溫度監(jiān)測，分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過調(diào)整養(yǎng)護方案及冷水管水流速度、進水溫度等方法進行溫度控制。經(jīng)組織多方檢測驗收，澆筑的承臺表面表滑平整，內(nèi)部密實無裂縫，表明本項目所采用的溫控技術(shù)措施是科學(xué)可行的。