大體積混凝土溫控抗裂性能評價及溫度裂縫防控措施

劉曄

摘要： 針對大體積混凝土溫度裂縫的防治問題，通過采用新的混凝土入模設備改進傳統施工工藝，并引入有限元分析方法對復雜結構進行理論計算，從而能夠采取有效措施提高大體積混凝土的抗裂性能，提高混凝土質量。

Abstract： Regarding to the problem of large volume concrete temperature crack prevention， the new concrete molding equipment is introduced to improve the traditional construction technology， and finite element analysis method is introduced to carry out the theory calculation of complex structure， so as to take effective measures to improve the large volume concrete crack resistance capacity and improve the quality of concrete.

關鍵詞： 大體積混凝土；溫度裂縫；裂縫控制措施；伸縮式皮帶輸送機；有限元分析方法

Key words： mass concrete；temperature crack；crack control measures；the telescopic belt conveyor；finite element analysis method

中圖分類號：TU375 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）02-0150-04

0 引言

大體積混凝土是指預計因膠凝材料水化熱等因素引起混凝土溫度變化導致裂縫或結構斷面最小尺寸等于或大于1m的混凝土，其在水運工程中應用廣泛，重力式碼頭現澆胸墻、高樁碼頭承臺、船閘和船塢混凝土底板、防波堤擋浪墻等均屬大體積混凝土施工。盡管在施工中采取各種措施，但大體積混凝土裂縫仍時有出現。究其原因，大體積混凝土裂縫主要是由混凝土溫度應力變化不均勻所致的溫度裂縫發展形成，此類裂縫往往會形成貫穿性裂縫，對水運工程結構的抗滲性、整體性和耐久性產生不利影響。本文結合一項較為成功的工程案例，對大體積混凝土溫度裂縫控制措施進行一下探討。

1 課題研究內容

某碼頭工程現澆混凝土胸墻為大體積混凝土，具有工期緊、施工干擾大、施工海況等自然條件差、質量要求高的特點，為了避免或減少溫度裂縫產生，提高胸墻混凝土施工質量，達到優質混凝土工程的目標，對各種大體積混凝土溫度裂縫防治措施進行了比較和探究，并選擇了適宜的施工措施，較好的解決了大體積混凝土溫度裂縫控制的難題，達到了控制大體積混凝土溫度裂縫的目的。

本大體積混凝土工程澆注斷面如圖1所示。

根據設計要求以上結構斷面的胸墻段長為12.5m，總澆注方量約為685方，混凝土設計標號為C35F250，本結構斷面最小尺寸大于1m，屬于大體積鋼筋混凝土。

1.1 澆注工藝的選擇

根據以往的施工經驗，由于結構跨度大，常規的澆注工藝為泵送，但是泵送混凝土必須采用坍落度大、粗骨料粒徑小的配合比，這對混凝土防裂是非常不利的，因此必須選擇其它澆注工藝。首先考慮了吊機配吊罐的常規工藝，該工藝能夠滿足坍落度和骨料粒徑的要求，但是施工效率低，必須同時使用兩組設備才能勉強滿足該工程的澆注要求，而且安全隱患大，成本較高。為解決混凝土入模工藝問題，我們多方尋找，發現了一種被稱為“Putzmeister Telebelt”（伸縮式皮帶輸送機）的設備，該設備由德國普茨邁斯特公司制造，最早是為貨場堆放材料所設計，最近幾年在機場建設中有所應用。如圖2，圖3所示。

伸縮式皮帶輸送機澆筑跨度可達到35m左右，可滿足本工程全斷面布料要求，混凝土澆筑效率理論可達到280m3/h，施工現場受拌合站拌合能力，施工場地限制等因素影響實際澆筑工效可達到100m3/h，能夠充分滿足趕潮施工要求，同時在安全性和降低成本方面也具有較大的優勢。

1.2 配合比設計優化和原材料優選

混凝土防裂的最重要因素是配合比的設計和原材料的選用，在解決了澆注工藝的基礎上，配合比優化就成為控制的重點，本工程委托了具有豐富設計經驗試驗檢測公司進行了配合比設計。本工程C35F250混凝土經試拌后確定為以下配合比，詳見表1 C35F250混凝土配合比設計。

本配合比中，水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥；礦物摻合料采用粉煤灰和礦粉雙摻，摻量為膠凝材料總量的50%，其中粉煤灰摻量20%，礦粉摻量30%，粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，礦粉為S95級；外加劑為聚羧酸系外加劑，減水率高、抗收縮性好；砂采用水洗河砂，為中粗砂；碎石采用5-16、16-31.5、31.5-63三級配合成的連續級配；水膠比為0.4；砂率為38.0%；坍落度為110mm。

由于水泥水化熱的大小直接決定了混凝土的溫度應力的大小，配合比試拌前對工程地點附近常用幾家優質水泥廠：日照山水、日照大宇、淄博山鋁3個P.O42.5規格普通硅酸鹽水泥品種進行水化熱試驗測定，各品種水泥試樣水化熱試驗測試結果如下，詳見表2各水泥品種水化熱測試表。

經試驗測定日照大宇P.O42.5普通硅酸鹽水泥水化熱最低，適宜用于大體積混凝土的拌制。

1.3 大體積混凝土配合比溫控抗裂性能評價

在配合比設計基本確定并取得相關實測數據的基礎上，根據《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》給出的理論計算公式，對該大體積混凝土配合比的抗裂性能進行評價。由于該胸墻結構中有較多管廊，邊界條件較為復雜，理論計算的方法不能全面反映該結構的特點，在理論計算的基礎上我們同時采用大型有限元分析軟件ANSYS對本結構內部溫度場及溫度應力進行對比。

1.3.1 溫度和溫度應力估算

以上評價指標顯示本配合比混凝土內部溫控抗裂性能較差，存在產生溫度裂縫的風險，需進一步采取大體積混凝土防裂措施，減小混凝土內部應力或增大混凝土劈裂抗拉強度，以最大程度減少大體積混凝土溫度裂縫的出現。

1.4 大體積混凝土溫度裂縫控制措施

為解決本斷面大體積混凝土防裂問題，結合現場實際情況采取了以下針對性措施。

①通過合理分層厚度，增加澆筑層層面散熱量。由于本工程為趕潮施工，因此趕潮施工的部位按50cm厚度分層連續澆筑，保證澆筑速度使澆筑層頂面位于潮位以上，潮位以上澆筑的混凝土按30cm，分層并適當在相鄰層澆筑層間增加澆筑間隔，充分利用澆筑層面散熱。

②控制混凝土的入模溫度，減小溫度梯度，降低溫度應力。在夏季澆筑時采取冷水拌合、水洗石料和夜間澆筑等方法，降低混凝土的入模溫度；在低溫季節通常采用熱水拌合、加熱砂石料和中午高溫時間澆筑等方法，合理控制混凝土的施工溫度，從而減少溫度應力產生。施工期各溫控監測到最大混凝土澆注溫度為22.8℃，平均混凝土澆注溫度為19.7℃，有效降低了混凝土入模溫度，從而降低了混凝土的內部最高溫度，同時也很好的控制了溫升和溫降梯度，有效的控制了混凝土內部最大拉應力，根據建設單位委托的應力應變監測試驗數據，監測到內部最大拉應力為6.03MPa。

③通過試驗對比江西眾大、青島康立達、鞍山鵬程等幾家外加劑品種，從中選擇了水泥適應性較好的優質減水劑，從而有效降低水灰比，最大程度的降低混凝土塌落度，延緩水泥迅速水化放熱，增加混凝土膠凝材料粘結力，同時有效減少混凝土干燥收縮。

④增大混凝土骨料最大粒徑，采用了5mm-16mm、16mm-31.5mm、31.5mm-63mm三個的連續級配規格的碎石，增強混凝土斷面的抗剪能力，提高混凝土劈裂抗拉強度。

由于采用了以上兩項防裂措施，本工程混凝土入模塌落度按60mm控制，混凝土骨料最大粒徑達到63mm，對混凝土泵送澆筑入模的工藝產生了制約，不能采用泵車澆筑混凝土，必須引入新澆筑工藝以滿足混凝土施工性能要求。根據現場抽檢試塊結果，采用了大粒徑碎石后原配合比的劈裂抗拉強度有了明顯的提高，抽測指標值可達到7.83 MPa，從而提高了大體積混凝土的內部溫控抗裂安全性能。

⑤加強混凝土的早期養護，混凝土澆筑完成和模板拆除后及時進行覆蓋，氣溫驟降時未拆模澆筑段在模板表面做保溫處理，避免混凝土表面產生過大溫度梯度，并確保膠凝材料水化反應的順利進行，達到預期強度指標。

本工程采用塑料薄膜、土工布及薄泡沫板作為保溫材料，保溫和保水效果良好。

⑥高溫區設置降溫井、埋設冷卻水管、廊道內少量蓄水三種方案的輔助降溫方案的比選：高溫區設置降溫井可有效的增加散熱面積調整混凝土內部溫度場結構，但由于本工程大體積混凝土澆筑后仍需繼續澆筑面層，設置降溫井處對面層產生較大約束，容易在該位置產生應力集中的現象對后續面層防裂縫有不利影響；埋設冷卻水管可有效依靠水循環降低混凝土內部溫度，但冷卻水管通水降溫需現場控制冷卻水溫度，操作和管理難度較大，容易產生冷卻水水溫太低的情況，冷卻水管周邊溫度驟降，產生溫度梯度反而會增大混凝土內部溫度應力，造成溫度裂縫。

考慮到本結構本身自帶3道廊道，有較好的降溫效果，因此最終選用在廊道底部少量蓄水，通過增加水份蒸發量達到增強廊道降溫散熱，通過熱交換達到良好的降低混凝土內部最高溫度效果。

⑦大體積混凝土溫控指標監測結果。實施以上防裂措施后對大體積混凝土進行溫控監測，監測結果滿足《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》JTS202-1-2010的相關規定，溫控監測測點根據溫度場有限元分析結果布置，監測到混凝土內部最高溫度為68.4℃，各溫控監測段平均混凝土內部最高溫度為51.7℃；混凝土內表最大溫差25℃；混凝土最高澆筑溫度為22.8℃。

2 工藝實施效果

通過采取了以上大體積混凝土溫度裂縫控制措施，該工程的大體積混凝土內部溫控抗裂安全系數可達到1.3以上，大大提高了內部溫控抗裂性能指標，雖然相對《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程》JTS202-1-2010相關規定本抗裂安全系數仍偏低，但經過本工程一百余段現澆胸墻大體積混凝土的施工實踐，以上大體積混凝土溫度裂縫防控措施有效的防止了混凝土溫度裂縫的出現，取得了很好的實踐效果，全部胸墻混凝土未出現貫穿性溫度裂縫，且基本未發現表面龜裂。施工過程中監理、業主和質監站多次現場檢查均未發現大體積混凝土溫度裂縫，對該工程溫度裂縫控制措施給予一致認可。

3 實踐中的經驗、教訓

伸縮式皮帶輸送機是比較理想的大體積混凝土輸送入模設備，但是其澆注高度較小，從現場實際情況來看超過5m的大體積混凝土就會造成皮帶機全幅度澆注的困難，輸送效率明顯降低。另外，該設備在國內保有量較小，協調難度較大。

在有限元分析中要充分考慮各種邊界條件對應力分布的影響，否則分析結果會產生較大出入，因此對于約束條件比較復雜的單元進行有限元分析的技術難度和計算量均較大，需專業設計人員操作。

4 效益評估

本工程在大體積混凝土的裂縫控制方面進行了一些新的嘗試和改進，取得的效果比較理想，基本解決了裂縫問題。特別是伸縮式皮帶輸送機的應用，在提高施工效率、降低混凝土拌合成本、節約資源方面均具有較好效果。本工程施工中創造了單月澆注40段胸墻的紀錄，同時由于采用了大粒徑碎石和新型布料機械，使大體積混凝土施工成本降低，符合節能、環保的科學發展要求。

5 結語

本文對混凝土的施工溫度與裂縫之間的關系進行了理論和實踐上的初步探討，并結合生產實際介紹了幾種在實踐中達到了良好應用效果的溫度裂縫防控措施。伸縮式皮帶輸送機輸送工藝和有限元分析的應用，對大體積混凝土裂縫防控具有較好的實踐意義，值得在工程施工中推廣應用。

參考文獻：

[1]JTS 202-1-2010，水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程[S].

[2]202-2011，水運工程混凝土施工規范[S].

[3]張波.大體積混凝土溫度裂縫的產生原因及控制措施[J]. 北京工業職業技術學院學報，2007（01）.