承臺大體積砼溫差裂縫分析及控制技術研究

寧曉飛 NING Xiao-fei

（中鐵十二局集團有限公司，太原 030000）

0 引言

混凝土凝固過程包含了3 個階段，分別為升溫期、降溫期及溫度穩定期。對于大體積砼構件而言，由于尺寸大，在砼升溫期間，水泥水化熱難以透過厚實的砼層快速散發，而是聚集在砼內部，導致砼內部出現較高溫升，而構件外部因散熱條件較好，溫升較低。當內外溫差產生的拉應力小于該齡期的抗拉應力時將產生裂縫，影響到構件的正常及安全使用，甚至出現安全故事，造成重大經濟損失。所以，砼澆筑時需避免大體積砼構件出現溫差裂縫。

1 工程概況

成昆鐵路米易至攀枝花段擴能改造工程站前工程MPZQ-5 標橋梁承臺共有52 個，其厚度為2.0～3.0m，為大體積砼施工，需進行砼溫控制，避免出現溫差裂縫，控制標準如下：

①砼入模溫度不超過25℃，盡量降低砼入模溫度。

②新澆砼與基坑巖土間的溫差≯15℃。

③養護期間，承臺內部最高溫≯65℃，內部與表面、表面與環境溫差≯20℃。

④拆模時，砼芯部與表面，表面與環境溫差≯20℃。

⑤最大降溫速率＜2℃/d。

為了確保承臺不出現溫差裂縫，本項目對大體積承臺的砼施工溫控展開研究。

2 產生溫度裂縫理論分析

2.1 砼凝固水化熱使構件內外溫差過大

水泥凝固化學反應釋放出大量的熱量，由于大體積砼構件尺寸大，內部聚集大量的水化熱無法快速地向外界散發，導致構件中心部位出現很高的砼溫升，溫升使砼體積膨脹。砼凝固后期，隨著熱量的緩慢散發，砼內部溫度逐漸降低，直至穩定。降溫過程中砼體積收縮，當砼體積收縮產生的拉應力超過砼的抗拉強度時，就會在砼內部產生裂縫[1]。由于砼彈性模量小，抗拉能力極差，故不在采取措施的情況下，大體積砼構件內部極易產生溫差裂縫，這是大體積砼構件產生裂縫的最關鍵原因。

同樣，當砼凝固時表面與外部環境存在過大溫差時，也會產生溫差裂縫，故控制砼表面與外部環境的溫差也是大體積砼溫控的目標之一。

2.2 砼干燥收縮

當砼失去內部的毛細孔及裂縫內的吸附水時，砼體積就出現干縮，干縮也是使砼構件出現裂縫的原因之一。

2.3 塑性收縮

塑性收縮出現在砼凝固前的塑性階段，由于本項目的高性能砼水膠比低，砼混合料的自由水分少，礦物細摻和材料對水的敏感性更高，高性能砼通常不會產生泌水現象，砼表面失水迅速，所以高性能砼較普通砼出現更大的塑性收縮。

2.4 自收縮

密閉砼內的濕度逐漸降低（稱自干燥），使毛細孔內水分不飽和而出現負壓，負壓使砼出現自收縮。對于本項目的高性能砼而言，自收縮與干縮率基本相等。

3 承臺砼熱工計算，產生裂縫的可能性分析

本項目橋梁承臺厚度有2m、2.5m、3.0m 等3 種，進行各不同尺寸的承臺砼澆筑前，根據實際施工條件及砼混和料材料構成進行承臺砼的熱工計算，分析承臺在水化熱作用下中間部位在各齡期的溫升值，為施工時采用的溫控措施提供決策依據。下文以最大厚度為3.0m 的承臺為例說明熱工計算方法。

3.1 施工現場條件及拌制砼所用材料及相應的參數

①施工時間及氣象資料。厚度為3.0m 的承臺共有9個，計劃施工期間為7 月12 日～8 月26 日。經向氣象臺查詢，承臺澆筑時的外部環境氣溫預計在26～35℃之間。

②砼強度等級及配合比。承臺砼設計強度等級為C40。初步選定的砼配合為：

水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶外加劑∶水=1∶1.9∶2.8∶0.23∶0.012∶0.40。

每立方砼使用水泥396kg（P.O42.5），金沙江河砂752kg（5～10mm 連續級配）、碎石1109 kg（10～20mm 連續級配），粉煤灰摻入量91kg，高效減水劑4.8kg，拌合用水160kg。

③砼拌和、運輸及澆筑方案。在拌和站集中生產，砼攪拌運輸車運輸，運距0.7km，泵送入模。

3.2 計算在上述施工條件下承臺中心溫升

①絕熱條件下最高水化熱溫升計算。

當承臺水化熱完全無散發時，絕熱溫升計算式如下：

式中T（t）—在完全絕熱條件下，澆筑承臺第t 天后承臺中間部位砼溫升（℃）；t—承臺砼齡期（d）；W—砼混和料中水泥的摻入量（kg/m3）；Q—所用水泥在28d 內所釋放的水化熱（kJ/kg）；C—砼比熱系數；ρ—砼密度；e—常數（2.718）；m—依據環境氣溫、水泥種類的不同而選擇的調整系數（d-1）。

根據本項目實際情況，W=396kg/m3，Q=375kJ/kg，C=0.97kJ/（kg.k），ρ=2450kg/m3；m=0.3d-1。

當將t 取無窮大時，將上述數據代入（1）式，可得絕熱時承臺水化熱最高溫升：

②砼中間部位實際溫升計算。

承臺中心部位存在散熱，實際溫升較絕熱溫升要低，實際溫升按（2）進行試算：

式中T1（t）—齡期第t 天時，承臺中心溫度（℃）；Tj—入模砼溫度（℃），按33℃；Th—承臺水化熱最高溫升；ξ（t）—齡期第t 天時的降溫系數。

3m 厚度承臺的t 齡期降溫系數取值和各齡期時的溫度計算如表1 所示。

表1 各齡期砼中心計算溫度

3.3 計算承臺砼各齡期時的收縮變形量

大體積承臺裂縫的產生除了主要受水化熱溫差的影響外，還受砼干燥收縮、塑性收縮、自收縮的影響，故需考慮上述收縮的影響[2]。承臺砼各齡期各種類型的收縮變形量按（3）式進行計算：

式中：ε0y—在標準狀態下，砼收縮變形的最終值，按3.24×10-4；M1～M11為不同條件下的修正系數，與水泥細度、砼水膠比、砼膠漿量有關。

查閱《大體積混凝土施工標準》（GB50496-2018），根據本項目承臺實際情況取值，得：M1=1.0，M2=1.0，M3=1.21，M4=1.2，M5=1.0，M6=1.1，M7=1，M8=0.68，M9=1.3，M10=0.89，M11=1。將砼不同齡期參數代入（3）式得表2。

表2 各齡期砼收縮變形量

3.4 收縮變形換算為當量溫差

將承臺砼收縮變形按不同齡期下換算為當量溫差，按（4）式進行計算。

式中：Ty（t）—砼在第t 天齡期變形當量溫差（℃）；α—混凝土的熱膨脹系數，按1.0*10-6m/℃。

3.5 計算砼承臺各齡期中心部位與表面的溫差

式中：ΔT—承臺中心部位與表面的溫差（℃）；T0—砼入模溫度，按33℃；K—折減系數，按2/3；T（t）—齡期第t 天時的絕熱溫升（℃）；Ty（t）—齡期第t 天時的收縮當量溫升（℃）；Th—環境溫度，按28℃。

收縮變形換算為當量溫差、內外溫差計算結果如表3所示。

表3 各齡期砼收縮變形量換算成當量溫差、承臺內外溫差表

從表4 可知，以目前砼澆筑方案進行承臺施工，在不采取控溫措施的情況下，承臺內外溫差最大高達55.30℃，承臺將產生溫差裂縫，故本項目需采取有效的控溫措施，確保承臺砼不出現溫差裂縫。

4 本項目采取的降溫、控溫措施

依上文的產生溫差裂縫的理論分析及熱工計算結果，本項目經技術、經濟等各方面的比選，采取如下的控溫措施。

4.1 優化砼配合比

進行砼配合比的優化，改用火山灰水泥，進一步降低水化熱；選用優質粉煤灰，并提高粉煤灰的摻量，降低水泥用量，從而減少水化熱；摻入高效減水緩凝劑，減緩砼凝固進程，減輕水化熱的集中生成，以減少最大溫升峰值。采用的施工配合比如表4 所示。

表4 砼配合比

選用針片狀少，含泥量低（含泥量控制在1%內）的連續級配（5～31.5 連續級配）碎石，使用前對碎石進行檢測，如不符合篩分曲線，采取換料，或是人工配料，確保符合篩分曲線。高品質及良好級配的碎石能夠加強砼密實度，提高強度，增強砼抗裂性能。

選用潔凈（含泥量控制在1.5%內）的河砂，其細度模數＞2.5。以降低砼收縮、徐變及干縮。

4.2 降低砼入模溫度

拌和站附近有山泉水，水溫為18℃，經化驗，山泉水為合格的拌合用水。故采用山泉水作為拌和用水，檢測表明，能降低砼溫約5℃，效果明顯。

砂石料等搭設料庫遮陽存放，盡量減低材料溫度。

4.3 承臺內設置冷水管和測溫設備

4.3.1 承臺內設置水冷水管

由于承臺厚度較大，且較高強度砼水泥用量較大，普通控溫措施難以達到目標要求。采取于承臺砼內預埋冷水管[3]，利用管內流水將水化熱帶出，冷水管布置如圖1、圖2所示。水管采用壁厚3mm 的?48mm 薄壁鐵管，以利熱量的傳導。水管采用絲扣套筒進行連接。按設計完成預埋冷水管的安裝后，對水冷系統進行通水試壓試驗，認真檢查全部接頭，不得出現漏水現象；在鋼筋綁扎、砼澆筑時做好冷水管的保護，避免造成管路損壞。

圖1 冷水管布置立面示意圖

圖2 冷水管布置平面示意圖

在最下層冷水管被砼覆蓋后開始通水，停水時間通過分析溫測結果而決定。

4.3.2 測溫設備

在承臺內設置測溫管共5 組，其中承臺4 個邊角距邊緣1m 處各設置1 組，承臺中心部位設置1 組。每處于砼內預埋1 組測溫管，測溫管與承臺頂面垂直，測溫管與承臺鋼筋焊接固定。每組測溫管分別于距承臺上、下表面10cm 及中心部位設置測溫點。

采用便攜式建筑電子測溫儀測溫。完成砼澆筑，覆蓋養生時開始測溫，前4d 每2h 測1 次，以后每4h 測1 次，直至達到規范所要求方可停止測溫。

4.4 砼施工措施

4.4.1 砼澆筑方法

砼澆筑從承臺一側開始，按斜向分層、逐層推進、一次到頂的方法澆筑，斜向按砼自然流淌坡度。為避免出現施工裂縫，砼澆筑時，在每層砼初凝前覆蓋上層砼，以確保上下層澆筑的間隔小于砼初凝時間。

砼分層厚度控制在≯60cm；同時澆筑上、下層時，澆筑面保持≯1.5m 的距離。

4.4.2 砼振搗

振搗砼分3 道進行，砼坡腳為第1 道，砼坡的中間為第1 道，砼坡頂為第3 道。3 道振搗配合實施，每道設置2部振搗棒，專人嚴格按要求實施振搗。

4.4.3 表面處理

振搗完畢后及時進行修整、抹面。采用刮杠刮平砼面，再均勻灑布5mm～25mm 碎石，用木抹拍實抹平，反復搓壓數遍。

砼初凝前為避免面層起粉及塑性收縮，再進行多次搓壓。最后一次搓壓時采用“邊掀開、邊搓壓、邊覆蓋”的措施。使其表面密實。

4.4.4 混凝土養護

養護設專人負責。承臺砼面壓平、初凝后灑水濕潤砼表面，然后覆蓋塑料薄膜，薄膜下設置補水軟管，軟管按每10cm 開1 個5mm 出水孔，砼表面干燥時向管內注水，薄膜上覆蓋保溫材料，保溫材料及厚度需按控溫計算而定，夜間保溫材料嚴密覆蓋，避免砼暴露；午間高溫時，根據測溫數據，可揭開保溫材料適當散熱。

5 溫控監測數據及分析

圖3 為本項目厚度3m 的承臺中間測溫點的曲型砼溫監測圖，砼溫峰值約在砼澆筑后85h 時出現。上、中、下測點的溫度峰值分別為61.7℃、48.8℃、47.2℃。砼內部最高溫、內外溫差及降溫速率等均達到控測的目標要求。

圖3 承臺中心砼溫變化圖

6 結束語

本項目52 個大體積砼承臺均已澆筑完成，澆筑時采取了上述的控溫防裂縫技術措施。在養護期間嚴格進行溫度監測，分析監測數據，通過調整養護方案及冷水管水流速度、進水溫度等方法進行溫度控制。經組織多方檢測驗收，澆筑的承臺表面表滑平整，內部密實無裂縫，表明本項目所采用的溫控技術措施是科學可行的。