冬期大體積混凝土施工中溫度裂縫的控制

武　光

摘要：結(jié)合遼寧省朝陽市黃河路大橋在低溫條件下對承臺大體積混凝土施工溫度裂縫的有效控制，介紹在低溫條件下進行大體積混凝土施工中溫度裂縫控制的相關(guān)經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：低溫 大體積混凝土 溫度裂縫控制

1 工程概況

遼寧省朝陽市黃河路大橋全長508.32米，主橋為三跨雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土自錨式懸索橋，主跨為180米，邊跨為73米，全長326米。主橋索塔基礎(chǔ)墩（4#、5#墩）承臺結(jié)構(gòu)尺寸為11×11×4米的立方體結(jié)構(gòu),每個承臺設(shè)計C30混凝土484方,整個承臺混凝土采取一次澆注；同時根據(jù)工期要求，承臺混凝土需要在3月上旬進行澆注，由于地處東北地區(qū)，3月平均氣溫在－8℃左右，因此該承臺混凝土屬低溫條件下的大體積混凝土施工。

2 混凝土溫度裂縫的理論分析

在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運轉(zhuǎn)過程中，溫度變化對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。

2.1 裂縫的原因 混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等?；炷劣不陂g水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫。混凝土是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1/10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104，長期加荷時的極限位伸變形也只有（1.2～2.0）×104由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對于進行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工極為重要。

2.2 溫度應(yīng)力的分析

2.2.1 根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個階段：①早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天。這個階段的兩個特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。②中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個時期中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。③晚期：混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

2.2.2 根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：①自生應(yīng)力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。②約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。

3 大體積混凝土溫度控制措施

通過對產(chǎn)生溫度裂縫的機理分析，針對承臺混凝土體積較大，并在低溫下施工的特點，我單位對溫度裂縫的控制尤其重視，主要采取“降低水化熱、內(nèi)排外保、加強養(yǎng)護”的方法來防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

3.1 降低水化熱

主要通過混凝土配合比設(shè)計完成：①在保證混凝土要求的前提下，摻加一定量的粉煤灰取代水泥，減小水泥用量，降低水化熱。②摻加一定量的高效緩凝減水劑，改善混凝土的和易性，降低水灰比，同時推遲混凝土溫度高峰值的出現(xiàn)時間，相應(yīng)提高同齡期混凝土的容許拉應(yīng)力。

3.2 合理布置散熱系統(tǒng)實現(xiàn)內(nèi)排

3.2.1 混凝土內(nèi)部最高溫度計算T_MAX=T₀=(+ωθ₀)/(cρ)*ζ

式中：T₀=：混凝土的入模溫度，混凝土澆注時實際測量數(shù)據(jù)；W：每方混凝土水泥用量；θ₀=：水泥28天水化熱；c：混凝土比熱ρ：混凝土密度‘ζ：混凝土散熱系數(shù)。當(dāng)混凝土入模溫度為9℃時，計算混凝土中心最高理論溫度為65.8℃。

3.2.2 溫度控制標準 混凝土的內(nèi)表溫度差≤25℃；拆模時內(nèi)外溫差≤25℃；最大降溫速率≤2℃/天。

3.2.3 冷卻管及測溫孔布置 在承臺頂部安裝水泵，與基坑聚集地下水相連，待承臺混凝土澆筑完畢，即通入循環(huán)冷水，根據(jù)混凝土不同時期、不同位置的不同溫度情況，進行通水散熱，保證溫度梯度差小于25℃，實現(xiàn)內(nèi)排。為提供可靠的溫度數(shù)據(jù)控制混凝土內(nèi)外溫差，采取擴散狀布設(shè)不同溫度的測溫孔，對混凝土的澆注過程中、混凝土澆注完成后的不同齡期溫度進行數(shù)據(jù)采集，同時在模板外側(cè)保溫層內(nèi)側(cè)進行溫度數(shù)據(jù)采集。

3.3 混凝土的保溫與養(yǎng)護

3.3.1 混凝土的保溫 由于外界氣溫較低，為保證混凝土澆注質(zhì)量及減小混凝土的內(nèi)外溫差，在混凝土澆注前便開始采取在承臺周圍模板外側(cè)基坑內(nèi)布置蒸氣孔道排放蒸氣，并在表面利用塑料布及毛氈覆蓋，同時利用排氣量來調(diào)整模板外部溫度。

3.3.2 混凝土的養(yǎng)護 在低溫條件下養(yǎng)護主要是保證混凝土的濕度和減小混凝土表面的熱擴散，降低表面的溫度梯度，防止產(chǎn)生表面裂縫。在混凝土澆注完成后，最后一層混凝土終凝前即用毛氈覆蓋，內(nèi)部通入蒸氣進行養(yǎng)護。

3.4 嚴格控制拆模時間 根據(jù)測量混凝土的內(nèi)外溫差來決定拆模時間，直至外部溫度與混凝土內(nèi)部溫差小于25℃時才進行模板的拆除。

4 溫度變化結(jié)果分析

根據(jù)溫度數(shù)據(jù)對混凝土總體溫度變化過程分析：混凝土入模12小時內(nèi)升溫迅速，升溫近25℃，3天后溫度達到峰值62℃，隨后開始下降，下降梯度為2℃/天；11天后溫度梯度趨于平緩。溫度沿高度方向，在承臺中心偏下位置溫度最高，并延此點向上下逐漸降低，在距離頂面1米內(nèi)梯度最大。

5 結(jié)束語

朝陽市黃河路大橋主塔墩承臺模板拆除后，混凝土表面平整、光潔，未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫，由此證明所采取的溫度裂縫控制措施是有效的，總結(jié)施工過程，得出以下結(jié)論：①冬期大體積混凝土的施工首先從混凝土的配合比設(shè)計開始控制；②合理的設(shè)置降溫系統(tǒng)是大體積混凝土施工成功的關(guān)鍵；③在低溫條件下，混凝土外部升溫、保溫猶為重要。為確保大體積混凝土工程在冬期施工的質(zhì)量與進度，首先樹立以預(yù)防為主的觀點，建立以數(shù)據(jù)為依據(jù)的觀點。同時應(yīng)根據(jù)冬期施工的具體條件，進行綜合分析和計算，提出預(yù)見性的技術(shù)依據(jù)。按照技術(shù)依據(jù)制定相應(yīng)的，冬季施工質(zhì)量控制措施。