大體積混凝土溫度裂縫的防控

李庚

摘 要：結合福平鐵路平潭海峽公鐵兩用大橋承臺施工的工程實踐，介紹了大體積混凝土溫度裂縫產生的原因及防控措施，為今后大體積混凝土的施工起一定的指導作用。

關鍵詞：大體積混凝土；溫度梯度；溫度裂縫；防控

1 前言

隨著國家鐵路建設的發展，鐵路橋梁大體積混凝土施工應用越來越多。大體積混凝土有著施工方便、承載力大、可裝飾性強的優點，同時其混凝土方量大、水泥水化熱大，使其內外溫差較大，引起溫度應力，從而產生裂縫，影響結構安全和正常使用。因此，如何對混凝土的溫度裂縫進行防控，是大體積混凝土施工的一大難題。

2 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋起于長樂市松下鎮，經人嶼島，跨越松下港區元洪航道和鼓嶼門航道，再依次通過長嶼島和小練島、跨越大小練島水道抵達大練島，再跨越北東口水道上平潭島，大橋全長約16.338km。

鼓嶼門水道橋陸地低墩區引橋分布區域為CX02～CX19號墩，全長691.9m。含承臺（擴大基礎）18個，大體積混凝土施工量大。

3 溫度裂縫產生的機理

大體積混凝土澆筑后，在硬化過程中，由于水泥水化產生大量的水化熱，而混凝土體積較大，大量的水化熱聚集在混凝土內部不易散發，導致澆筑后初期混凝土內部溫度急劇上升，引起混凝土膨脹變形，而此時混凝土的彈性模量很小，因此，升溫引起受基礎約束的膨脹變形產生的壓應力很小。隨著溫度逐漸降低，混凝土產生收縮變形，但此時混凝土彈性模量較大，降溫引起受基礎約束的變形會產生相當大的拉應力。當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，就會產生溫度裂縫，對混凝土結構造成不同程度的危害。同時在混凝土內部溫度急劇上升期間，外部環境溫度較低，內表溫差過大在混凝土表面也會產生較大的拉應力而出現表面裂縫。

4 溫度裂縫產生的原因

4.1 水泥水化熱影響

水泥在水化過程中產生大量的熱量，因而混凝土內部溫度升高，混凝土越厚，水泥用量越大，內部溫度越高。當混凝土內部與表面溫差過大時，就會產生溫度應力和溫度變形。溫度應力與變形成正比，溫差越大，溫度應力就越大，當溫度應力超過混凝土內外的約束力時，就會產生裂縫。

4.2 內外約束條件的影響

大體積混凝土施工，由于混凝土內部與表面散熱速率不一樣，在其表面形成較大的溫度梯度，從而引起較大的表面拉應力，此時混凝土的齡期很短，抗拉強度很低，溫度產生的表面拉應力，超過此時混凝土的極限抗拉強度，就會在混凝土表面產生裂縫。混凝土降溫階段，由于逐漸降溫而產生收縮，再加上混凝土硬化過程中，由于混凝土內部拌合水的水化以及膠質體的膠凝等作用，促使混凝土硬化時收縮，又由于受到基底和結構本身的約束，從而出現收縮裂縫。

4.3 外界氣溫變化的影響

大體積混凝土在施工階段，常受外界氣溫的影響。混凝土內部溫度是由水泥水化熱引起的絕熱溫度、澆筑溫度和散熱溫度三者的疊加。當氣溫下降，會大大增加外層混凝土與內部混凝土的溫度梯度，產生溫差與溫度應力，使混凝土產生裂縫。

5 大體積混凝土溫度裂縫的防控措施

5.1 合理選擇原材料，優化混凝土配合比

為降低混凝土的水化熱，提高混凝土性能，控制混凝土溫度裂縫的產生，需嚴格控制混凝土原材料的選用，并優化混凝土配合比，盡量降低水泥用量，控制水化熱溫升。

（1）采用水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，降低混凝土凝結過程中產生的水化熱。

（2）采用5-20mm級配良好的碎石，嚴格控制針狀、片狀含量，含泥量不大于1%。

（3）采用優質中砂，細度模數應符合要求，含泥量不大于2.5%。

（4）在混凝土中摻用高效減水劑，延長混凝土初凝時間，滿足混凝土設計強度，延緩水泥水化熱峰值出現的時間。

（5）在混凝土配合比中合理摻用粉煤灰、磨細礦渣粉等礦物摻合料代替部分水泥，盡可能降低水泥用量和水化熱。

（6）通過大量試驗，篩選減水率高、性能優良的外加劑以最大限度的降低水泥用量，同時合理選擇配合比參數，使混凝土工作性能優良，便于施工。混凝土應具有良好的粘聚性，不離析。混凝土最大膠材用量不宜大于450Kg/m3，坍落度宜為180-220mm，每2小時坍落度損失不得超過2cm。

5.2 降低混凝土的入模溫度

混凝土盡量在夜間澆筑，避開高溫天氣施工；砂石料倉盡量堆高并采取遮陽措施，當氣溫過高時，宜采用加冰屑或冷水攪拌，并盡量縮短混凝土運輸時間和曝曬時間；混凝土泵管外用草袋遮陽，并經常灑水降溫。

5.3 澆筑過程中的控制

混凝土應分層分段澆筑，減小澆筑層的厚度，增加混凝土的散熱面積，從而降低施工期間的溫度應力，以減小產生裂縫的可能性，控制混凝土的澆筑速率，嚴格控制混凝土的振搗頻次和范圍。澆筑方案除應滿足每處混凝土初凝前就被上一層混凝土覆蓋并振搗完畢外，還應考慮結構大小、鋼筋疏密、預埋管道、混凝土供應情況以及水化熱等因素的影響，采用水平分層、斜向分段的澆筑原則。

混凝土從澆筑層下端開始，逐漸上移，斜面坡度不大于1/3，水平分層厚度控制在30cm以內，延長澆筑時間，使混凝土部分熱量充分散發到空氣中。采用兩次振搗技術，提高混凝土的密實性，改善混凝土強度，從而提高混凝土的抗裂性。

5.4 預埋冷卻水管

冷卻循環系統布置方法：冷卻管采用鋼管，冷卻循環系統布置方法根據計算確定。在綁扎鋼筋的同時，進行冷卻水管的安裝，冷卻管要做到密封、不漏漿，并在指定部位設置測溫裝置。同時外部接進出水總管、總泵。為了準確測量、監控混凝土內部的溫度，指導混凝土的養護，確保大體積混凝土的施工質量，在構件內合理布設測溫控或溫度測量元件。在承臺混凝土養護期間測定混凝土表面和內部溫度，通過調節冷卻水流量和流速來調整混凝土內部溫度。承臺冷卻水管布置見圖一：

每層冷卻水管均在混凝土澆筑至水管標高后，根據溫升情況開始通水，通水流量根據溫控計算結果確定，確保水流降溫效果。施工時要做好進出水溫的測量記錄，以便調整控溫措施。

5.5 混凝土的養護

混凝土在養護過程中，應采用降溫法和保溫法及時對溫度進行控制。

混凝土在澆筑完成后，如出現氣溫降低，內表溫差過大，易產生溫度應力，從而導致裂縫。所以混凝土澆筑完成后，應在規定時間內采用土工布對表面進行覆蓋保溫、保濕，并定期灑水，保持內部有凝結水。同時也需通過循環的冷卻水對混凝土芯部進行降溫，降低混凝土芯部與表面的溫差。冷卻水的溫度應適當，冷卻水與混凝土的溫差過大會在水管旁的混凝土中引起拉應力，甚至也可能導致裂縫的產生，因此混凝土與冷卻水的溫差應控制在22℃以內。同時還應注意防止“過速冷卻”，過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大，還會影響水泥—膠體體系的水化程度和早期強度，更易產生早期熱裂縫。

5.6 溫度測量監控

加強混凝土溫度的測量監控，針對混凝土澆筑完成后的溫度變化，及時采取相應措施，防止裂縫的出現。

混凝土澆筑完成后，應立即對混凝土溫度進行測試，達到峰值前每2h監測一次，達到峰值后每4h監測一次，持續5天后，轉入每天測2次，直到溫度變化基本穩定。期間應控制混凝土芯部與表面溫差以及混凝土表面與大氣溫差小于25℃。根據監測的溫度資料，及時調整冷卻水流量，控制進水溫度和出水溫度溫差在10℃左右，若加大水流量后仍超過10℃，則應間隔調整入水、出水方向。同時應控制降溫速率，使混凝土芯部溫度應力得以及時釋放，承臺中心混凝土降溫速率宜控制在2℃-3℃/天，對減少溫度裂縫具有重要意義。

6 結束語

大體積混凝土是如今最常見的大型混凝土結構，溫度裂縫對其結構的危害也越來越明顯，如何控制溫度裂縫的產生是非常必要的。本文通過對溫度裂縫產生的機理和原因，分析相應的防控措施，對減少大體積混凝土的溫度裂縫有很大作用。現場施工應根據實際情況，因地制宜，選擇合理的防控措施，才能有效防治溫度裂縫的產生。

參考文獻

[1]《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB10424 -2010）

[2]《大體積混凝土施工規范》（GB50496-2009）

[3]《新建福州至平潭鐵路（平潭海峽公鐵兩用大橋）施工圖 第二冊 通航孔橋 第四分冊 鼓嶼門水道橋下部結構》