高海拔大溫差地區施工溫控防裂技術研究

薛 磊（中國鐵路青藏集團有限公司拉薩基礎設施段，青海 西寧 850000）

高海拔大溫差地區不同于一般地區，由于其海拔高度比較高，且區域最低氣溫與最高氣溫跨度比較大，這些自然環境因素會對地區施工質量造成一定影響。目前施工主要采用的是混凝土材料，混凝土雖然具有較高的硬度和強度，使用混凝土建設的施工項目通?？梢詽M足施工硬度要求，但是這種建筑材料在高溫或者低溫環境中，容易發生膨脹和收縮現象，當溫度達到一定標準時因施工材料的膨脹和收縮使建筑表面出現裂縫，從而影響到高海拔大溫差地區施工質量。高海拔大溫差地區環境因素比較復雜，其工程質量難以把控，為了降低溫度對施工質量和施工安全的影響，相關學者提出了溫控防裂技術，利用相應的技術手段，控制高海拔大溫差地區施工項目出現的裂縫質量問題。但是現有的技術手段不夠完善，在應用過程中對高海拔大溫差地區溫度場及溫度應力計算分析不夠準確，導致技術所起到的溫控防裂效果并不明顯，技術應用后高海拔大溫差地區施工仍然會出現裂縫問題，并且裂縫深度較深，已經超出高海拔大溫差施工質量要求，為此提出高海拔大溫差地區施工溫控防裂技術。

1 高海拔大溫差地區施工溫控防裂技術

1.1 高海拔大溫差地區溫度場及溫度應力計算分析

為了取得控制高海拔大溫差地區施工溫控防裂效果，首先需要對高海拔大溫差地區溫度場以及溫度應力進行準確計算分析，溫度場是指高海拔大溫差地區施工結束后，施工體溫度隨著時間的變化而趨于穩定或者不穩定形態的分布特征，由于高海拔大溫差地區溫度場遵循一定的熱傳導規律，因此根據物質熱傳導理論對高海拔大溫差地區溫度場進行推導計算，計算公式如下：

式中，γ表示高海拔大溫差地區溫度場，即施工體溫度隨時間的變化率；α表示高海拔大溫差地區施工材料的導熱系數；e表示高海拔大溫差地區施工材料比熱；u表示高海拔大溫差地區施工材料絕熱溫升；p表示高海拔大溫差地區施工材料彈性模量[1]。利用上述公式計算完高海拔大溫差地區溫度場后，再利用三維有限元軟件對高海拔大溫差地區溫度應力進行分析，在三維有限元軟件中，將施工體左側端點設置為坐標原點，以施工體水平方向、垂直方向分為橫軸和縱軸，建立三維坐標[2]。在軟件中將施工體的底面以及四個方向側面作為絕熱邊界，地基基面按照固定支座處理，將施工材料的導熱系數、比熱、絕熱溫升以及彈性模量等材料參數輸入到軟件中，由此建立高海拔大溫差地區溫度應力分析模型，以施工材料澆筑溫度、通水冷卻以及施工進度作為變量，對高海拔大溫差地區溫度應力進行模擬分析，其公式表示如下：

式中，{μ}表示高海拔大溫差地區溫度應力；[r]表示幾何矩陣；[w]表示高海拔大溫差地區施工材料彈性矩陣；q表示高海拔大溫差地區施工材料加載齡期；[b]表示高海拔大溫差地區施工體單元剛度矩陣；k表示海拔大溫差地區施工材料徐變度；g表示高海拔大溫差地區施工體持荷時間[3]。利用上述公式計算出高海拔大溫差地區溫度應力值，以此完成高海拔大溫差地區溫度場及溫度應力計算分析，為后續施工材料配合比設計、溫度梯度控制以及分期冷卻設計提供依據。

1.2 施工材料配合比設計

因為施工材料配合比對施工溫控防裂效果具有一定影響，所以根據高海拔大溫差地區溫度場及溫度應力計算分析結果，設計施工材料配合比。項目施工材料主要為混凝土，而如果計算的高海拔大溫差地區溫度場超過普通地區溫度場15%，溫度應力超出最大允許限值的5.6%，則需要優化施工材料的配合比，以此來控制高海拔大溫差地區施工材料的絕熱溫升[4]?；炷敛牧现饕ㄋ?、粉煤灰、水泥、活性堿等物質，根據相關試驗研究，采用高摻17.5%粉煤灰、44.8%水泥、19.2%活性堿和8.3%水配合比，其抗裂變形指數相對于原來施工材料配合比提高19.5%，因此采用該配合比作為高海拔大溫差地區施工材料配合比。

1.3 分期冷卻

雖然上述優化的施工材料配合比能夠增加高海拔大溫差地區施工體抗裂變形指數，但是由于該配合比中高摻粉煤灰物質，在施工后期會帶來發熱問題，因此采用分期冷卻的方式緩解施工體發熱溫度，實現對高海拔大溫差地區施工體溫度梯度控制。根據實際需求，采用了一期、二期、三期分階段通水冷卻方式，一期通水時間為12h，通水溫度為25℃，降溫速率為每小時2℃[5]。通水方式按澆筑單元分別進行，當通水冷卻溫度達到15℃時，停止通水1h～2h。開啟二期通水冷卻施工，通水時間為8h，通水溫度為10℃，降溫速率為每小時1℃，待后澆層達到三期冷卻目標溫度后，停止通水2h～3h。最后開啟三期通水冷卻，通水時間為10h，通水溫度為5℃，降溫速率為每小時1℃[6]。在通水冷卻過程中按照從上而下的順序進行溫度控制，當后澆層達到三期冷卻目標溫度2℃～3℃后，停止通水。通過以上通水冷卻施工，使高海拔大溫差地區施工溫度以及降溫幅度形成合適的梯度。

1.4 全齡期養護

由于高海拔大溫差地區施工歷時比較長，且溫差跨度比較大，在完成了上述施工后，為了提高溫控防裂效果，還需要對施工主體開展全齡期養護。養護方式主要采用水泵自流養護方式，當施工項目完成之后，利用水泵向施工表面噴灑溫度為0℃～15℃的水，每天噴灑次數為三到四次，每次噴灑時間不得少于30min。在灑水之前使用麻布或者棉布蓋在施工體表面，通過不斷灑水將覆蓋物浸濕，使高海拔大溫差地區施工體始終處于潮濕狀態。全齡期養護時間不得低于150d，目的是緩解高海拔大溫差地區施工材料溫度應力，增加濕度，使其表面光滑且更加牢固，防止裂縫的出現，以此實現高海拔大溫差地區施工溫控防裂。

2 實驗論證分析

實驗以拉薩基礎設施段施工項目為例，該地區年平均氣溫為11.26℃，年平均最高氣溫為24.61℃，年平均最低氣溫為零下23.51℃，極端最高氣溫為34.15℃，極端最低氣溫為零下36.14℃。該地區海拔高度為3800m~4800m，實驗利用此次設計技術與傳統技術對該地區施工進行溫控防裂。利用公式（1）和公式（2）計算分析拉薩基礎設施段施工項目溫度場為53.4%，溫度應力為5.46MPa，施工材料容許溫度應力值為2.42MPa，已經超出允許范圍。采用優化后的施工材料配合比，并進行通水冷卻，以及開展全齡期養護施工，對該地區施工進行溫控防裂，表1為技術應用后該地區施工絕熱溫升情況。

表1 溫控防裂后地區施工絕熱溫升情況

實驗利用IJG裂縫測量儀對拉薩基礎設施段施工項目八個施工段裂縫深度以及數量進行了測量，利用電子表格對測量數據進行記錄，根據最大裂縫深度對比分析兩種技術溫控防裂效果，見表2。

表2 兩種技術應用下裂縫深度對比

從表2中數據分析可以得出以下結論：應用此次設計技術施工表面裂縫數量比較少，并且裂縫深度也比較小，最小裂縫深度僅為0.002m，最大裂縫深度為0.009m，遠遠低于高海拔大溫差地區施工裂縫深度標準；而傳統技術應用后施工表面裂縫數量比較多，裂縫深度遠遠大于設計技術和規定標準，因此，實驗證明了此次設計技術相對于傳統技術更適用于高海拔大溫差地區施工溫控防裂，能夠有效控制高海拔大溫差地區施工裂縫深度。

3 結語

在高海拔大溫差地區施工溫控防裂工作中，將“縮短溫差、緩解冷卻時間、縮小裂縫深度”作為溫控防裂技術理念，結合高海拔大溫差地區施工質量要求以及施工特點，提出了一套溫控防裂技術，用于高海拔大溫差地區施工項目中，有效控制了施工表面裂縫的產生，降低了施工表面裂縫深度，有助于解決高海拔大溫差地區施工裂縫問題，對提高高海拔大溫差地區施工質量具有一定的現實意義與應用價值。