大體積混凝土溫度監(jiān)測與裂縫控制
——以廈門某地鐵車站工程為研究對象

李東明

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

目前，我國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)日新月異，得到了快速發(fā)展，大體積大跨度混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也越來越多。與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比，大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般還具有構(gòu)件體積龐大混凝土用量大，對構(gòu)件的整體性防水性抗?jié)B性等耐久性能要求較高等特點(diǎn)[1]，同時(shí)由于大體積混凝土尺寸厚大，膠凝材料的水化熱散發(fā)困難，則將引起混凝土溫度裂縫。這是廣大工程從業(yè)及研究人員迫切需要解決的問題之一，如若產(chǎn)生貫穿裂縫，混凝土的后期耐久性也就無從談起。

地鐵車站作為大體積混凝土應(yīng)用的重要工程，在混凝土施工后，普遍出現(xiàn)裂縫，且大部分是貫穿裂縫，給混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性埋下了隱患，這對于混凝土的大量應(yīng)用提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，且后期的修復(fù)維護(hù)費(fèi)用也是一筆很大的開支。因此，有必要對混凝土內(nèi)部的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測。

基此，本文擬通過一系列可行措施，改善混凝土內(nèi)部溫度條件，為減少混凝土裂縫提出參考借鑒。

1 大體積混凝土的定義

中國的《大體積混凝土施工規(guī)范》(GB50496-2009)，將大體積混凝土定義為最小幾何尺寸不小于1m的混凝土塊，此規(guī)定預(yù)計(jì)是由水泥基材料水化引起的，混凝土?xí)淖儨囟炔⑹湛s而產(chǎn)生有害裂縫。

日本建筑協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(JASS5)定義了大體積混凝土：當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體厚度超過80cm時(shí)，由于溫度和收縮，溫度應(yīng)力遠(yuǎn)大于外部載荷，溫度應(yīng)力起著控制作用。

美國混凝土協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)(ACI 207)，將大體積混凝土定義為：混凝土結(jié)構(gòu)尺寸足夠大，需要采取控制措施。控制由溫度和收縮引起的裂縫的混凝土被稱為“大體積混凝土”。

前蘇聯(lián)規(guī)范中定義的大體積混凝土是：當(dāng)混凝土在施工過程中被分成幾個(gè)獨(dú)立的混凝土構(gòu)件時(shí)，有必要在水化熱的作用下確定各個(gè)構(gòu)件的溫度。

此外，雖然德國和英國的規(guī)格沒有明確定義大體積混凝土，但已經(jīng)為大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工做出了明確的規(guī)定。

從上文的表述可以看出，少部分規(guī)范對大體積混凝土的尺寸做出了明確的規(guī)定，其余的規(guī)范雖然沒有明確定義構(gòu)件尺寸，但是也明確指出必須控制溫度應(yīng)力引起的溫度裂縫。可見溫度裂縫在大體積混凝土中的重要影響。在地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)施工中，溫度變化也引起很大的溫度應(yīng)力，因此地鐵車站屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工范疇。

2 大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土的主要特點(diǎn)就是尺寸大，水泥水化過程中產(chǎn)生的大量水化熱會使混凝土的內(nèi)部溫度在短時(shí)間內(nèi)急劇上升，但混凝土的導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部和外部溫差很大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外熱膨脹和收縮不均勻，并在外部約束下產(chǎn)生巨大的溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，會引起混凝土裂縫[2]。而在降溫階段，由于混凝土溫度逐漸降低，混凝土的收縮也會受到外部約束的限制，造成較大的溫度收縮應(yīng)力。當(dāng)收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，也會產(chǎn)生裂縫[1]。另一方面，大體積混凝土還會因?yàn)閮?nèi)部散熱慢溫度較高，表面部分散熱快溫度較低，使混凝土內(nèi)部與表面之間收縮值相差過大，產(chǎn)生過大的表面拉應(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生表面裂縫。

堅(jiān)持政治上激勵(lì)、工作上支持、待遇上保障、心理上關(guān)懷。大力弘揚(yáng)系統(tǒng)內(nèi)優(yōu)秀干部的先進(jìn)事跡，激發(fā)廣大干部投身事業(yè)、建功立業(yè)的熱情。完善和落實(shí)談心談話制度，定期組織干部健康體檢，積極實(shí)施帶薪年休假，完善和落實(shí)干部職工療休養(yǎng)、優(yōu)秀公務(wù)員健康休養(yǎng)等制度。對有重大疾病、不適宜堅(jiān)持工作的干部，探索實(shí)行離崗休養(yǎng)，身體恢復(fù)后根據(jù)實(shí)際安排工作。重視關(guān)愛基層干部，堅(jiān)持執(zhí)政重在基層、工作傾斜基層、關(guān)愛傳給基層，給基層干部給予更多的理解和支持。

3 大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)控與裂縫控制

3.1 工程概況

以廈門某地鐵車站工程為研究對象，進(jìn)行溫度監(jiān)控。地鐵車站為地下兩層島式站臺車站，車站長度209.45m，寬度19.7m，站臺寬度11m。其中，車站側(cè)墻厚度70cm，一層墻高6.56m，二層墻高4.0m，屬于超長大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工范疇。施工采用我國著名裂縫控制專家王鐵夢教授提出“跳倉法”，通過“先放后抗”的施工措施，最終以“抗為主”這一科學(xué)的施工理念，減少裂縫的產(chǎn)生[3]。基于跳倉法計(jì)算的結(jié)果，該車站側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)的跳倉施工分段一般在18m～20m之間。

3.2 溫度監(jiān)測點(diǎn)的選取及布置

測點(diǎn)布置原則，應(yīng)以結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生最大溫度梯度的位置，一般為結(jié)構(gòu)平面形狀的中心，中心對應(yīng)的側(cè)邊及容易散發(fā)熱量的拐角處。地鐵車站側(cè)墻相對來說是較為規(guī)整的結(jié)構(gòu)，混凝土內(nèi)溫度傳感器采用正面對角線斷面對稱的方式進(jìn)行布置。現(xiàn)場以地鐵車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)跳倉長度為18.0m，高6.56m，厚度為0.7m的倉塊為監(jiān)測對象進(jìn)行溫度傳感器布置。沿倉塊對角線分別在1/4和1/2位置埋設(shè)3組溫度傳感器，每組位置內(nèi)側(cè)和外側(cè)距離表面50mm處(混凝土保護(hù)層厚度為50mm)及側(cè)墻中間位置，分別埋設(shè)溫度傳感器，布置方式如圖1所示。

圖1 溫度傳感器布置圖

在混凝土澆筑前，將溫度傳感器固定于預(yù)先設(shè)計(jì)的位置，使溫度傳感器測試頭遠(yuǎn)離鋼筋，并且保證在混凝土澆筑振搗過程中，測頭不會發(fā)生位置變化；同時(shí)，將溫度傳感器所用傳輸導(dǎo)線牽引至合適的區(qū)域，并做固定以便保護(hù)及數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)線另一端連接數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀。

3.3 溫度監(jiān)測分析

從混凝土澆筑開始計(jì)算澆筑時(shí)間，以2h/次的監(jiān)測頻率記錄混凝土溫度。在混凝土澆筑后至溫升峰值點(diǎn)時(shí)間段，測試頻率調(diào)整為0.5h/次，以便更準(zhǔn)確地確定溫度峰值點(diǎn)。混凝土澆筑塊體內(nèi)相鄰兩測溫點(diǎn)的溫差(不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度)不大于25℃。混凝土澆筑體的降溫速率不大于2℃/d。

從混凝土澆筑開始到養(yǎng)護(hù)14d過程中監(jiān)測的溫度變化整理后作圖，如圖2所示。

(a)編號為1-2-3溫度傳感器數(shù)據(jù)

(b)編號為4-5-6溫度傳感器數(shù)據(jù)

(c)編號為7-8-9溫度傳感器數(shù)據(jù)圖2 混凝土不同位置溫度變化監(jiān)測值

基此，混凝土內(nèi)部溫度峰值，基本在混凝土澆筑后的25h左右出現(xiàn)，溫度峰值在59.7～63.5℃之間。水化14d后，溫度均降低在24.6～28.9℃之間。混凝土澆筑后的72h內(nèi)，混凝土內(nèi)部溫度梯度變化較為急劇，而在混凝土澆筑72h后，混凝土內(nèi)部溫度平緩下降。在同一位置，混凝土中間測點(diǎn)溫度最高，兩側(cè)測點(diǎn)溫度較低。在側(cè)墻1/2位置處，混凝土中心測點(diǎn)溫度達(dá)到最高為63.5℃，而在側(cè)墻左側(cè)1/4位置和右側(cè)1/4位置處，混凝土中心測點(diǎn)溫度也達(dá)到最高，分別為59.7℃和60℃。可見，在對稱1/4位置處混凝土最高溫度基本相同。在側(cè)墻1/2位置處，混凝土內(nèi)側(cè)測點(diǎn)溫度為60.7℃，外側(cè)測點(diǎn)溫度為63.1℃，外側(cè)溫度高于內(nèi)側(cè)溫度2.4℃；在側(cè)墻1/4位置處，混凝土內(nèi)側(cè)測點(diǎn)溫度分別為52.4℃和54.2℃，外側(cè)測點(diǎn)溫度分別為57.5℃和58℃，內(nèi)側(cè)測點(diǎn)溫度峰值高于外側(cè)測點(diǎn)溫度峰值，分別為5.1℃和3.8℃。這是由于側(cè)墻混凝土內(nèi)側(cè)緊貼擋土墻和土體，在混凝土澆筑放熱時(shí)可在一定程度上有效傳導(dǎo)疏散，而在外側(cè)由于模板作用，不能有效擴(kuò)散，造成混凝土外側(cè)溫度較高。

3.4 裂縫控制措施

基于對混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析表明，在混凝土澆筑后的0～72h，這一時(shí)間段的溫度梯度變化較急劇，混凝土內(nèi)部易產(chǎn)生裂縫；而在混凝土澆筑后的72h后，混凝土裂縫主要以混凝土表面溫度與大氣環(huán)境溫度形成過高的溫度差造成的表面裂縫。為了有效降低由于溫度應(yīng)力引起的裂縫，采取如下措施對混凝土的溫度變化進(jìn)行控制：

(2)在混凝土外側(cè)立即覆蓋一層薄的塑料薄膜，在塑料薄膜上面再覆蓋一層土工布，進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。

(3)根據(jù)溫度監(jiān)測的數(shù)據(jù)及時(shí)在混凝土表面和塑料薄膜之間滴灌，以調(diào)節(jié)混凝土的降溫速率。保證塑料薄膜緊貼混凝土表面，以防止水分的損失，減少因干縮而產(chǎn)生的裂紋。

3.5 裂縫控制效果比對

基于上述裂縫控制措施，分別對采取了溫度監(jiān)控及裂縫控制措施的地鐵車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)(以下簡稱“試驗(yàn)倉塊”)和未采取改進(jìn)措施的地鐵車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)(以下簡稱“對比倉塊”)進(jìn)行裂縫觀測。試驗(yàn)倉塊與對比倉塊的裂縫情況如圖3所示。

(a)試驗(yàn)倉塊裂縫情況

(b)對比倉塊裂縫情況圖3 不同倉塊裂縫情況示意圖

試驗(yàn)倉塊觀測到2處表面裂縫，裂縫長度分別1.48m和2.10m，裂縫寬度為0.18mm，裂縫間距約4950mm；對比倉塊觀測到6處表面裂縫，裂縫長度均為通長裂縫，裂縫間距約3333mm。倉塊中間區(qū)域裂縫數(shù)量多是由于混凝土的溫度收縮的正應(yīng)力產(chǎn)生。

從裂縫數(shù)量上來看，試驗(yàn)倉塊裂縫數(shù)量是對比倉塊裂縫數(shù)量的1/3，裂縫數(shù)量減少了約67%；從裂縫長度上來看，試驗(yàn)倉塊的裂縫長度可以度量出具體數(shù)值，對比倉塊的裂縫幾乎是通長裂縫(約6m)，裂縫長度相對更短，說明裂縫向上延展的趨勢得到了控制；從裂縫間距來看，試驗(yàn)倉塊裂縫數(shù)量更少，裂縫間距較寬，裂縫分布較為稀疏，對比倉塊裂縫數(shù)量多，裂縫間距較窄，裂縫分布較為密集。結(jié)合上述各方面情況來看，試驗(yàn)倉塊的裂縫數(shù)量更少，裂縫長度更短，裂縫分布更稀疏，說明了基于溫度監(jiān)控分析采取的裂縫控制措施，在地鐵車站側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用有明顯控制效果。

4 結(jié)論

(1)通過對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度監(jiān)測，得出混凝土澆筑升溫峰值在59.7～63.5℃之間，混凝土澆筑溫度梯度變化較為急劇情況，出現(xiàn)在混凝土澆筑的前3d(72h)左右。

(2)對混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)措施提出的帶模養(yǎng)護(hù)直至3d和表面覆膜滴灌養(yǎng)護(hù)的方法，能有效減少混凝土裂縫數(shù)量，對今后的同類型工程有著重要指導(dǎo)意義和借鑒作用。