論大體積混凝土溫度裂縫成因及控制

龍春成

（貴州橋梁建設集團有限責任公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

直徑1 m以上的混凝土為大體積混凝土結構，該結構在澆筑過程中由于水泥水化產生大量熱量，在結構內部聚集難以散發，出現大體積混凝土結構內部和外部間溫差過大，易出現結構裂縫[1-2]。該文對大體積混凝土溫度控制措施進行探究，期望為控制大體積混凝土結構裂縫，提供工程實踐借鑒。

1 工程概況

該研究的工程案例為某大型橋梁承臺工程，橋梁主墩為空心墩，橋梁以灌注樁為基礎，由C30混凝土澆筑構成橋梁承臺，各承臺均為混凝土實心結構且彼此連接。橋梁承臺土方量合計6 693 m3，承臺結構尺寸為23.3 m×19.3 m×5.1 m，項目屬典型大體積混凝土施工類型。

2 溫度裂縫成因及控制措施

2.1 混凝土的特點

混凝土材料具備較高的抗壓強度，抗拉伸性強度低且抗拉強度小，有一定脆性且材質均勻性差[3]。混凝土抗壓強度為抗拉強度十倍，短期極限變形范圍為0.6×10-4～1.0×10-4，與其處于6～10°環境線下的變形指標一致，長期極限拉伸變形為1.2×10-4～2.0×10-4。

2.2 溫度裂縫產生機理

澆筑后2～5 d內混凝土內部會出現大量水泥水化熱，導致混凝土內部熱量大量凝聚，溫度迅速升高，最大溫度可達60～65 ℃。由于積聚效應，混凝土內部膨脹，在內外溫度差作用下形成溫度梯度，混凝土內部受產生的約束力作用，混凝土內與表面分別出現壓應力和拉應力，當拉應力值超過混凝土極限抗拉強度值時則會出現表面裂縫現象。混凝土成型早期基本處于塑性及彈塑性狀態，其彈性模量水平較低，約束應力水平不足，隨后隨著混凝土溫度下降，彈性模量值增加，約束拉應力水平也有所升高，當約束拉應力值超過抗拉強度水平時也會出現表面裂縫現象[4]。

2.3 溫度裂縫的控制措施

溫度作用下產生的拉應力超過混凝土極限抗拉強度是引發表面裂縫的根本原因，故此可根據施工需求適當增加構造筋數量以改善混凝土的抗裂性能，對溫度引發的裂縫效果加以控制。增配構造筋需保持小間距，選用小直徑產品，既往研究證實保持間距150 mm并選用直徑8～14 mm的構造筋效果最佳。為保持混凝土結構穩定，一般保持混凝土全截面配筋率在0.3%～0.5%范圍內，如構造筋無法滿足抗約束效果，則應當增加其數量，直至滿足變形構造基本要求。

大體積混凝土內部的溫度為瞬態溫度場，其數值隨著時間和位置變化，初期溫度變化特征與拋物線結構相似，隨后溫度曲線稍平緩并逐步趨近于外界溫度。影響大體積混凝土內部溫度的因素眾多，一般情況下，對于大體積混凝土內部溫度的控制需考慮內外溫度變化及其溫度峰值。外部環境、散熱邊界條件、混凝土配合比等因素都會對大體積混凝土內部溫度峰值產生影響，可將其分為水泥水化熱溫度、澆筑溫度、混凝土散熱溫度三個部分，故降低大體積混凝土內部溫度也應針對上述三個方面采取針對性措施。與此同時，澆筑施工過程中也需降低混凝土結構約束力并加強全程養護[5]。

3 承臺大體積混凝土溫控技術

3.1 原材料選擇和混凝土配合比優化

通過改善混凝土配合比達到最佳水平以降低混凝土水化熱是降低大體積混凝土內外溫度差的有效措施。

（1）堅持“強度合格”原則基礎上進行對組對比試驗，確定最佳的水泥型號、添加劑成分及其配比，通過控制配合比減少澆筑過程中的水泥水化熱[6]。

（2）優化混凝土澆筑方式。泵送混凝土方案具備效率高、成本低、施工便捷的特征，但是需對技術指標嚴格控制。為確保澆筑質量，初始坍落度需大于18 m，且初凝時間保持在18～22 h內。該案例橋梁承臺選用的C30混凝土配合比情況如表1所示。

表1 優化后C30承臺混凝土配合比

3.2 承臺大體積混凝土分層澆筑措施

合理的施工技術是確保混凝土澆筑質量的關鍵。為提高澆筑水平，施工中應用斜面分層和全面分層的澆筑方案，解決初期澆筑過程中混凝土過熱溫度的同時，有效降低了內外溫差[7]。

（1）全面分層法。沿建筑物長側澆筑，第一層混凝土澆筑完畢前進行二次澆筑。

（2）斜面分層法。用于建筑物厚度小于長度三分之一的情況下，需保持施工斜坡坡度小于三分之一。該案例中橋梁承臺厚度為3 m，頂部厚度為2 m，結合實際情況選用了全面分層澆筑聯合斜面分層澆筑的施工方案。

3.3 承臺冷卻管埋設及控制要求

大尺寸承臺結構多采取一次性澆注筑工藝，混凝土結構內部設置冷卻管加速熱量散發，借助熱循環提高澆筑成功率。

（1）承臺冷卻管多選用φ50 mm×2.5 mm焊管，并單獨設置單層冷卻管進行水循環，避免置于混凝土結構內部的冷卻管道過長引發堵塞。項目承臺內部設置了4層獨立冷卻管，通過對管道內循環水量的控制降低混凝土結構內部溫度，減少表面裂縫概率。

（2）科學控制冷卻水管安裝質量，合理布置管線格局，通水檢驗避免漏水。根據項目需求合理控制通水時間與流量，水管埋深大于250 mm需進行通水并保持通水流量大于30 L/min。

（3）做好溫度檢測，當冷卻水管進水口與出水口溫差大于9 ℃時需加大冷卻管內水流量，并嚴格控制進水口水溫，將混凝土內部溫度與進水口水溫溫差限定在25 ℃以內。

3.4 承臺大體積混凝土的合理養護

做好日常養護工作是避免大體積混凝土裂縫的關鍵，也是保障項目施工質量的有效措施。故此，需加強大體積混凝土日常表面潤濕工作。

（1）溫度控制。溫控對保障大體積混凝土澆筑質量至關重要，多以內外結合的方案進行有效控制。混凝土結構內部以冷卻水循環的方式降低內部溫度，減少水泥水化熱引發的混凝土結構內部溫度急劇升高，從而實現控制溫度的目的，該方法被稱為降溫法。混凝土外部則采用覆蓋麻袋、泡沫板、塑料薄膜等保溫材料的方式降低大體積混凝土構件表面與外界接觸，減少熱交換以實現保溫的目的。外保溫和內降溫方式的運用，能減少混凝土結構內外溫差，避免溫度裂縫的出現。

（2）混凝土養護。為確保工程質量，以項目施工經驗為基礎，合理增加混凝土養護措施。該案例中橋梁承臺大體積混凝土澆筑施工時間為冬季，混凝土內外溫差大，水泥水化反應慢，需增加養護時間滿足水化反應充分的需求，確保混凝土強度符合標準。故此，施工中達到一定溫濕度后需對混凝土構件表面加強潤濕，并結合項目需求進行合理養護，最終確定養護時間需大于21 d。施工過程中，需保障混凝土強度大于2.5 MPa以滿足荷載需求，避免荷載因素對橋梁承臺結構強度產生影響[8]。

（3）合理確定拆模時間。拆模前需進行檢測，確定各項指標符合規定方可實施，包括周圍環境、結構表面溫濕度、混凝土強度等，一般需保持混凝土強度大于10 MPa，且溫度低于20 ℃時方可拆卸模板。拆除模板時需做好保溫措施，拆模期間及拆模后通過灑水控制混凝土構件內外溫差，同時注意維護結構物表面完整性。

4 溫控結果分析

未采取溫度控制措施情況下的混凝土水化熱絕熱溫度如公式（1）所示；采取溫度控制措施后，混凝土施工配合比、外部環境等因素變化，以大體積混凝土溫度控制為例，采取內部布設冷卻水管利用循環水降溫的方式控制溫度。

式中，結合該項目各指標取值如下：水泥用量mc=307 kg/m3，發熱量Q=377 J/kg，比熱容C=0.96 J/kg·℃，重力密度d=2 400 kg/m3，經驗系數m=0.3。

未采取溫度控制措施情況下，借助公式（1）獲得混凝土水化熱絕熱溫度數據，記為溫度1；利用有限元軟件Midas/Civil分析獲得采取混凝土內部冷卻水管循環水降溫措施的水管溫度，記為溫度2；將現場測量的實際溫度記為溫度3。三個溫度數據隨時間變化的情況如表2所示。由表2可知，溫度2和溫度3數據基本一致，絕熱溫度均小于30 ℃。

表2 混凝土水化熱絕熱溫升值與時間關系

現場測量獲得溫度數據變化情況如下：

（1）承臺中間區域呈現溫度迅速升高緩慢下降的趨勢，最高溫度為29.35 ℃且持續3～9 h，升溫期約3～4 d。

（2）各測溫層溫度下降值小于2 ℃/d。

（3）測溫層最大溫差22.2 ℃，并對溫度實際實施監測并跟蹤承臺結構狀況，未發現裂縫現象，證實該案例采取的穩控措施有效。

5 質量、環保控制措施

5.1 質量管理措施

橋梁施工環節建立相對科學的質量控制體系，并嚴格執行技術交底制度。施工前，嚴格落實施工手冊，認真執行工作任務交接，加強針對項目管理人員技術培訓。作業過程中，技術人員重點交底施工工藝、技術指標，現場督導關鍵環節施工，采取書面形式完成技術交底，附帶圖表與文字說明，提高認知準確性[9]。

加強原材料質量把控，全面調研原材料市場，秉承優中選優原則，結合項目實踐選擇信譽突出、質量可靠的供應商建立合作關系。進場前，對原材料供應商產品合格證、質量證明書進行核查，認真比對材料廠家、型號、類型等技術指標，確保符合方案要求后方可進場，現場隨機抽樣完成質量跟蹤，檢測合格的材料方可應用于施工環節。

5.2 環保管理措施

強調文明施工，提高工作人員環保理念，確保工程高質量竣工。加強衛生管理，落實環保理念，切實推動精神文明建設，提高工程項目質量。

（1）場地潔凈，器具擺放整齊，分類放置，無異物雜物堆積。

（2）施工道路通暢、整潔，無散落物，場地平整，無坑洼、積水。

（3）水資源保護。避免水資源污染，嚴禁將清洗機械、施工設備的廢水直接排入江河，做好污水處置與養護，加強日常維護與記錄。

（4）完工后清理現場，恢復秩序。工程竣工后，確保操作面整潔，操作區域及周圍環境無污染物，及時回收并處置廢棄物[10]。制定符合項目特點的環保施工方案，結合施工實踐適度調整。

6 結論

綜上所述，大體積混凝土水泥水化熱屬三維空間熱傳導，內部水化熱與外部氣溫變化對混凝土內部結構溫度產生顯著影響，并在多重因素影響下引發裂縫。大體積混凝土項目施工過程中，溫度控制是質量控制的有效措施，通過提高混凝土配合比科學性，合理安排澆筑順序，應用保溫材料降低混凝土內外溫差，設定合理澆筑時間，采取自動化監測技術實現溫度控制與實時調整，為有效控制大體積混凝土內外溫度確保施工質量奠定基礎。該文所述工程實踐中，大體積承臺施工階段通過合理的溫度控制措施，將混凝土內外溫度控制在既定范圍內，未出現溫度裂縫現象，提高了項目質量，保障了其經濟效益，相關溫控技術與措施為同類項目建設提供了參考。