大體積混凝土溫度裂縫控制技術研究與實踐

林 琦

沈陽市環境信息中心（沈陽 110011）

金樺大橋位于樺甸市南部，是金樺路規劃南延伸跨越內河與河南森林公園相連接的紐帶。本橋與河道交角90°，橋梁全長226.04 m。上部結構采用11孔20 m預應力鋼筋混凝土箱梁，下部結構采用柱式墩臺、鉆孔灌注樁基礎。承臺、主梁采用50號混凝土，實體最小厚度達到2 m，為典型的大體積混凝土工程。由于該部位為全橋受力關鍵部位，要求混凝土澆注一次完成，且工期為夏初，混凝土表面溫差大，施工困難。

1 施工前期準備

1.1 混凝土配合比確定

在橋梁設計完成后，我們與施工單位共同開始考慮配合比。由對裂縫成因的分析可知，控制裂縫首先要降低水化熱，由于本次混凝土等級達到C50，屬于高等級強度混凝土，怎樣降低水化熱給我們的工作制造了很大的困難。水泥只能選擇標號很高的品種，并且為了保證強度必須以28天養生強度作為設計標準。

1.2 材料選擇

⑴水泥 由于本工程要最大限度的降低混凝土中水泥水化熱的原則，所以水泥選擇為 P.S 52.5水泥。

⑵細骨料 本工程采用二區中砂，選用中砂可以起到減少水泥用量的目的。

⑶粗骨料 在泵送條件下，選用粒徑 5～25 mm連續級配石子，以減少混凝土收縮變形。

⑷含泥量 在大體積混凝土中，粗細骨料的含泥量是關鍵問題，若骨料中含泥量偏多，不僅增加了混凝土的收縮變形，又嚴重降低了混凝土的抗拉強度，對抗裂的危害性很大。因此骨料必須現場取樣實測，本工程石子含泥量控制在1%以內，砂的含泥量控制在2%以內。

⑸摻合料 為了減少水泥用量，降低水化熱并提高和易性，本工程采用添加粉煤灰技術。我們把部分水泥用一級粉煤灰代替，摻入粉煤灰主要有以下作用，①由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物，其中二氧化硅含量40%～60%，三氧化二鋁含量17%～35%，這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化產物進行二次反應，是其活性的來源，可以取代部分水泥，從而減少水泥用量，降低混凝土的熱脹；②由于粉煤灰顆粒較細，能夠參加二次反應的界面相應增加，在混凝土中分散更加均勻；③粉煤灰的火山灰反應進一步改善了混凝土內部的孔結構，使混凝土中總的孔隙率降低，孔結構進一步的細化，分布更加合理，使硬化后的混凝土更加致密，相應收縮值也減少。

在工程中我們根據具體情況確定粉煤灰的摻量，使28天強度基本能接近混凝土標準強度值。

⑹外加劑 加入外加劑后能減小混凝土收縮開裂的機會，本工程中決定采用外加 UEA（低堿混凝土膨脹劑）技術，在混凝土中添加占水泥總量約10%的UEA。試驗表明在混凝土添加了UEA之后，混凝土內部產生的膨脹應力可以抵消一部分混凝土的收縮應力，這樣相應地提高了混凝土抗裂強度。

⑺纖維 本工程混凝土中添加了聚丙烯纖維，提高了混凝土的抗裂性能。

施工配合比確定：每立方混凝土用量為P.S 52.5水泥 471kg，水 170kg，砂 651kg，連續級配碎石 1062kg，粉煤灰 96kg，UEA47.1kg，纖維0.9kg。

1.3 混凝土溫度計算及分析

由對混凝土裂縫分析可知，控制溫度差異也是控制裂縫產生的重要措施：

(1)水化熱散失（不考慮人工降溫）的情況下混凝土中心溫度應按下式推算。

式中

Tr(t)——齡期t的混凝土中心溫度

Tj——混凝土澆筑時入模溫度

K——考慮水化熱散失的散失系數

m——澆注溫度變化系數

t——齡期

W1——水泥用量（每平方米混凝土）

Q1——水泥水化熱量（每千克）

W2——外加劑用量（每平方米混凝土）

Q2——每千克外加劑水化熱量

C——混凝土熱比

p——混凝土容重

本工程按照澆注后第五天計算，混凝土中心溫度95℃。

(2)混凝土表面溫度可按下式推算。

式（2）中

Tb(t)——混凝土表面溫度

Tq(t)——大氣平均溫度

Tmax(t)——混凝土中心最高溫度

H ——混凝土計算厚度

h’ —v 混凝土的虛厚度

本工程計算表面溫度為67.7℃。

混凝土因溫度不均勻和收縮產生的拉應力可按如下經驗公式計算：

式（3）中

E1——混凝土的t齡期的彈性模量

α——混凝土的膨脹系數

μ——混凝土的泊松比

Sh(t)——混凝土的徐變影響松弛系數

Rk——混凝土外部約束系數

本工程計算的混凝土內外溫差達到27.3℃，低于國內規范推薦的不致產生裂縫的最大內外溫差值（國內值為25℃），且混凝土內部最大拉應力大于C50混凝土強度設計要求。

由計算結果可以知道，大體積混凝土必須采用針對的、有效的質量控制措施。在施工中不采取控制措施或控制措施不利，均有可能造成嚴重的質量問題。

2 施工實施

本工程中混凝土工程具有強度高（混凝土強度等級為 C50）、高溫差下澆筑，施工難度大。在施工前采取了優化施工配合比，在施工中降低混凝土入模溫度、降低混凝土內部溫度、控制混凝土表面溫度減少溫差、加強養生工作和溫度監控等措施。

2.1 混凝土原材料

在金樺大橋混凝土施工中所使用的粗、細骨料，嚴格按照配合比要求選擇。為確保粗骨料含泥量達標，進場后的粗骨料用水進行了徹底沖洗，并做了含泥量對比實驗。在生產混凝土前對所用砂石的含水量進行了測定，并將砂石含水從用水量中扣除。

2.2 控制入模溫度

由于施工期間正值盛夏，且澆筑時間達24 h以上，為了降低混凝土的入模溫度，在澆注中采取下列措施：對原材料進行防曬覆蓋；在日曬最強的幾個小時對石料進行灑水降溫；拌和場的設施都采取措施遮陽；在拌和水中加入冰降低拌和水溫度，拌和用水溫度控制在25℃以內。

采取了上述措施后，混凝土入模溫度可控制在有效范圍內，防止了水分過快散失、降低了混凝土的初始溫度。

2.3 澆筑

⑴混凝土澆注過程質量控制

在澆注過程中確定要進行振搗后方可密實，各層振搗時間保持均勻一致，當表面泛漿時為宜，間距盡量保持均勻，保持振搗力波及范圍重疊二分之一。澆注完畢后，表面壓實、抹平，以防止表面裂縫，并且保證上層混凝土在下層初凝前結合緊密，避免縱向施工縫、提高結構整體性和抗剪性能。

⑵澆注時間控制

在施工過程中盡量避開在太陽輻射較高的時間澆注，由于工程需要在夏季施工，澆注安排在夜間進行。

(3)混凝土拆模時間控制

在以往施工中，為了提高模板的周轉率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。在本工程中，當擬訂對模板進行拆除時發現混我們延續了拆除時間。

根據混凝土在實際溫度養護的條件下，強度達到設計強度的 75%時，混凝土中心與表面最低溫度控制在30 ℃以內時，對模板進行拆除，并且在拆除模板后在表面覆蓋保溫材料，保持了溫差在9 ℃以內，避免了裂縫產生。

2.4 養護

大體積混凝土的養護，不僅要滿足強度增長的需要，還應通過人工的溫度控制，防止因溫度變形引起混凝土的開裂。 溫度控制就是對混凝土的澆筑溫度和混凝土內部的最高溫度進行人為的控制。

本工程中的養生措施主要采取內部降溫措施。

在混凝土中敷設水管，利用循環水冷卻實現。在施工中，我們在混凝土中以縱向0.5 m、橫向0.8 m間距敷設1000 m左右的冷卻水循環管道，在冷卻循環同時，進行不間斷檢測，保證溫度差值在30 ℃內。

混凝土澆注完成后進行表面修整，修整采用粗抹面，將混凝土表面的浮漿刮凈，使混凝土表面盡量粗糙。此方法是借鑒國外某些工程在大體積混凝土表面設置緩沖槽做法的原理。事實證明采用粗抹面的混凝土表面未出現任何裂縫。

1.5 溫度控制

在工程中為了全面反映混凝土的熱工作狀態，我們在混凝土內部設置了20個典型溫度觀測點，這些觀測點反映了混凝土內部溫度變化情況。在施工中，我們利用該檢測設備對混凝土的入模、表面、內部溫度，大氣溫度，內部循環水溫度，表面養生水溫度等進行了24 h不間斷監測。

監測數據顯示混凝土內部最高溫度達到88.3 ℃，內外最大溫差為28.9 ℃。與前期計算接近，證明了熱工作計算數據對施工有指導意義。

在本工程中溫度高峰時冷卻循環水經過在混凝土內部的循環，自身大約升溫10 ℃左右。在養生過程中我們也進行了停水實驗。當混凝土已度過升溫危險期后，我們停止了冷卻水循環，并檢測混凝土內部溫度，在停水30 min后內部個測點普遍升溫2~5 ℃，而表面溫度基本不變。試驗證明，冷卻水降溫是控制內部溫度的最佳措施之一。

3 結語

樺甸市金樺大橋克服了重重困難，最終成功建成。經現場檢查，未發現溫度變形裂縫。實踐證明，本工程在優化配合比設計，改善施工工藝，提高施工質量，做好溫度監測工作及加強養護等方面采取的有效技術措施，以及堅持嚴謹的施工組織管理，完全可以控制大體積混凝土溫度裂縫和施工裂縫的發生，達到良好的自防水抗滲效果。通過本工程的實踐證明，無論任何類型的大體積混凝土施工，只要通過科學的分析計算，制定相對的技術措施，經過嚴格的施工管理驗收，完全可以達到相應的工程質量。