早強型高強度預應力水工鋼筋混凝土溫度裂縫控制預防措施研究

(1.宜昌市東風渠灌區管理局，湖北 宜昌 443000；2.宜昌市水利水電勘察設計院，湖北 宜昌 443000)

常年高空現澆施工的早強型高強度預應力鋼筋混凝土結構因溫度應力的原因易出現裂縫問題。混凝土結構產生裂縫的原因很多：支撐體及模板變形、溫控不到位、結構不合理、基礎不均勻沉降等均能產生裂縫?；炷翆匦阅懿?，自然散熱所需時間較長，混凝土水化過程中會產生大量的水化熱，使其內部的熱量聚集導致溫度持續升高，而表層溫度受環境溫度的影響，產生溫度差，使混凝土的表層產生拉應力；在后期降溫階段，因結構體的自身約束，使得混凝土可能產生內部拉應力；氣溫驟降時也會使混凝土的表層產生較大的拉應力。當這些拉應力超出此時混凝土的抗拉強度時,即會出現裂縫。

普溪河渡槽重建工程于2017年11月18日建成通水，新渡槽全長1003.42m，最大高度61.5m，設計流量15.0m3/s。槽身為單跨40m長C50W4F100預應力鋼筋混凝土簡支結構，矩形斷面凈寬3.1m，凈高2.6m，側墻厚300mm，底板厚450mm，頂板厚200mm。采用DZ40/500型上行式造槽機原位現澆。工程概算總投資8598萬元。

由于大跨度薄壁結構需配制的混凝土強度高，為了盡早張拉，7天強度須達到設計強度的85%以上。全年施工中實際環境溫度-3～41.3℃、相對濕度55%～92%，如果混凝土出現溫度裂縫，輕則影響混凝土的整體性、抗滲性和耐久性；重則將使構件在預應力張拉過程中出現結構破壞或造成重大事故。本文結合湖北省宜昌市普溪河渡槽重建工程實例，以溫度裂縫控制為目標，分析了早強型高強度預應力水工混凝土溫度裂縫的預防措施并以此實施，取得了較好的效果，為類似工程施工的裂縫控制提供了參考。

1 混凝土溫度裂縫的危害

1.1 降低混凝土工程外觀質量

《水利水電工程單元工程施工質量驗收評定標準》(SL 632—2012)規定了表面裂縫是混凝土外觀質量檢測的7項指標之一。混凝土溫度裂縫會降低混凝土單元工程質量評定等級。

1.2 縮短建筑物的使用壽命

混凝土結構溫度裂縫使空氣中的CO2極易滲透到混凝土內部,與其堿性物質起化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿度降低?；炷撂蓟M一步加劇混凝土收縮開裂，致使混凝土結構逐步破壞，縮短了建筑物的使用壽命。

1.3 降低混凝土耐腐蝕性能力

水利工程中混凝土較常見的破壞因素有凍融循環、鋼筋銹蝕、碳酸鹽作用、淡水溶蝕、鹽類侵蝕、堿-集料反應、酸堿腐蝕、沖擊及磨損作用等。受空氣或水中有害物質的作用，在混凝土裂縫中形成低溶解度的新生物或溶解水化物，逐步累積后將使混凝土遭受破壞或水解流失，降低了混凝土耐腐蝕性能力。

1.4 降低混凝土的抗滲能力

貫穿性裂縫形成了滲漏通道，在水壓差作用下，滲漏水現象是顯而易見的。未貫穿性的裂縫，在水壓力作用下，水沿裂縫滲入混凝土內部，將一部分水化產物溶解并流失，裂縫會逐步發展，形成滲水通道并增加了結構滲漏可能。

1.5 危及結構安全

混凝土裂縫不但會引發鋼筋銹蝕，降低混凝土結構的耐久性，降低建筑物的抗滲性，還會影響混凝土結構的強度、剛度和穩定性。預應力結構出現裂縫會導致預應力損失，或混凝土局部應力集中，危及結構安全；嚴重的裂縫直接使結構破壞，造成工程損失。

2 溫度控制方法研究

2.1 養護過程常用溫控方法簡介

當晝夜溫差變化較大，或者寒潮來襲，會導致正在固化的混凝土表層溫度急劇下降而產生收縮，表層收縮的混凝土受內部混凝土的約束，將產生很大的拉應力而產生裂縫。常規的主要溫控措施如下：

a.優化配合比設計，盡量選用低熱或中熱水泥，減少水泥用量，降低水灰比，改善骨料級配，摻加減水防裂劑和纖維素等。

b.降低混凝土入倉溫度，降低骨料、水和摻和料的物理溫度，改善混凝土的攪拌加工工藝。

c.優化混凝土施工工藝，降低接觸面約束，分層、分塊澆筑。

d.在混凝土內部設置冷卻管道降低溫差。

e.加強混凝土的保濕保溫養護等。

2.2 溫控方法——原料配合比優化篩選

本工程通過對比不同環境溫度下、不同配合比的試驗，確定滿足實際施工要求的早強型高強度混凝土配合比為：水泥∶粉煤灰∶江砂∶黃砂∶碎石∶減水劑∶水∶纖維素=470∶60∶210∶490∶1030∶12.72∶170∶0.9。通過200多組的配合比設計，該配合比能達到各項技術要求，水化熱可控。

2.3 溫控方法——溫變限值分析

2.3.1 渡槽溫度場計算模型

基于大型有限元分析軟件MIDAS對渡槽結構進行施工過程的溫度場分析。單節一期槽身長38.8m簡支箱型渡槽，槽頂部寬5.0m，底部全寬4.1m，由于結構為簡支結構，為減少單元數量，縮短計算時間，選擇模型(對稱結構)的1/4進行分析。整個模型有4178個單元，結點總數為5987個。建立的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 槽身有限元模型

2.3.2 邊界條件

計算施工期渡槽槽身的溫度時間段為渡槽脫模以前，溫度場主要有三類邊界條件。

第一類邊界條件：混凝土表面溫度T是時間τ的已知函數。渡槽槽身頂面采用毛氈覆蓋，灑水養護，此時表面溫度等于已知的水溫度。

T(τ)=f(τ)

(1)

第二類邊界條件：混凝土表面的熱流量是時間的已知函數。為了減少節點，節省運算量，同時方便模型內部的溫度場圖的展示，在建立槽身模型時，采用1/4模型為計算模型。因此槽身的混凝土熱源及養護等對于軸線是對稱的，在對稱面上采用此類邊界條件。

(2)

第三類邊界條件：槽身混凝土與空氣接觸，熱量與周圍空氣發生對流交換。

(3)

式中λ——導熱系數；

β——表面放熱系數；

T——混凝土表面溫度。

渡槽施工期溫度場仿真分析時，側墻內、底板頂面與空氣接觸，渡槽槽身不同部位混凝土的內外溫度不同。為了了解槽體結構溫度隨齡期發展的變化規律，可通過分析具有代表性的控制點施工期溫度變化過程曲線來研究。

2.3.3 混凝土熱學性能

槽身混凝土強度等級為C50，根據混凝土配合比：水泥470kg，粉煤灰60kg，江砂210kg，黃砂490kg，石子1030kg，水170kg，可得出該混凝土導溫系數a(m2/h)、導熱系數λ[kJ/(m·h·℃)]、比熱c?；炷翢釋W性能參數如表1所列。

表1 混凝土熱學性能參數匯總

2.3.4 保溫材料保溫效果分析

2.3.4.1 保溫材料厚度

采用聚苯乙烯泡沫板作為保溫層，經有限元模型分析計算，當環境溫度為20℃時，保溫材料在空氣中的放熱系數為80kJ/(m2·h·℃)。計算表明，對于同一種保溫材料，隨著保溫層厚度的增加，保溫效果的增幅逐漸減小，保溫層達到一定厚度后，保溫效果將趨于一致而不再提高。經計算，在造槽機外模上安裝30mm厚聚苯乙烯泡沫板作為隔熱材料合適。

2.3.4.2 保溫材料的導熱系數

為了研究保溫材料的導熱系數對保溫效果的影響，經模型分析，工程中常用的保溫板材的散熱系數在30～80kJ/(m2·h·℃)之間，經計算，溫度極值點在散熱系數為30kJ/(m2·h·℃)和80kJ/(m2·h·℃)時溫度差值僅為2℃，如圖2所示。因此槽身保溫材料的散熱系數對該工程的影響不大，選用聚苯乙烯泡沫板作為隔熱材料合適。

圖2 不同槽身保溫材料導熱系數的水化熱

2.3.4.3 水化熱溫度場

經模型分析計算，水化熱溫度場數值結果如圖3所示，槽身水化熱溫度場特征值如表2所列，溫度場過程線如圖4所示，為槽身溫控提供了理論數據。

圖3 水化熱溫度場

時間/h槽身中軸線/℃槽身側墻中軸線/℃底板下部底板中部底板上部頂板下部頂板中部側墻底中部側墻中部側墻頂部環境溫度/℃1342.7550.9255.3744.339.2250.9842.7337.27201639.650.6855.6640.5435.750.4340.1232.75201937.9748.9455.0736.1632.2948.0737.0330.02202237.2747.2953.433.430.0945.6234.6828.4203630.8438.0942.9126.3824.5135.0127.1223.1204329.163438.0624.7623.2231.0425.0222.7920

續表

圖4 槽身內溫度特征值線

影響渡槽薄壁結構保溫材料保溫效果的因素主要有保溫材料的厚度、導熱系數等。

3 混凝土內部溫控值分析

槽身混凝土的設計強度為50MPa，混凝土施工經歷了夏季最高溫和冬季最低溫，日均溫差約為8～14℃。考慮到槽身混凝土強度高、單方混凝土中水泥用量較大等特點，通過試驗與研究，確保混凝土澆筑后不出現裂縫。

3.1 混凝土的出機口溫度

T0=Th-0.16(Th-Td)

(4)

式中T0——混凝土出機口溫度,℃；

Th——拌和物最終溫度,℃；

Td——拌和站溫度,℃。

3.2 混凝土運輸時的溫度損失

TS=(at+0.032η)(T0-Td)

(5)

式中TS——混凝土運輸中溫度損失,℃；

t——混凝土運輸到成型時間,h。

3.3 混凝土入倉溫度

Tj=T0-TS

(6)

3.4 混凝土內部計算最高溫度

Tmax=Tt+Tj

(7)

Tt=WQ(1-e-mt)/(Cp)

式中Tmax——混凝土內部最高溫度,℃；

Tj——混凝土入倉溫度,℃；

Tt——t齡期時混凝土的絕熱溫升,℃；

W——每立方米混凝土中水泥用量,kg/m3,取470；

Q——每kg水泥水化熱量,kJ/kg,取410；

日本東北大地震（2011年3月11日，MW9.1）的余震發生在2011年4月7日（MW7.1），震源深度約53km，在主震以西約60km。從區域記錄獲得的標準矩張量除了我們解中顯著大于全球矩心矩張量中的非雙力偶部分之外，與全球矩心矩張量解非常相似。類似于所羅門群島2003年發生的地震，二階矩產生非常細長的震源橢球（在這種情況下，走向近似垂直；圖8）和3.1km／s的破裂速度（表2）。方向性比的值d＝0.38（表2）表明破裂為單側擴展。對于該事件進行了噪聲污染高達20%的刀切測試，結果表明重建的二階矩穩定性相當低（見玻利維亞地震一節）。

C——混凝土的比熱,kJ/(kg·℃)；

p——混凝土的容重,kg/m3,取2300；

m——隨水泥品種、比表面及澆筑溫度而異,取0.7；

τ——齡期,d。

按上式計算，計算結果為Tmax=61.2℃。

4 實測結果

為精確監測槽身表面及波紋管內部等各個位置混凝土溫度隨時間變化的情況，對普溪河渡槽槽身澆筑完成后即進行溫度監控。現抽取10號槽身溫控數據進行分析，澆筑時間為2016年10月9日上午8∶00，完成時間為19∶30，在澆筑完成后第二天上午8∶30開始監測，一直到第四天14∶30結束。設置溫度監測點分為：隨機抽取上下游端部波紋管內10cm處、槽身頂板及底板上、中、下游混凝土表面位置(上、下游均距離端部2m位置)。觀測數據如表3所列。

表3 10號槽身溫度檢測數據

混凝土溫度實測成果過程線如圖5所示。

圖5 10號槽身溫度監測過程線

實測混凝土最高溫度為Tmax=59.6℃，在混凝土澆筑后22h達到峰值。通過對槽身頂板覆蓋多層保溫毯和多層塑料薄膜，以及模板外側粘貼聚苯乙烯泡沫板，使得分別位于槽身頂板和底板處的上、中、下游位置的混凝土溫度基本一致，表明混凝土保溫措施良好。

通過對波紋管口處溫度監測，其溫度值略低，說明該處的聚苯乙烯泡沫板整體性不夠且單層油布熱阻能力不夠；上游端部溫度高于下游端部溫度，經分析主要原因如下：

a.槽身上游側為1.2m的二期混凝土空間，下游側為沒有擋風設施的敞開狀態，下游側與外部熱交換系數大于上游側。

b.上游測點為N4，下游測點為N1，下游測點混凝土澆筑時間比上游測點澆筑時間早5～6h，而端部油布封閉時間在整倉混凝土澆筑完成之后進行，下游混凝土由于先行澆筑已經開始初期發熱并部分散失。

5 控制、裂縫預防組合措施

5.1 混凝土控溫控制組合措施

為達到槽身澆筑7天后進行張拉的早強條件，采用海螺P.O42.5R水泥。因為槽身是一個半封閉薄壁結構，對早強型混凝土與一般混凝土的熱力學性能參數的分析比較說明：混凝土早期發熱速度快，彈性模量增長快，干縮變形和自身體積變形收縮量大，雖然此時混凝土抗拉強度增長也很快，但早強型混凝土更容易產生溫度裂縫。

5.1.1 原材料控溫措施

原材料的溫控措施是降低混凝土入倉溫度的一項重要控制內容。首先，對拌和用水的溫度控制，采用東風總干渠的流水進行混凝土拌制。由于水源為尚家河水庫底層水，溫度基本處于8～12℃，故而夏季施工時，直接取水拌和；在冬季施工過程中，提前將水池注滿，確保拌和用水溫度為最低值。其次，骨料場設置遮陽棚，根據現場倉儲能力盡量提高骨料的堆積高度。夏季則對粗骨料進行噴灑水霧降溫。

5.1.2 混凝土運輸過程溫控

混凝土采用汽車攪拌車進行水平運輸，再泵送至混凝土倉內。運輸過程時間越長，混凝土的升溫越大。故而在實際施工中，要求施工單位合理架設泵管，將攪拌車上部及泵管上均覆蓋遮陽材料并定時灑水降溫；環境溫度大于35℃時采取噴霧等方法降低倉面溫度。

5.1.3 拆模時的溫控

槽身混凝土拆模前，控制混凝土溫度與環境溫度小于等于15℃，同時在拆除槽身兩端保溫油布后，讓槽身中段內的溫度緩慢降低，控制降溫速率小于等于1℃/h，當內部溫度與外部溫差小于15℃后即可拆模。

5.2 裂縫預防組合措施

薄壁結構是渡槽防裂難度最大的結構之一，采用高性能泵送混凝土，水泥水化熱大、早期強度高、自生體積變形相對較大、徐變較小、坍落度較大、延性較差。工程實踐及仿真分析均表明，渡槽槽身工程需要控制早期混凝土內外溫差。晝夜溫差大，年內氣溫變化也較大，均易導致槽身混凝土裂縫。渡槽防裂工作的重點是早期表面防裂，對于渡槽混凝土工程的溫控防裂主要措施是保濕、保溫。

5.2.1 保濕

早強型高強度混凝土終凝后，根據混凝土表面顏色狀態要適時補濕，此時采用和混凝土表面溫度一致的同溫水進行注灑，保持混凝土表面濕潤。通過保濕可以有效減小水分的蒸發，使混凝土表面水泥能夠更有效水化，保濕措施主要為多層塑料薄膜覆蓋。

5.2.2 保溫

保溫可以有效減小混凝土體內外溫差，降低因溫差而產生的溫度應力。普溪河渡槽澆筑完成后，采取的保溫措施有：在造槽機外模上安裝30mm厚聚苯乙烯泡沫板作為隔熱材料；槽身澆筑完成后，及時對頂面進行薄膜+保溫毯+薄膜+保溫毯，外加一層油布覆蓋；縮短混凝土直接與空氣暴露時間；上、下游兩端進行油布封閉以降低結構熱交換速度等。

通過實踐，當混凝土溫度與環境溫度小于等于15℃時，混凝土表面不再出現裂紋。拆模宜選在白天氣溫較高的時間進行，以避免因外界溫差相對較大在混凝土表面產生過大拉應力;同時還要避免突然的暴曬。當晝夜溫差、風速過大或出現寒潮時，宜適當推遲拆模時間。

5.2.3 遮陽、擋風

混凝土的內外溫差不僅與自身的水化熱、外界氣溫有關，還與環境風速及太陽的照射有關。為了減小混凝土的內外溫差，施工過程中需要架設遮陽、擋風設施，主要有遮陽篷和擋風篷。

5.2.4 優化配合比

混凝土配合比的優化可以有效減少水化熱，降低絕熱溫升，減少自生體積收縮變形，從而提高混凝土自身的抗裂能力。提高渡槽混凝土的抗裂能力，除了選擇合適的配合比外，還可以通過摻加外加劑、外摻料等措施。如：普溪河渡槽混凝土中摻入了0.9kg/m3纖維素纖維，可有效阻止混凝土因溫度引起的裂縫產生。

5.2.5 其他防裂措施

設置蒸汽養護系統或者通過內設循環水也是混凝土溫控中最常用的有效辦法，但在高空截面僅為30cm的薄壁混凝土不易實施。

6 結 論

高強度預應力鋼筋混凝土在大跨度槽身中的使用越來越多，其內部溫度最高達70℃左右；通過定性及定量分析，野外高空條件下整體澆筑早強型高強度預應力薄壁結構，采用一般的溫控措施難以避免溫度裂縫，通過實踐檢驗，應加強以下措施：

a.優化配合比設計，在滿足混凝土的可施工性能的基礎上減少水化熱量。

b.加強混凝土保溫養護，通過計算，采取鋼模外貼30mm厚聚乙烯苯保溫板，混凝土面層覆蓋兩膜兩毯一油布的保溫措施，可使混凝土內外溫差不大于15℃。

c.加強混凝土保濕養護，適時補充與混凝土同溫度的水養護。

d.遮陽、擋風，避免薄壁結構高應力區出現溫度裂縫。

普溪河渡槽重建工程中采取的裂縫控制措施，抗裂效果顯著，可供類似常年野外施工的高強度預應力水工鋼筋混凝土制定溫控防裂措施參考。