特定環(huán)境下降低建筑結(jié)構(gòu)墩柱開裂施工措施研究

蘇芷阡 孫相夫 張德帥 汪麗娜 王立君

高原地區(qū)大溫差環(huán)境下大體積混凝土的施工項(xiàng)目逐漸增多，但混凝土開裂問題等尚未得到有效解決。本文基于材料制備方面及施工控制層面對(duì)大溫差環(huán)境下的大體積混凝土的開裂問題進(jìn)行研究，以期提供借鑒。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

新建某重點(diǎn)工程鐵路某標(biāo)段大橋梁位于西藏自治區(qū)昌都市，橋梁全長1103.8 m，橋址海拔3705 m，橋梁所處區(qū)域?yàn)榈湫偷母咴瓖{谷氣候，具有高寒、缺氧、強(qiáng)風(fēng)、大溫差、強(qiáng)紫外線、干燥等特點(diǎn)。

橋梁主橋?yàn)橹骺?80 m 鋼桁梁懸索橋，橋塔采用了鉆石型鋼筋混凝土橋塔，塔高為173 m，塔身采用了型號(hào)為C55 混凝土，單塔的混凝土方量超過了1.9 萬m3。

1.2 施工及服役環(huán)境

工程施工及服役環(huán)境如下：溫度：極端最高氣溫32.7 ℃，極端最低氣溫-17.5 ℃，年平均氣溫8 ℃，最熱月平均氣溫27.5 ℃，最冷月平均氣溫-12.1 ℃，陰陽面極端溫差，晝夜最大溫差達(dá)可達(dá)20 ℃以上；濕度：年平均相對(duì)濕度50.5%，最小濕度為零；風(fēng)速：橋面處空氣實(shí)際密度0.815 kg/m3，實(shí)際密度100 年一遇風(fēng)速35.4 m/s。年平均風(fēng)速1.1 m/s，最大瞬時(shí)風(fēng)速13 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)（≥8 級(jí)）41.8 d。

1.3 高原環(huán)境特點(diǎn)

高原氣候總體特點(diǎn)為輻射強(qiáng)烈，日照多、氣溫低、積溫少，氣溫隨高度和緯度的升高而降低，氣溫日較差大；干濕分明，多夜雨。冬季干冷漫長，大風(fēng)多；夏季溫涼多雨，冰雹多。

以項(xiàng)目所在區(qū)域—瑪沁縣高山峽谷為例，海拔4000 m 左右，相對(duì)高差300 ～800 m 之間，坡度一般30 ℃以上，個(gè)別地區(qū)50 ℃以上，山谷狹窄多呈V 形，無灘地或僅有零星灘地。丘陵主要分布在中高山之間，相對(duì)高差僅幾十米，坡度較平緩，山坡坡面有植被覆蓋。大武鎮(zhèn)、野馬灘等灘地，海拔3700 ～4200 m，地形平坦，表面坡度1 ～3 ℃。

該項(xiàng)目所在地區(qū)為典型的高原大陸性氣候，春季較干旱，夏季多冰雹，雨量集中；冬季嚴(yán)寒而漫長，每年冬期長達(dá)八個(gè)月，含氧量低，大氣含氧量僅為海平面的60%。瑪多縣年平均氣溫-4.1 ℃，年均降雨量120.9 mm，最大凍深2.46 m；瑪沁縣年平均氣溫-0.6 ℃，年均降雨量14l.l mm，最大積雪深度16 cm，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲黠L(fēng)，最大凍深2.77 m。高原地區(qū)大氣中水分隨海拔增高而減少，海拔3000 m 大氣水分只相當(dāng)于平原的34%；海拔6000 m 時(shí)，僅為平原的5%。

2 大體積混凝土開裂產(chǎn)生原因

2.1 高原大溫差環(huán)境的特殊性

調(diào)研資料表明高原鐵路沿線具備大溫差、強(qiáng)輻射、大風(fēng)干燥等氣候環(huán)境特點(diǎn)，其橋梁基礎(chǔ)工程建設(shè)環(huán)境極為復(fù)雜嚴(yán)酷：最大地表日溫差40 ℃、最大晝夜溫差達(dá)到25 ℃的大溫差環(huán)境，相較于普通大溫差，其溫度跨度更大、范圍更廣，由于溫差所帶來的不利因素更加嚴(yán)峻。同時(shí)相較于普通大溫差環(huán)境，高原大溫差還有強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕高海拔等多重因素干擾，年輻照量6000 MJ/m2的強(qiáng)輻射環(huán)境，風(fēng)速大于10 m/s、濕度低于20%的大風(fēng)干燥環(huán)境和日正負(fù)溫交替2 到3 次的強(qiáng)正負(fù)溫交變環(huán)境。

在大溫差、強(qiáng)輻射、大風(fēng)干燥環(huán)境下，高原鐵路橋梁墩臺(tái)塔柱建設(shè)將面臨橋梁大體積混凝土水化溫升控制難、墩臺(tái)塔柱養(yǎng)護(hù)困難、混凝土易收縮開裂等共性問題，且沿線河砂資源和優(yōu)質(zhì)礦物摻和料極其短缺，使得高原鐵路橋梁墩臺(tái)塔柱混凝土結(jié)構(gòu)建設(shè)質(zhì)量面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。

2.2 大體積混凝土開裂原因分析

2.2.1 溫度導(dǎo)致開裂

自生應(yīng)力：當(dāng)大體積混凝土存在溫差時(shí)，混凝土內(nèi)部溫度呈現(xiàn)出非線性分布。由于混凝土結(jié)構(gòu)本身的相互約束而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為自生應(yīng)力。

約束應(yīng)力：大體積混凝土結(jié)構(gòu)全部或部分邊界受到外界約束，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)由于外約束作用，不能自由變形而產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為約束應(yīng)力[1-3]。

大體積混凝土的溫度裂縫產(chǎn)生原因：在混凝土拌合的過程中水會(huì)與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，伴隨水化熱溫度升高。在升溫階段，由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差及其內(nèi)部溫度上升趨勢(shì)較快，而表面與空氣接觸溫度較低且溫度提升速度過慢，混凝土內(nèi)部中心與表面變化產(chǎn)生較大為溫度梯度，進(jìn)而導(dǎo)致因溫度產(chǎn)生的變形不統(tǒng)一，混凝土結(jié)構(gòu)自身的相互約束而產(chǎn)生的自生應(yīng)力。在降溫階段，混凝土因受到內(nèi)部鋼筋的約束導(dǎo)致無法自由改變形狀產(chǎn)生約束應(yīng)力。上述兩個(gè)階段，當(dāng)混凝土自身極限拉應(yīng)力不足以抵抗由于溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力時(shí)變化時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫[4]。

2.2.2 收縮導(dǎo)致開裂

混凝土的早齡期收縮被分為多種類型，例如：降溫收縮、塑性收縮、化學(xué)收縮、自身收縮、碳化收縮以及干燥收縮等等[5]。區(qū)分的界限在于發(fā)生的時(shí)間及產(chǎn)生收縮的本質(zhì)原因不同，本文主要介紹在高原大溫差環(huán)境下起主要開裂原因的裂縫類型。

自收縮：自收縮是由于水泥在水化反應(yīng)過程中生成水化鋁酸鈣凝膠及水化硅酸鈣，二者的產(chǎn)生變化導(dǎo)致混凝土整體的表觀體積下降，整個(gè)過程持續(xù)在混凝土的水化反應(yīng)過程。此種收縮是由于制備混凝土的材料自身發(fā)生的物理及化學(xué)變化所導(dǎo)致的體積變小，與外在作用力及約束無關(guān)。自收縮可根據(jù)產(chǎn)生原因不同分為干燥自收縮及化學(xué)減縮兩種。干燥自收縮指的是混凝土內(nèi)部變?yōu)椴伙柡蜖顟B(tài)毛細(xì)孔產(chǎn)生了收縮[6]，其原因在于混凝土的自由水被消耗；化學(xué)收縮指的是水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)所導(dǎo)致的體積減小。

降溫收縮：降溫收縮一般發(fā)生在水化反應(yīng)升溫結(jié)束開始降溫階段。由于水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣凝膠的同時(shí)放出大量水化熱，混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，而外表溫度上升過慢形成過大的溫度梯度導(dǎo)致混凝土體積減小，本質(zhì)即為混凝土溫度變化引起的熱脹冷縮。降溫收縮的大小與混凝土的熱膨脹系數(shù)、混凝土內(nèi)部最高溫度和降溫速率等因素有關(guān)。

3 大溫差環(huán)境下避免開裂的施工措施

3.1 降低水化熱

3.1.1 水泥的選擇

水泥的主要熟料礦物有以下4 種：第1，硅 酸 三 鈣3Ca0·SiO2，簡 寫 為C3S， 含 量37% ～60%；第2，硅 酸 二 鈣 2Ca0·SiO2，簡 寫 為C2S，含量15%～37%；第3，鋁酸三 鈣3Ca0·A1203，簡 寫 為C3A，含量7%～15%；第4，鐵鋁酸四鈣4Ca0·Al203·Fe2O3，簡寫為C4AF，含量10%～18%。在混凝土拌合過程中，水泥的礦物熟料與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化產(chǎn)物，并放出一定熱量，因此混凝土內(nèi)外便產(chǎn)生了溫度梯度，導(dǎo)致有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。由于水泥中的鋁酸三鈣發(fā)熱較快且發(fā)熱最多，因此實(shí)際工程中選用鋁酸三鈣含量較少的中、低熱水泥，可以在保持混凝土性能基本不變的前提下，減少混凝土結(jié)構(gòu)澆筑后的發(fā)熱量[6]，從而降低混凝土內(nèi)部的溫度進(jìn)而抑制開裂。

3.1.2 配合比的選取

大體積混凝土配合比除了滿足普通混凝土的要求外，還應(yīng)在保證混凝土性能的前提下減少水泥用量，控制合適的水膠比。對(duì)于骨料的選擇應(yīng)當(dāng)首先采用熱膨脹系數(shù)小、含泥量低（粗集料的含泥量不大于1%，細(xì)集料的含泥量不大于2%）的自然連續(xù)級(jí)配粗骨料。其拌制的混凝土可以保證溫度作用下的骨料不發(fā)生大體積的膨脹變形，防止混凝土的抗拉強(qiáng)度降低，具有較好的和易性，同時(shí)可以減少用水量和水泥用量，降低溫度應(yīng)力[7]。

3.1.3 外加劑的選取

混凝土外加劑種類繁多，工程中較為常見的有減水劑、緩凝劑、早強(qiáng)劑等。混凝土中加入適量減水劑可以打破這種絮凝結(jié)構(gòu)，顆粒之間的自由水便可以被稀釋出來，減少混凝土中水的用量。緩凝劑的作用機(jī)理為延遲C3S 和C4AF 的生成，由于水泥中的C3S 發(fā)熱較快且發(fā)熱最多，因此延緩其生成可以有效減緩水化反應(yīng)的速率，抑制水化放熱。

早強(qiáng)劑指能提高混凝土早期強(qiáng)度的外加劑據(jù)以往實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在適宜摻量范圍內(nèi)摻加無機(jī)鹽早強(qiáng)劑，會(huì)不同程度地促進(jìn)熟料礦物C3S、C3A 及C4AF 的水化，加快水泥水化放熱速率，從而提高水泥早期水化程度[8]。綜上，在混凝土中配合減水劑加一些緩凝或早強(qiáng)成分的外加劑，對(duì)水泥水化放熱和混凝土的裂縫開展有一定影響。

3.1.4 分層澆筑

混凝土溫度裂縫主要由于水泥水化放熱產(chǎn)生溫度梯度導(dǎo)致，因此在大體積混凝土施工過程中經(jīng)常采用分層澆筑的方法。分層澆筑可以降低水化熱高峰，便于熱量散出，有效地防止水泥水化熱集中、過大，產(chǎn)生溫度裂縫。施工中常見的分層澆筑方式有以下3 種：

全面分層澆筑：全面劃分混凝土澆筑層次，澆筑時(shí)從短邊開始，沿長邊方向進(jìn)行澆筑，在逐層澆筑過程中，第2 層混凝土要在第1 層混凝土初凝前澆筑完畢。這樣可以確保第1 層混凝土的熱量被釋放出來。

分段分層澆筑：分段分層澆筑是從底層開始分段澆筑混凝土后進(jìn)行第2 層的澆筑，保證有效澆筑各個(gè)層次，其適用于單位時(shí)間內(nèi)要求供應(yīng)的混凝土較少，結(jié)構(gòu)物厚度不太大而面積或長度較大的工程。這種澆注方式相比于全面分層澆筑將澆筑體量變得更小，熱量散出的更快。

傾斜分層澆筑：澆筑時(shí)按照斜面坡度不超過1/3 的標(biāo)準(zhǔn)控制傾斜分層澆筑坡度，澆筑順序?yàn)閺南碌缴稀A斜分層澆筑多用于長度較大的結(jié)構(gòu)。

3.1.5 管冷措施

目前在工程中有效降低水化熱的施工手段是預(yù)埋冷水管。在混凝土澆筑前預(yù)先埋置好冷卻水管，待澆筑完成后向管內(nèi)通入循環(huán)冷卻水，通過物理降溫的方式將大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部水泥水化產(chǎn)生的熱量帶走達(dá)到減小溫度應(yīng)力的作用。施工過程中可以通過控制循環(huán)冷卻水的溫度和水的流通量來達(dá)到控制溫度的目的，靈活性較強(qiáng)。但弊端在于冷卻水管周遭會(huì)由于水管溫度過低產(chǎn)生溫度梯度導(dǎo)致溫度應(yīng)力集中的情況，甚至可能在水管周圍產(chǎn)生細(xì)微裂縫[9]。綜上，管冷降溫是施工中最常用且最有效的控制混凝土內(nèi)部溫度的措施。

3.1.6 預(yù)冷混凝土骨料

預(yù)冷混凝土骨料是指在混凝土拌合之前對(duì)砂石等粗細(xì)骨料進(jìn)行冷卻，其目的是降低混凝土澆筑溫度，在混凝土澆筑時(shí)水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量便可以被冷卻的骨料抵散，從而把混凝土內(nèi)部溫度變化控制在允許范圍內(nèi)，以防止裂縫的產(chǎn)生。

混凝土的預(yù)冷措施目前分為：粗骨料第一次風(fēng)冷或用冷水冷卻骨料代替第一次風(fēng)冷，粗骨料第二次風(fēng)冷，加片冰，加冷水拌制泥凝土的四種措施[10]。在高原大溫差環(huán)境下應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫度梯度和現(xiàn)場(chǎng)施工情況選擇合適的預(yù)冷方式。

3.2 控制溫度

3.2.1 控制澆筑成型時(shí)環(huán)境溫度

混凝土在拌合過程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)放熱，混凝土內(nèi)部溫升變高，當(dāng)環(huán)境溫度過低會(huì)產(chǎn)生較大溫差進(jìn)而導(dǎo)致開裂。高原大溫差環(huán)境下，陽面日間極端最高氣溫可達(dá)30 ℃，夜間陰面極端最低氣溫可達(dá)-17 ℃。如此極端的溫度變化更會(huì)使開裂風(fēng)險(xiǎn)增大，因此在混凝土澆筑時(shí)應(yīng)控制環(huán)境溫度盡可能接近澆筑時(shí)混凝土內(nèi)部溫度。施工時(shí)可選擇設(shè)置保溫棚控制棚內(nèi)溫度，在棚內(nèi)進(jìn)行混凝土構(gòu)件的澆筑，或根據(jù)天氣預(yù)測(cè)選擇合適溫度的時(shí)間進(jìn)行澆筑成型。

3.2.2 控制養(yǎng)護(hù)時(shí)環(huán)表溫差

《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[11]（GB 50469—2018）3.0.4 中規(guī)定：拆除保溫覆蓋時(shí)混凝土澆筑體表面與大氣溫差不應(yīng)大于20 ℃。根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)控制在高原大溫差環(huán)境下養(yǎng)護(hù)時(shí)的環(huán)表溫差。

從環(huán)境方面，可以將試件放在保溫棚內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，設(shè)定棚內(nèi)恒溫且溫度與混凝土表面溫度不大于20 ℃。相對(duì)而言，控制環(huán)境溫度措施在施工當(dāng)中難度較大，且成本較高，目前在高原地區(qū)應(yīng)用的并不廣泛。

3.2.3 控制養(yǎng)護(hù)階段混凝土內(nèi)外溫度梯度

《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[11]（GB 50469—2018）3.0.4 中 規(guī) 定：第1，混凝土澆筑體里表溫差（不含混凝土收縮當(dāng)量溫度）不宜大于25 ℃；第2，混凝土澆筑體降溫的速率不宜大于2.0 ℃/d。根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)采取有效措施控制養(yǎng)護(hù)階段混凝土的里表溫差。在施工時(shí)可選擇外加包裹進(jìn)行外養(yǎng)護(hù)的方式來控制溫差。目前這種施工措施，在高原大溫差環(huán)境下應(yīng)用的較為廣泛，且包裹材料也在日益升級(jí)，例如，劉德惠[12]在研究論文中得出結(jié)論，SAP 復(fù)合材料的包裹養(yǎng)護(hù)相對(duì)于傳統(tǒng)土工布養(yǎng)護(hù)效果更好。

4 結(jié)語

本文針對(duì)高原地區(qū)大溫差環(huán)境下大體積混凝土裂縫的開展原因進(jìn)行了詳細(xì)闡述，對(duì)于如何避免裂縫的產(chǎn)生從材料制備和施工控制兩個(gè)維度列舉了多種措施。相比于普通環(huán)境下的開裂，大溫差環(huán)境的特殊性文中也有所提及。對(duì)于高原環(huán)境下的大體積混凝土工程環(huán)境影響因素至關(guān)重要。本文只針對(duì)大溫差這單一的環(huán)境因素進(jìn)行總結(jié)闡述，實(shí)際工程環(huán)境要更為復(fù)雜：晝夜大溫差、大風(fēng)侵蝕、干燥環(huán)境、強(qiáng)輻射條件等等，當(dāng)這些不利因素耦合到一起時(shí)防開裂難度便會(huì)增加，如何選擇合適的防裂措施可以作為今后研究的重點(diǎn)。

目前大體積混凝土防開裂的研究由于其體量龐大等原因還主要以模擬居多，有些試驗(yàn)會(huì)進(jìn)行縮尺模型的建立。但無論是模擬實(shí)驗(yàn)還是縮尺模型試驗(yàn)都無法精確還原實(shí)際環(huán)境下開裂情況，因此如何更加準(zhǔn)確的還原真實(shí)環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)情況還需要更加深入的研究。