船閘混凝土溫控防裂措施的應用

陳 彪

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340）

1 工程概況

北江（韶關至烏石）航道擴能升級工程孟洲壩樞紐二線船閘位于北江上游、韶關城區下游13 km處，為北江航道擴能升級項目起點，概算投資13.47億元。主要工程包括船閘工程（含門機電等）、上下游引航道、上下游導航墻（含導流墻）、上下游靠船段、上下游停泊錨地、閘橋工程、房建工程、標志標牌、環保工程、信息化工程以及大型臨時工程等配套及附屬工程，船閘按照Ⅲ級船閘建設，可通行1000 t級船舶，有效尺度為220m×23m×4.5m（閘室有效長度×閘室寬度×門檻最小水深），船閘上、下游引航道長各640 m、385 m，寬82 m。新建孟洲壩樞紐二線船閘工程，主體結構混凝土澆筑量為3×10m。工程大體積混凝土結構多，斷面形狀復雜，施工過程中的控溫防裂任務十分煩瑣。混凝土的平均運輸距離不超過1 km，較短的運輸距離可以防止混凝土在運輸過程中的溫升。

減少由于混凝土澆筑過程中產生的較大的溫度應力，防止裂縫產生是該工程施工質量控制的重點和難點。為了有效地控制有害裂縫的出現和發展，從控制混凝土水化升溫、延緩降溫速率、減少混凝土收縮、提高混凝土的極限拉伸強度以及改善約束條件等方面綜合考慮混凝土的溫控措施。

2 產生溫度裂縫的原因

2.1 混凝土自身特性

混凝土是一種非常經典的復合建筑材料，具有抗壓能力強但是受拉能力弱的特點，一般來說受拉能力只能達到抗壓強度的8%~12.5%，因此一般會在混凝土中加入鋼筋來增強其抗拉能力。溫度應力帶來的是軸向的拉應力，所以容易導致混凝土開裂。結合該工程，主要施工難點在于建筑物結構塊體尺寸大、施工期暴露面多，環境氣溫變化大，混凝土施工強度大；原則上要求像船閘上閘首、閘室底板、下閘首等大體積混凝土澆筑應避開高溫季節，其澆筑溫度和最高溫升應滿足施工圖紙的規定，但在實際施工過程中，由于夏季高溫歷時長，春、冬兩季氣溫驟降頻繁，導致大體積混凝土防裂控制難度大。

2.2 環境溫度

混凝土是熱的不良導體，其具有導熱不均勻的特點，因此，在施工過程中混凝土的內對溫度非常的敏感，環境的溫度在很大程度上能夠影響混凝土施工的最終質量，環境溫差過大非常容易導致混凝土開裂。在不同的時間段和季節澆筑混凝土時，采用的混凝土類型和澆筑時間都不相同，各自具有最佳的混凝土類型選擇和最佳澆筑時間。例如在夏季澆筑混凝土一般選擇在晚上進行澆筑作業并且采用低水化熱的混凝土，其目的是預防由于白天澆筑，外部溫度過高，混凝土自身的熱量無法對外釋放，因此產生裂縫的問題。

2.3 混凝土水化放熱

溫度變化是水化熱使裂紋形成的決定性因素，同時溫度與時間具有相關性，因此水化熱導致的裂紋具有時間屬性。混凝土澆筑后，溫度變化顯示3個不同的階段。首先是升溫期，即自然條件下通常持續數周的水化放熱期。然后是冷卻階段，此時水泥水化幾乎沒有熱量釋放。最后是穩定期，此時混凝土本身不再發熱，而只是作為熱導體，其溫度隨環境溫度呈現周期性變化。混凝土水化放熱曲線如圖1所示。

圖1 混凝土水化熱變化時間曲線圖

從圖1可以看出，在混凝土澆筑后的3個階段中，施工時溫度控制的目標一般是降低最高溫度和控制冷卻過程。與此同時，混凝土溫度變化速度慢時產生的溫度應力逐漸松弛，當混凝土的抗拉強度超過最終溫度應力時，不會產生裂縫。所以混凝土開裂的形成高度依賴于水泥的水化熱，由于混凝土內部的各種材料混合時的各種化學反應產生大量的水化熱，因此混凝土內部溫度急劇上升，可導致溫度上升20℃~30℃。混凝土澆筑半徑超過2.5 m，內

部基本絕熱。由于混凝土表面與空氣直接接觸，溫度較低，散熱速度較快；內外溫度梯度大，分布極不均勻，混凝土極容易出現裂縫。因此，大體積混凝土施工前應進行混凝土熱工計算，制定合理有效的溫度控制方法和制定大體積混凝土施工溫度控制專項方案。

2.4 混凝土溫度應力

混凝土溫度應力的影響主要與以下2個因素相關：1）與材料的性能有關。在工程中使用彈性模量較高的材料，就很容易避免因為熱脹冷縮帶來的抗拉壓強度能力不夠的問題，不容易形成裂縫，但是在采用的材料彈性模量不夠的情況下就很有可能因為溫度應力導致混凝土開裂，或者形成貫穿的裂縫。2）由于內部溫度高，混凝土體內部膨脹率大，導致結構表面拉應力和結構內部壓應力形成，當受拉區的拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土就會發生熱裂。混凝土溫度應力開裂示意圖如圖2所示。從圖2可以看出，混凝土在升溫階段最容易在邊緣開裂。

圖2 溫度熱應力導致開裂示意圖

3 溫控防裂措施的應用

3.1 優化配比設計

在能夠滿足混凝土的質量達標和方便操作的要求下，可以在混凝土制作時，在其中加入必要的化學輔助劑和改變混凝土性能的各種礦物材料，使混凝土能夠獲得更好的性能。在實際的制作方案中一般采用高性能的減水劑減少水化熱和加入煤粉灰加快混凝土凝固的雙參法。在制作混凝土時摻入煤粉灰能夠顯著降低水化熱的產生，同時能夠加快混凝土的凝固，顯著改善混凝土的施工條件。經過相關的試驗研究表明，按照水泥質量的15%摻入煤粉灰能夠降低約15%的水化熱的產生，并且煤粉灰的摻入與水化熱的產生呈現出線性關系，但是隨著煤粉灰的摻入量的增大，混凝土的易用性難以得到保證，混凝土的質量也將大打折扣，因此需要經過查閱工程手冊，確定一個最佳的煤粉灰混合比，來達到最好的優化效果。經過手冊查閱，該工程采用雙參法減少混凝土水化熱的產生，保證混凝土的強度，具體參數比例見表1。此處的減水劑采用的是發泡劑而不是減水劑。因為煤粉灰自身具減少單位體積水泥的用水量的作用，但是會降低混凝土整體的膨脹系數，因此采用的外加劑為發泡劑。發泡劑采用新型的納米氧化鎂和輕燒鎂的混合發泡劑，這樣既能夠保證增大膨脹系數，又能降低生產成本，增加經濟效益。

表1 C30混凝土配合比

可以通過使用低熱量水泥或者減少水泥用量使水化熱減少，試驗表明，每減少或者增加單位水泥的用量，就能夠增加或者減少1℃的混凝土絕熱溫度。要減少水泥的用量，就需要在水泥中摻入一定配合比的骨料。骨料應選擇放熱量低、熱膨脹系數小、含泥沙量不超過1%的連續級配的骨料。在使用連續級配的骨料時，能夠在混凝土中占據較大的體積且易用性好，能夠減少水泥的用量的情況下，保證混凝土整體的強度不受影響甚至提高，因此采用合適的骨料能夠減少水化熱的產生。如果為了節省成本采用粗骨料，應當充分考慮工程的實際要求和具體能夠使用的施工工藝，制定合適的配合比。如果是較細的細骨料，就應當選用細度模數在2.6~2.9的骨料。

3.2 改善施工工藝

首先采用常規的振搗工藝進行初次處理。實際操作方法是在澆筑過程中做到振搗棒快插慢拔。快插能夠排出混凝土不同深度的氣泡，使混凝土內部更加緊實，不容易產生空洞，慢拔是為了能夠使混凝土能夠緊實地填充滿振搗棒周圍。在震動過程中，振搗棒應當稍微傾斜，并不停地上下抽動，增大接觸面積的同時使混凝土更加緊實。同時做到振搗的間隔保持一個相對均勻的距離，每個插點之間的距離控制在50 cm左右，同時要遠離離模板20 cm以上50 cm以下，采用常規的網格式振搗即可，避免漏震，每個震動點的時間控制在20 s~30 s，不要過長，也不要過短。震動良好的標志為不出現氣泡，混凝土表面充滿白漿。施工過程中特別需要注意的是，振搗器不能夠碰到鋼筋，模板和提前埋好的預埋件，并且在鋼筋比較密集的區域采用30 mm直徑的振搗棒為最佳。然后在一次振搗的基礎上，在初次振搗完畢的1h~4h進行二次振搗，特別是初次振搗后1 h進行二次振搗能夠達到最好的鞏固效果，但是受到各種環境因素材料因素的影響，這個時間點有可能不同，需要進行臨場的判斷，根據施工經驗來看，當混凝土的坍落度為30 mm~50 mm時，為最佳的二次振搗時間。這個時間是通過大量的實踐總結出來的經驗，如果間隔時間過短，二次振搗的效果非常有限，如果時間過長，就會造成破壞混凝土的結構，適得其反。具體各個部件的二次振搗方法如下。對T/I型的梁體結構，在腹板位置大約20 cm的地方采用插入式的振搗器進行振搗，平面振搗器則用于翼子板處的振搗。在連接整體構件的梁體和板體時，應在最佳振搗時間內，用平面式振搗器振搗板體和插入式振搗器進行梁體振搗。在二次振搗過程中，大部分要求與一次振搗相同，但是二次振搗的頻率需要略低于一次振搗的頻率。

薄層澆筑工藝可以應用于澆筑量大的工程，工藝應遵循“分段定點、順序推進、傾斜自流、一次到頂、分層澆筑”的原則。具體施工方法：首先對整個澆筑面積進行測量，按照較為均勻的劃分方法，將澆筑區域劃分為不同的區塊，劃分區塊層數為4層~7層為宜，然后每個澆筑層分為不同的澆筑區塊，要求上下層采用錯位縫搭接，豎向的澆筑塊之間互相不貫通，搭接區域長度不得小于澆筑塊的厚度，分塊的長度保持在10 m~15 m為宜，厚度約為1 m，但是不小于0.8 m，長寬比約為2.5∶1，高長比不小于0.08。底層的施工縫澆筑至少在澆筑5 d后才能對上部的施工縫進行澆筑，需要留出足夠的放熱時間，后面每層施工縫的澆筑時間都應大于7天才能進行下一次澆筑。為了更好地讓各個施工縫結合，需要工人使用人工鑿對施工縫的表面進行粗糙化處理。雖然是人工作業，但是需要控制開鑿的深度，開鑿的深度為2cm~5cm，開鑿深度過深容易破壞整體結構，開鑿深度過淺又達不到增大結合面積的效果，因此該項工作盡量采用經驗豐富的施工人員進行操作。該澆注技術將澆注料逐層分解，有利于由內向外加速散熱，增加混凝土和工程結構的散熱面積，降低混凝土溫度開裂和溫度應力的可能性。實踐中，分層澆時應慎重選擇時間間隔，如果距離過大，新填層會被下層混凝土束縛，兩層之間容易形成豎向裂縫。如果間隔太短，則下層容易受熱，溫差加大，即下層混凝土散熱不充分，會增加開裂。間隔時間根據底層混凝土澆筑前的最大溫升大于新層混凝土引起的溫升的原則合理確定。但一次性澆注工藝也可用于施工厚度大、工期短的工程，如果對溫度控制要求較高，就必須采取有效、合理的溫度控制措施。

3.3 溫度監測與控制

實時的溫度監測能夠及時發現問題，可通過模擬技術預測內部和外部溫度的變化，圖3為工程澆筑溫度預測模型。現有的溫度監測手段有，提前在混凝土澆筑過程中預埋溫度監測傳感器，在外部安裝紅外測溫模塊，將二者的數據進行結合，就可以實時了解混凝土澆筑過程中內外的溫度以及溫度差，一旦出現和預期不符合的溫度變化趨勢，就可以采取相應的溫度控制措施。

圖3 溫度預測模型曲線

目前，合理有效的溫度控制措施是調節混凝土澆筑時內外溫差，控制澆筑時溫度，控制出庫溫度和進料溫度。當澆筑混凝土的環境溫度較高時，采取水冷的方法降溫和物理遮罩降溫。例如，原料存放處應有足夠的遮光，骨料在混凝土攪拌前應采用空冷或水冷的方式進行預冷，必要時可加入冰水進行攪拌，同時采取循環水冷卻、隔熱等措施，以保證混凝土自身溫度較低。澆筑時間要合理，可選擇夜間或方便的季節澆筑。可以采用埋入式水管冷卻方式降低澆筑過程中混凝土內部的溫度，降低溫差。當周圍環境溫度過高時可以采用向混凝土表面蓄水加快散熱，或者在外部溫度過低，散熱過快時采用表面覆蓋薄膜或者干草的方式降低外部散熱效率，平衡內外溫差。

4 結語

在大型混凝土澆筑過程中從各個環節控制混凝土水化熱的產生，控制混凝土內外溫差，確保溫度應力在允許范圍之內，才能減少溫度裂縫產生的概率，更好地保證大體積混凝土澆筑構件的質量，延長結構體的使用壽命。該文通過使用較低熱量的水泥降低混凝土絕熱溫度，再通過使用較好的骨料配比減少混凝土中水泥的使用量，進一步減少熱量的產生，然后用合適配比的添加劑使混凝土膨脹系數達標，減少熱量的產生，提高混凝土強度，最后通過溫度監測實時了解大體積混凝土的內外溫度，防止澆筑過程中出現開裂的情況。