U型橋臺大體積砼溫度裂縫防治研究

劉立鵬

寧夏交通建設股份有限公司 寧夏 銀川 750000

正文：

1、概述

銀百高速公路YB01-3區段全長29km，工程內容包含7座U型重力式橋臺通道，橋臺上口寬度1.2m，背墻坡度3:1，底口寬度2.5-2.7m，屬于典型的大體積砼結構。目前，區內公路施工中所涉及到的類似結構的大體積砼，施工后構件出現裂縫的情況非常普遍，尤其該項目位于大陸性中溫帶干旱及半干旱氣候區，氣候特點是干旱少雨，蒸發強烈，晝夜溫差大，這種地區環境條件對砼裂縫控制造成了較大難度。為此，在該項目的U型橋臺施工中，裂縫防治作為質量控制的一個重點。本文也是旨在通過過程中所采取的一些控制方法及跟蹤檢測結果，總結一套裂縫防治的有效措施，亦為后續類似工程提供一些參考。

2、溫度裂縫成因及種類

大體積砼的裂縫形成原因比較復雜，其中之一就是溫度因素引起的裂縫，本文主要是總結溫度裂縫的防控措施。

大體積砼的裂縫按照深度不同，分為表面裂縫、深層裂縫及貫穿裂縫三種，貫穿裂縫是切斷了結構斷面，破壞結構的整體性和穩定性，對結構造成的危害最大。

大體積砼施工階段的溫度裂縫，主要是砼內外溫差及其受力特性造成的，內外溫差造成了內外產生不同的應力，而其本身特性是抗壓強、受拉弱，砼膨脹及收縮過程產生的不同應力造成了裂縫的產生。裂縫的產生分為兩個階段：一是砼澆筑初期，水泥產生大量水化熱，內部溫度迅速升高，體積膨脹，此時砼早期強度不足，形成表面開裂的裂縫。二是砼硬化后期，冷卻收縮，產生拉應力，且拉應力大于升溫膨脹產生的壓應力，當拉應力超過極限拉應力時，就會在內部產生裂縫，并發展為貫穿裂縫。

3、主要控制措施

3.1 研究的主要方向及依據

大體積砼的裂縫控制，對施工和養護的條件有其特殊要求，主要要滿足下列要求。

?

表中的指標要求很明確的指出了溫度裂縫兩個控制方向：

（1）降低砼早期水化熱溫度（砼內部溫度大于60℃，裂縫風險增加，大于75℃，發生幾率極大）。

（2）改善環境溫度影響，降低砼內外溫差（砼內外溫差大于25℃，裂縫風險增大，大于30℃，發生幾率極大）。

3.2 主要措施

根據上述溫控指標的要求，“內降外保”是防治大體積砼溫度裂縫行之有效的途徑，通俗的講就是降低內部水化熱，阻礙內部“發燒”，對外部進行保溫保濕養護，防止暴露“著涼”。

3.2.1 優化配合比設計，降低水化熱溫度

要降低水化熱峰值溫度，首先必須從水化熱的發熱源著手，降低水泥用量是最直接的方法。初期，項目采用的大體積C25砼配合比是400kg膠凝材料，其中：水泥、粉煤灰、礦渣粉比例為240kg:80kg:80kg。但水化熱的峰值溫度較高。為此，對膠凝材料的比例進行了較大調整，具體比例為：水泥：粉煤灰：礦渣粉=150kg:170kg:80kg。調整后，峰值溫度降低明顯。且在增大了粉煤灰摻量后。一定程度上能夠減緩水化熱速度，推遲溫度峰值出現的時間，避免了溫度劇烈升高的風險。

兩種配合比抗壓和抗折強度增長變化曲線

兩種配合比室內內部溫度變化曲線

室內溫度檢測

通過上述檢測曲線可以看出：

1）膠凝材料比例調整后，28天抗壓強度滿足要求。考慮到大體積砼在硬化收縮階段會產生拉應力，防止其抗裂性能減弱，試配時我們也做了抗折試驗，檢測結果與240kg水泥用量沒有明顯降低。根據大體積砼施工的技術規范規定：“大體積砼進行配合比設計及質量評定時，可按60d齡期的抗壓強度控制”，因此，配合比仍有優化的空間。本項目施工時，考慮到砼強度等檢測指標上的風險，仍然采用了28d強度結果作為配合比設計依據，試配及檢測更多的是從施工實體結構安全考慮，室內試驗可以更大膽的嘗試與驗證。

2）從兩種配合比砼內部溫度變化曲線看，峰值溫度有著明顯區別，且水泥用量降低時，曲線總體較為緩和，這對峰值后降溫速率“宜不大于2℃/d”的要求更好實現。

3.2.2 降低水泥溫度，穩定砼的工作性，抑制砼早期裂縫發生

目前，受國家產能調整的影響，水泥廠供應的水泥，出場溫度均較高，大部分都超過了60℃（規范規定水泥“入機溫度不應大于60℃”）。大體積砼對拌和用水量有明確要求“不大于175kg/m3”，水泥溫度過高，砼早期強度形成過程中需水量會增加，砼內部自由水不足時，容易出現干縮裂縫。試配過程中，我們也做了相應的試驗，采用不同溫度的水泥拌制同條件試塊，在室外自然養生狀態條件下，水泥溫度較高的試塊表面會更早出現裂紋，且其裂縫發展深度較快。這也一定程度上證明了，水泥溫度對砼裂縫的產生有著直接關系。因此，降低拌制砼的水泥溫度也是防止裂縫發生的一項重要措施。

同時，水泥溫度過高，砼拌合物工作性能不穩定，澆筑過程易出現坍損、離析、泌水等情況，這些也是大體積砼施工最為不利和要杜絕的問題。

針對這個問題，今年項目上采用了增加水泥罐車，延長留置時間，并搭設遮陽棚，罐車留置遮陽棚內3天左右溫度可以降低10℃左右，同時每臺拌和機配備的兩個水泥罐，循環使用，這樣對降溫起到了很大作用。

水泥進場溫度

遮陽棚降溫

3.2.3 控制砼出料溫度，降低溫升的初值

夏季施工，因為各種影響因素的互相存在，正常情況下，不采取任何措施，砼出料溫度及入模溫度往往會超過規范要求（大體積砼對入模溫度要求是“不宜大于28℃”，有研究證明，溫升初值對峰值的影響有著直接的關系，入模溫度高于32℃，其中心溫度峰值時可高達80℃以上）。對此，因集料均是搭棚儲存，不存在太陽暴曬升溫的問題，最直接有效的降溫措施就是通過降低拌和用水的溫度來降低出料的溫度，并通過縮短運輸及澆筑時間來控制入模前的溫度增長。通常情況下，采用深井水拌制砼是較為經濟和效果較好的方式，但今年因項目施工條件限制，我們采用了拌和用水加冰的方式降溫，通過過程檢測，砼的施工溫度得到了很好的控制。

從觀測曲線可以看出：

在外界環境溫度30-35℃左右的情況下，常溫水拌制的砼，溫度基本在27-33℃，基本會超過28℃，而加冰后水溫由20℃降低至15℃左右時，砼的出料溫度可以控制在24℃以內。且其從運輸到澆筑1.5h內（罐體必須有完整的罐衣包裹），升溫2-3度，入模溫度一般不會高于28℃。

3.2.4 布設降溫管，降低內部水化熱溫度

大體積砼因其自身體積大的原因，不易散熱，容易出現內部熱量積聚的問題，為此，我們首先通過理論計算確定了內表溫差的估值，其溫差大于25℃（后附計算書），按要求須采取內部降溫措施。

降溫措施采用較為成熟的循環水降溫方案。根據U型橋臺的幾何形狀及尺寸，降溫管分層布設，層間距0.75-1.0m（與模板固定拉桿對應，方便固定且不易損壞），根據橋臺高度，設置3-4層，每層降溫管按U型布設于同一水平面，橫管間距0.75m，縱管距離砼外緣0.5m，每2層聯通，將進水口與出水口統一規整到循環水儲水罐內，形成一個閉合循環。降溫管采用管徑DN40的焊接鋼管，彎頭處焊管連接，焊接完成做試壓試驗，保證密封不漏水，以防止施工時稀漿堵塞管道。

常溫水拌制砼的出機溫度與降溫水拌制砼出機溫度對比

砼拌制1.5h入模溫度增長曲線

降溫管安裝施工現場

內部溫度變化曲線表

降溫管水循環停止后溫度變化曲線

布設降溫管與添加片石兩種情況砼內部溫度變化

進出水口水溫觀測曲線（第5天之后加冰降溫）

從觀測曲線可以看出：

1）從溫度觀測記錄可以看出，水化熱溫度總體呈拋物線分布，峰值一般出現在第2天至第3天，第4天溫度逐漸開始降下來，4-7天下降趨勢明顯，8-14天基本降至常溫狀態。根據這個規律，水循環的降溫重點應放在澆筑后一周內，尤其是第2-3天。

2）從水循環停止后的溫度變化看，正常水循環情況下，砼內最高溫度52℃，一般為47-48℃最高。若在第2-3天停止水循環，溫度會急劇升高，停水5-6小時可達55℃以上，7-8小時65℃以上，隨著時間延長，內部溫度仍會增長，說明連續水循環的效果是有效的。

3）從布設降溫管和采用片石砼兩種溫度變化看，片石砼峰值溫度明顯要高出布設降溫管砼溫度，且其峰值溫度會高于60℃。片石砼在降低水化熱方面不具有明顯作用，這也印證了以往大體積片石砼施工后，早期即出現裂縫的原因。

4）根據規范規定“進出水口的溫差不宜大于10℃，且水溫與內部砼的溫度不大于20℃”，因此，降溫管所用的水，在早期不宜采用溫度過低的水，但為了起到明顯降溫的作用，在水循環一定時間，溫度明顯升高后，可以更換循環水或加入適當冰塊降溫。

5）大體積砼澆筑塊體溫度監測點的布置，以能真實反映出砼結構內外溫差、降溫速度及環境溫度為原則，根據U型橋臺結構特點，分別布置中心溫度與表面溫度測溫點，每道墻體設置兩處，作為溫度校正，如下圖所示。測溫元件安裝時，保證位置準確，固定牢固，引出線集中布置，并加以保護，砼澆筑過程中，下料時及振搗時，防止損壞測溫元件及其引出線。

3.2.5 加強養護條件控制，防控砼收縮階段出現裂縫

保溫保濕養護是大體積砼施工的關鍵環節，其目的主要是降低大體積砼內外溫差值以降低結構溫度應力，其次是降低大體積砼的降溫速度，充分利用砼的抗拉強度，以提高砼承受收縮應力的抗裂能力，措施不到位，砼第二階段裂縫就難以控制。本項目施工地受地區環境晝夜溫差大的影響，若U型橋臺在自然情況下裸露養護，內外溫差極易出現大于25度的情況，裂縫發生的風險非常大。

針對此種情況，項目分階段做了相應的措施：一是澆筑完成到拆模期間（一般2天），內部水化熱溫度急劇升高過程，白天為了避免暴曬，采用遮陰網覆蓋，降低模內砼溫度，以利于砼散熱。二是夜間外界自然溫度較低，內外溫差加大的時候，墻體在覆蓋養生透水土工布的基礎上，加蓋一層三布兩膜防水土工布（重量700g/m2），起到保溫、減緩砼熱量流失的作用。三是采用定時自動噴淋裝置養生，確保砼表面始終濕潤，養生水采用日照升溫后的溫水，夜間一般用升溫后的循環水。四是養生期按照14天控制，降低砼收縮徐變產生裂縫的風險。

內外溫差檢測變化曲線

3.2.6 其他措施

大體積砼溫度裂縫是裂縫防治主要方向，但因其裂縫原因的多樣性，更因砼施工本身就是個系統工程，只有多方面的充分考慮，才能完善和提高砼的抗裂性能，防止裂縫的發生。本項目施工時，我們也在以下方面進行了考慮。

1）從增強砼拉應力的性能出發，砼配比中可增加聚乙烯醇纖維（功能同鋼纖維，但拌合物勻質性及工作性更好，利于泵送，按照膠凝材料1.2%摻量考慮），提高抗裂性能。

2）從補償收縮的性能出發，采用微膨脹砼（膨脹劑用量按照40kg/m3考慮）。

3）從提高砼各項指標及性能角度出發，粗、細集料的含泥量（碎石不大于1%，砂不大于2%）及其他指標檢測應作為大體積砼施工質量控制的重點。

4）從更好的降低水化熱的角度出發，可以采用降溫管+片石方式，但在施工環節片石添加要防止傷損降溫管，其用量和均勻性要作到有效控制。

5）從防止出現施工縫及薄弱層，保證澆筑的連續性角度出發，大體積砼澆筑宜采用泵送砼，但要控制好水膠比，防止離析、泌水（泌水量不得大于10L/m3）。

6）從提高基礎荷載能力及提高整體抗裂能力方面考慮，視不同基礎要采取不同的措施，巖性基礎宜鋪設砂礫滑動層。土質基礎，根據情況要做適當的補強，尤其目前很多設計在控制路基填筑高度的同時，通道橋多數采用被交路下挖的方式，橋內積水容易產生基礎不均勻沉降而造成橋臺裂縫。

4、結語

大體積砼作為砼工程施工的一個難點，裂縫的防治不是一蹴而就就能解決的，只有深入了解其性能，采取相應的、有效的措施才能有所改善。本項目U型橋臺的施工，在采取上述措施后，在第一個階段，即水化熱導致砼膨脹階段，裂縫得到了有效控制，在施工后的20-30天內均沒有出現裂縫。但第二個階段，砼冷卻收縮階段，部分橋臺仍不同程度的出現了豎向裂縫，這與其結構特點及環境條件有著直接關系。U型橋臺長寬比大，總體呈條片狀結構，易出現收縮應力超過極限抗拉應力的情況，且其長時間暴露于自然條件下（大體積砼規范要求拆模后，地下及時回填土，地上盡早裝飾，不易長期暴露在自然條件下），這與基礎類大體積砼不同，容易因反復漲縮而發生裂縫。

通過本項目的實施，我們也深有體會到，只要在施工過程的各個環節上考慮充分且措施到位，其病害發生還是可控的，對于已出現的裂縫，更要結合構造物特點，不斷總結和積累基礎數據，逐步補充和完善預控及解決方案，并將預控方案切實應用到具體的施工中去。

附件1：是否采取降溫措施，溫控制計算書

工程內容包含7座U型重力式橋臺通道，橋臺上口寬度1.2m，背墻坡度3:1，底口寬度2.5-2.7m，屬于典型的大體積砼結構。水泥：粉煤灰：礦渣粉=150kg:170kg:80kg。

混凝土的澆筑時間在7～8月。

1）混凝土的最大絕熱溫升

計算公式：T（t）=（WQ/cρ）（1-e-mt）

式中： T（t）——混凝土絕熱溫升值（℃）；

W——混凝土膠凝材料用量（kg/m3）；

Q——膠凝材料28d水化熱（kJ/kg），計算得出膠凝材料水化熱為292.5（kJ/kg）；

（采用粉煤灰與礦渣粉雙摻Q=kQ水泥，其中粉煤灰和礦渣粉占總膠凝材料用量百分百分別是37.5%和20%，查表并計算k為0.85，Q水泥=375（kJ/kg）；）

c——混凝土比熱、取0.96[J/（kg.K）]；

ρ——混凝土密度、取2400（kg/m3）；

e——為常數，取2.718；

t——混凝土的齡期（d），取t取無限大;

m——與水泥平整、澆筑振搗時溫度有關的經驗系數。一般為0.2-0.4；取0.4；

T（t）=（WQ/cρ）（1-e-mt）

=[（400×292.5）/（0.96×2400）]×（1-0）

=50.78 ℃

故絕熱溫升值T（h）=50.78 ℃

2）混凝土內部中心最高溫度計算

計算公式：Tmax=T0+T（t）×ξ

式中：Tmax——混凝土內部中心最高溫度（℃），因3d為混凝土澆筑后的最大溫升，故取齡期為3d。

T0——混凝土的澆筑溫度（℃），T0=27 ℃；

ξ——不同的澆筑塊厚度，不同臨期時的降溫系數，查表的澆筑塊后2.5m，臨期3d時，ξ=0.65；

Tmax=T0+T（t）×ξ

=27+50.78×0.65=60 ℃

3）混凝土表層溫度計算（表面下50～100mm處）

Tb（t）=Ta+4[h’（H-h’）（Tmax- Ta）]/H2

式中:Tb（t）——混凝土表面溫度（℃）；

Ta——臨期t時，大氣的平均溫度（℃），取22℃（查2018年鹽池7、8月平均溫度）；

h’——混凝土的虛厚度（m）;

H——混凝土計算厚度（m）;

（1）求h’，混凝土的虛厚度；

h’=Kλ/β

=（0.666×2.33）/23=0.07 m

式中: K——計算折減系數，可取0.666；

λ——混凝土的導熱系數，取2.33W/（m.k）；

β——模板及保溫層的傳熱系數；β=1/[（∑δi/λi）+1/βa）]；δi為各種保溫材料的厚度、λi為各種保溫材料的導熱系數、βa為空氣層傳熱系數，可取23 W/（m2.k）；

（2） 求H，混凝土計算厚度；

H=h+2h’

=2.5+2×0.07=2.64 m

式中：H——混凝土計算厚度（m）；

h——混凝土實際厚度（m），取2.5m。

（3） 求混凝土表層溫度；

Tb（t）=Ta+4[h’（H-h’）（Tmax- Ta）]/H2

=22+4×[0.07×（2.64-0.07）×（60-22）]/2.642

=22+4×[0.07×2.57×38]/2.642=26 ℃

則：混凝土中心溫度與表面溫度之差：

Tmax-Tb（t）=60-26=34＞25 ℃

混凝土表面溫度與大氣溫度之差：

Tb（t）-Ta=26-22=4＜25 ℃