王志勇 陳宣亦

（沈陽市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧 沈陽 110000）

在混凝土澆筑后的最初幾天內(nèi)發(fā)生的早期開裂是建筑行業(yè)中面臨的主要問題[1]。早期開裂會嚴重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、強度和長期性能，而在超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)中尤為明顯，例如橋面、水壩、高速公路路面、工業(yè)和住宅等大型基礎(chǔ)施工。早期開裂主要由收縮（包括干燥收縮和自生收縮）或熱膨脹引起[2]。此外，開裂和應(yīng)變造成損傷主要由混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋約束造成的。

現(xiàn)有的檢測設(shè)備主要用于評價材料的早期抗裂性，因此對研究超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的混凝土應(yīng)變監(jiān)測效果不佳[3]。早期應(yīng)用于超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制措施大多考慮單一措施，缺乏對各種裂縫控制措施的對比分析。因此，本文在以大體積混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件（18000mm×6000mm×1200mm）為對象測試和分析了三種不同的裂縫控制措施，即管道冷卻法、誘導(dǎo)縫法、交替施工法，并設(shè)定溫度和應(yīng)變作為評價混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂的指標。研究結(jié)果可為混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂的施工控制與管理提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

本工程采用42.5級水泥和粉煤灰。其中，水泥主要化學成分為CaO（65.27%）、SiO2（25.54%）、Al2O3（8.13%），粉煤灰主要化學成分為SiO2（58.61%）、Al2O3（25.14%）、Fe2O3（5.80%）。所用細骨料和粗骨料均符合中國標準JGJ 52-2006的規(guī)定。細骨料的細度模量為2.62，土壤含量小于1%[4]。破碎的石灰石具有連續(xù)等級，尺寸范圍為5mm～31.5mm。

1.2 測試設(shè)備

為評估不同裂縫控制方法的效果，對不同位置的混凝土表面溫度和應(yīng)變進行為期7d的現(xiàn)場測試。混凝土應(yīng)變利用振動鋼絲應(yīng)變計測量，應(yīng)變計埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)中的不同位置，并配有應(yīng)變傳感器來觀測應(yīng)變[5]。

1.3 試驗方法

1.3.1 管道冷卻法

管道冷卻法中的管道水平布置于結(jié)構(gòu)中，以便增加混凝土內(nèi)部的冷卻效果。冷卻管由直徑30mm、厚度1mm 的鋼材制成，并且每隔1000mm 安裝在混凝土結(jié)構(gòu)中。養(yǎng)護期間，以3L/min 的速度向管道中注入22℃的水，并使用水泵確保冷卻水的順暢流動。當混凝土的溫度下降時，冷卻水的供應(yīng)逐漸停止。

管道布局如圖1所示。在結(jié)構(gòu)表面上加設(shè)鋼筋以固定冷卻管。在施工過程中，應(yīng)注意保護管道，確保后期冷卻水流通順暢。測點位置應(yīng)能完整準確地反映大體積混凝土的溫度變化和大應(yīng)變下的位置變化。如圖1所示，在超長大體積混凝土每3000mm 平均布置五個傳感器陣列，任何兩個傳感器之間的水平間隔為2000mm。第1 陣列的傳感器（11、14 和15）靠近節(jié)段的內(nèi)表面，其他陣列的位置與陣列1 類似。線組1（11、21、31、41 和51）靠近節(jié)段內(nèi)表面，線組2（12、22、32、42和52）放置在節(jié)段中間，線路組3（13、23、33、43 和53）位于靠近結(jié)構(gòu)表面的節(jié)段。

圖1 管道冷卻法的傳感器布局/mm

1.3.2 誘導(dǎo)縫法

工程中通常采用誘導(dǎo)縫法來減少穿過誘導(dǎo)縫截面的縱向鋼筋數(shù)量，以誘導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)有序開裂。這種方法不同于傳統(tǒng)的誘導(dǎo)連接方法，該方法可有效降低結(jié)構(gòu)剛度和釋放結(jié)構(gòu)的早期溫度應(yīng)力。本文將工字鋼插入結(jié)構(gòu)中，以產(chǎn)生剛度的突然變化，從而導(dǎo)致工字鋼出現(xiàn)裂縫，進一步釋放應(yīng)力。同時，使用工字鋼翼板防止裂紋擴展到結(jié)構(gòu)表面，并防止裂紋延伸穿過結(jié)構(gòu)。兩個誘導(dǎo)縫之間的距離為8000mm，兩個誘導(dǎo)接縫距離兩側(cè)施工縫為5000mm。傳感器的布局如圖2所示。

圖2 誘導(dǎo)縫法的傳感器布局/mm

此外，與沒有誘導(dǎo)縫的結(jié)構(gòu)平面布置圖相比，每組測點的間距應(yīng)適當增加，以滿足布置要求，并且測量點的布局應(yīng)適當減少在誘導(dǎo)接頭兩側(cè)的上部區(qū)域中。五個傳感器陣列沿著該段布置，陣列1、2、4和5位于誘導(dǎo)縫的兩側(cè)，傳感器陣列1（11 和14）被放置在誘導(dǎo)縫附近的內(nèi)表面中。任意兩個傳感器之間的水平間隔從左到右為2000mm，陣列2、3、4和5的放置方式與陣列1相似，陣列3 位于結(jié)構(gòu)中間，三個應(yīng)變儀分別布置距結(jié)構(gòu)邊緣1000mm、3000mm及5000mm的位置。

1.3.3 交替法

交替法施工主要是在混凝土結(jié)構(gòu)的水平方向設(shè)置施工縫，利用施工縫將結(jié)構(gòu)按一定尺寸分成若干塊。相鄰的施工段間隔澆筑混凝土，當混凝土澆筑完成并產(chǎn)生較大收縮變形后，再澆筑與其相鄰位置混凝土進而連成整體。根據(jù)溫度收縮應(yīng)力與結(jié)構(gòu)長度的非線性關(guān)系，混凝土早期（7d～10d）的溫差和收縮變形都比較大，因此，采用短距離應(yīng)力釋放的方法來解決早期的收縮問題，以解決混凝土裂縫收縮問題。

混凝土構(gòu)件的測量點可以全面準確地反映大體積混凝土的溫度變化和大應(yīng)變位置的變化。傳感器的位置和安裝如圖3所示?；炷两Y(jié)構(gòu)距邊緣每3000mm平均布置五個傳感器陣列，任何兩個傳感器之間的縱向間隔為2000mm，第2 陣列的傳感器（21、24 和25）靠近節(jié)段表面，線組1（11、21、31、41和51）靠近區(qū)段內(nèi)表面，線組2（12、22、32、42和52）置于區(qū)段的中部，線組3（13、23、33、43和53）布置在靠近外表面的節(jié)段。

圖3 交替法的傳感器布局/mm

2 結(jié)果及分析

2.1 管道冷卻法

用管道冷卻法在0h～168h 期間的混凝土結(jié)構(gòu)中部測得的水化熱和應(yīng)變歷史。不同位置的混凝土溫度發(fā)展趨勢相似：結(jié)構(gòu)長度方向，澆筑24h后，混凝土結(jié)構(gòu)的最高溫度出現(xiàn)在32 點，溫度峰值為66.9℃。達到最高溫度后，混凝土溫度緩慢下降，直到測量溫度接近室外溫度，溫度隨時間變化逐漸平緩穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)厚度方向，混凝土中心的溫度接近下部溫度，內(nèi)表面的溫度達到最低。80h后，每個點的溫度接近相同。

與不同位置的溫度不同，不同位置的應(yīng)變變化較大（如圖4所示）。圖4(a)為應(yīng)變沿長度的變化。最大應(yīng)變位于中間的32 點處，推測主要是由于混凝土結(jié)構(gòu)在中部區(qū)域容易發(fā)生應(yīng)力集中的緣故，進而導(dǎo)致該點處應(yīng)變最大。澆筑后0h～8h 內(nèi)的應(yīng)變?yōu)閴嚎s應(yīng)變，8h后逐漸變?yōu)槔鞈?yīng)變，而在26h后逐漸減小。在遠離冷卻管進水口的地方混凝土冷卻效果變?nèi)?，底部出現(xiàn)較大的約束。圖4(b)為應(yīng)變隨厚度的變化。最大應(yīng)變位于32 點處，推測與混凝土結(jié)構(gòu)在中部區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中有關(guān)，且33 點和31 點分別受到地基約束、外界自然環(huán)境及后期養(yǎng)護影響，應(yīng)變衰減平緩。

圖4 混凝土結(jié)構(gòu)中部測量的應(yīng)變曲線

2.2 誘導(dǎo)縫法

采用誘導(dǎo)縫法的超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)在0h～168h內(nèi)的水化熱和應(yīng)變變化，其中溫度變化情況為：沿長度方向的溫度變化，混凝土的最高溫度出現(xiàn)在澆筑20h 后，測量點位于筏板42 點處，最高溫度為79.9℃。20h 后，混凝土溫度緩慢下降，直至內(nèi)部溫度接近大氣溫度，溫度隨時間變化逐漸達到平穩(wěn)，厚度截面的最高溫度出現(xiàn)在筏板中部33點處。

裂縫重要觀測指標應(yīng)變變化情況為：最大應(yīng)變在誘導(dǎo)接縫的第22點測得。應(yīng)變在混凝土澆筑后0h～6h內(nèi)為壓縮應(yīng)變，6h 后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)變。橫截面的最大應(yīng)變值出現(xiàn)在筏板中部33點位置。原因推測為工字鋼誘導(dǎo)接縫的構(gòu)造改變了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的剛度，從而產(chǎn)生較大的應(yīng)變（如圖5所示）。

圖5 中部測量的應(yīng)變曲線

2.3 交替施工法

測得采用交替施工方法的混凝土結(jié)構(gòu)0h～168h 的水化熱和應(yīng)變變化，并進一步分析結(jié)構(gòu)底部溫度和應(yīng)變隨時間的變化趨勢。其中，溫度變化情況為：一是為沿長度方向的溫度變化。澆筑24h后，最高溫度有所上升。最高溫度點位于中部，溫度峰值為55.7℃。24h后，混凝土溫度緩慢下降，直至測量溫度接近大氣溫度，溫度隨時間變化變得平緩、穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)橫截面（厚度方向）的最高溫度出現(xiàn)在中部；二是應(yīng)變變化情況。沿長度方向最大應(yīng)變位于中部的第32點。應(yīng)變在混凝土澆筑后0h～28h 為壓縮應(yīng)變，28h 后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔鞈?yīng)變。結(jié)構(gòu)橫截面的最大應(yīng)變出現(xiàn)在超長大體積結(jié)構(gòu)的中部，而靠近下部受地基約束，應(yīng)變較小（31點）。推測原因為在溫度和約束的共同作用下，中部產(chǎn)生較大的應(yīng)變。如圖6所示。

圖6 在中部測量的應(yīng)變曲線

2.4 不同控制方法的分析

經(jīng)整理，0h～168h不同措施下混凝土的水化熱和應(yīng)變歷史，在所有測試方法中，混凝土結(jié)構(gòu)的溫度幾乎在同一時間達到峰值，并且不隨三種裂縫控制方法改變而變化。在誘導(dǎo)縫法中，溫度下降幅度變化較大，而在交替施工法中較為平緩。除去環(huán)境溫度的影響，管道冷卻法與誘導(dǎo)縫連接法相比，混凝土峰值溫升降低13℃。

混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變與時間變化曲線顯示了不同裂縫控制措施的影響如圖7所示。可以觀察到，三種控制方法獲得的應(yīng)變歷史均呈現(xiàn)出典型的早期行為趨勢，即初始壓縮應(yīng)變逐漸釋放并轉(zhuǎn)化為拉伸應(yīng)變。在不同措施下的應(yīng)變歷史的壓縮應(yīng)變部分，管道冷卻法的應(yīng)變最小，誘導(dǎo)縫法結(jié)構(gòu)的應(yīng)變最大，而交替法結(jié)構(gòu)的應(yīng)變變化幅度最大。管道冷卻法在26h 時獲得最大拉應(yīng)變，交替施工法在94h時獲得最大拉應(yīng)變，因此，僅控制溫度不能緩解超長體積混凝土結(jié)構(gòu)的早期拉應(yīng)變，釋放約束可以在一定程度上降低結(jié)構(gòu)的早期應(yīng)變，同時，控制溫度和釋放約束可以有效降低超長混凝土結(jié)構(gòu)的早期拉應(yīng)變。綜合考慮溫度和約束因素的影響，交替施工方法為超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)最有效的裂縫控制措施。

圖7 不同措施下的混凝土水化熱和應(yīng)變曲線

3 結(jié)語

本研究評估了三種適用于超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制方法，根據(jù)研究結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

（1）超長大體積混凝土澆筑期間采用水平管道水冷卻法，可以降低混凝土結(jié)構(gòu)的水化熱。管道冷卻法可以減少混凝土約13℃的水化熱，有效降低了混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度應(yīng)變。

（2）誘導(dǎo)縫方法可以減少結(jié)構(gòu)的內(nèi)部約束應(yīng)變。結(jié)構(gòu)內(nèi)最高溫度和應(yīng)變峰值出現(xiàn)在施工縫中，結(jié)構(gòu)中部應(yīng)變增長緩慢，應(yīng)變隨時間的變化滯后于溫度的變化。

（3）交替施工法是控制超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂的最優(yōu)措施。交替施工法通過合理設(shè)置施工長度和施工間隔時間，減少結(jié)構(gòu)約束，優(yōu)化養(yǎng)護體系，延緩結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變的發(fā)展過程，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)變，且結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)變的峰值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中部區(qū)域，應(yīng)變隨時間的變化滯后于溫度的變化。綜合考慮溫度和約束因素的影響，交替施工法是最有效的裂縫控制措施。