林歡

（92301 部隊(duì)，北京 100166）

編者按：該文的觀點(diǎn)是作者基于某次大體積混凝土試驗(yàn)，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的圖形并依據(jù)作者長期的施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出的一個(gè)設(shè)想。但作者未能從裂縫機(jī)理上分析論證其設(shè)想，亦未作進(jìn)一步的試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)想。

該設(shè)想有待進(jìn)一步證實(shí)，本刊希望更多的業(yè)內(nèi)人士能夠參與本課題的研究與論證。

大體積混凝土施工中裂縫控制問題是工程技術(shù)人員繞不開的話題，為防止裂縫的產(chǎn)生，多是參照 GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求和現(xiàn)行通用做法組織施工，就部分工程師而言，因類似的工程應(yīng)用對比經(jīng)驗(yàn)不多，加之目前的施工技術(shù)缺乏能讓人產(chǎn)生共識(shí)且簡單易行、立竿見影的解決辦法，有些工程的控裂施工效果還不盡人意，裂縫問題時(shí)有發(fā)生。筆者結(jié)合實(shí)際工程控裂措施和效果的分析認(rèn)為，對混凝土進(jìn)行緩凝是解決大體積混凝土施工裂縫控制難題的重要措施。

1 緩凝控制裂縫的雙重作用機(jī)理

眾所周知，大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因是內(nèi)表溫差或表外溫差過大，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力超出其極限值而引起。GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》的要求是將內(nèi)表溫差控制在 25℃ 以內(nèi)，表外溫差控制在 15℃ 以內(nèi)。目前，通行的解決辦法有降溫法和保溫法兩大類。降溫法主要包括使用中低熱水泥、用礦物摻合料替代部分水泥、內(nèi)部鋪管通水降溫、骨料降溫等等。保溫法是在混凝土凝固之后，用保溫材料進(jìn)行覆蓋，或是蓄熱水養(yǎng)護(hù)保溫等等。多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，上述方法雖是目前通行的做法，也有許多成功的經(jīng)驗(yàn)，但是，失敗的案例也并不少見，且實(shí)際操作費(fèi)工費(fèi)時(shí)，同時(shí)，還會(huì)增加工程建設(shè)成本。

緩凝是解決當(dāng)前大體積混凝土裂縫控制問題的有效方法之一，現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)也都有提及，但缺乏足夠的量化控制指標(biāo)。文獻(xiàn)中對緩凝作用的解釋也僅限于緩解升溫，即讓更多的熱量在混凝土終凝前散發(fā)出去并有效降低最高溫度峰值，相應(yīng)地也就能起到減少混凝土內(nèi)表溫差和表外溫差的作用。另外，目前研究發(fā)表的緩凝對大體積混凝土控裂作用的文章資料相對較少，力度不夠，故沒能引起足夠的重視和廣泛應(yīng)用。

其實(shí)，緩凝措施既不屬于上述降溫法的范疇，也不屬于保溫法的范疇，而是另辟蹊徑，是在讓最高溫度峰值有所下降的前提下，通過增大無害溫差來相應(yīng)降低有害溫差，避免有害溫差過大而導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生裂縫，這是緩凝措施的核心作用所在。對應(yīng)現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的“溫差”，我們先來定義兩個(gè)術(shù)語，一個(gè)是“無害溫差”，另一個(gè)是“有害溫差”。混凝土凝固（終凝）之前的內(nèi)表溫差或表外溫差我們定義為“無害溫差”，因?yàn)榛炷聊糖暗臏夭畈粫?huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，對混凝土不構(gòu)成裂縫危害?；炷聊讨笮略黾拥膬?nèi)表溫差或表外溫差我們定義為“有害溫差”，因?yàn)樗鼤?huì)使已經(jīng)凝固的混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，是造成大體積混凝土開裂的真正原因。

對于已按強(qiáng)度等級配制好的混凝土和特定的環(huán)境而言，在沒有采取緩凝措施的前提下，混凝土最大內(nèi)表溫差和最大表外溫差是基本不變的，相應(yīng)的無害溫差和有害溫差也是基本不變的。當(dāng)采用緩凝措施之后，最高溫度峰值會(huì)有所下降，相應(yīng)的最大內(nèi)表溫差和最大表外溫差也會(huì)有所調(diào)整，但重要的是，隨著緩凝時(shí)間的延長，在表層和內(nèi)部混凝土發(fā)熱量相同的情況下，因表層散熱快、溫升慢，而內(nèi)部散熱慢、溫升快，導(dǎo)致混凝土凝固前的內(nèi)表溫差隨時(shí)間推移而逐漸增大，相應(yīng)的凝固后新增加的內(nèi)表溫差也就會(huì)減小，使有害溫差顯著降低，這就是緩凝措施最有價(jià)值的作用所在。而目前通行的溫差計(jì)算方法僅考慮實(shí)測最大內(nèi)表溫差，未將混凝土凝固前的無害溫差扣除，使緩凝措施的雙重作用不能完全真實(shí)地體現(xiàn)出來，溫差計(jì)算結(jié)果不盡人意也就在情理之中，由此，其應(yīng)用也就難以形成廣泛共識(shí)而得到全面推廣。

由于緩凝措施具有能降低最高溫度峰值和降低有害溫差的雙重作用，溫控效果十分明顯，加之施工方法簡單，現(xiàn)場管控?zé)o特殊要求，且建設(shè)成本不需增加，只需在配合比設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)環(huán)境溫度和緩凝時(shí)間要求，將減水劑調(diào)整為緩凝型減水劑即可，所以，緩凝措施是解決當(dāng)前大體積混凝土施工裂縫控制問題最簡單、最有效、最經(jīng)濟(jì)的方法。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2013 年 6 月，我部會(huì)同國家建材院在海南三亞進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)的目的就是用數(shù)據(jù)來分析驗(yàn)證緩凝作用的效果及相關(guān)技術(shù)規(guī)程的制定。為了與施工現(xiàn)場混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，我們選擇的試驗(yàn)結(jié)構(gòu)模型尺寸為長5 米、寬 4.6 米、高 3 米，體積總方量為 70 立方米，配制的混凝土強(qiáng)度為 C40。

鑒于海南三亞 6 月份氣溫較高，且模型尺寸大，我們將初凝時(shí)間定為大于 20 小時(shí)，終凝時(shí)間小于 36 小時(shí)。另外，為了盡可能減少水化熱，降低絕熱升溫，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，我們選擇與施工現(xiàn)場的實(shí)際配合比相同，都用礦渣粉和粉煤灰來替代部分水泥。

采取緩凝措施后，混凝土的初凝時(shí)間為 26.5 小時(shí)，終凝時(shí)間為 32.5 小時(shí)。表 1 是大體積混凝土模型試驗(yàn)過程溫度記錄表，其中內(nèi)表溫差是每個(gè)測溫時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的 7 個(gè)表層溫度平均值與 3 個(gè)內(nèi)部溫度平均值之差，外表溫差為每個(gè)測溫時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)的 7 個(gè)表層溫度平均值與 3 個(gè)外界氣溫平均值之差。

表 1 大體積混凝土模型試驗(yàn)過程溫度記錄表

由表 1 可知，終凝時(shí)的無害內(nèi)表平均溫差為11.3℃，無害表外平均溫差為 4.1℃，終凝后的最大內(nèi)表平均溫差為 29.2℃，最大表外平均溫差為 17.5℃。按傳統(tǒng)的計(jì)算方法，最大內(nèi)表平均溫差和最大表外平均溫差均超出規(guī)范要求，如將無害平均溫差扣除，則實(shí)際最大內(nèi)表有害平均溫差為 17.9℃（29.2℃-11.3℃），最大表外有害平均溫差為 13.4℃（17.5℃-4.1℃），兩者均滿足規(guī)范要求。另外，通過對結(jié)構(gòu)模型一年多的外觀檢查和鉆芯取樣分析，均未發(fā)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)性裂縫發(fā)生，試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于施工現(xiàn)場相同強(qiáng)度配比和體量而未采取緩凝措施的實(shí)體結(jié)構(gòu)。

如僅從實(shí)測的最大內(nèi)表平均溫差 29.2℃ 這一結(jié)果來看，已大大超出規(guī)范小于 25℃ 的控制要求，按常理結(jié)構(gòu)模型會(huì)出現(xiàn)裂縫，可實(shí)際情況并非如此，這恰好反過來證明，緩凝的核心作用在于有效降低最大有害內(nèi)表溫差，而不是通常所理解的僅降低最大內(nèi)表溫差。

另外，依據(jù)內(nèi)表平均溫差和表外平均溫差實(shí)測數(shù)據(jù)分析，如施工條件允許，應(yīng)盡可能將終凝時(shí)間定在晚上環(huán)境氣溫較低的時(shí)候來反推混凝土澆筑時(shí)間，這樣，更有利于提高混凝土終凝時(shí)的無害內(nèi)表溫差和無害表外溫差，相應(yīng)的也就能有效降低最大有害內(nèi)表溫差和最大有害表外溫差。

圖 1 是根據(jù)表 1 數(shù)據(jù)繪制的有害溫差區(qū)域圖。其中上下兩條虛線分別顯示的是，終凝后對應(yīng)每一時(shí)間點(diǎn)混凝土有害內(nèi)表溫差計(jì)算的起點(diǎn)溫度和有害表外溫差計(jì)算的起點(diǎn)溫度，前者起點(diǎn)溫度是表層溫度加上終凝時(shí)的無害內(nèi)表溫差 11.3℃，后者起點(diǎn)溫度是外界氣溫加上終凝時(shí)的無害表外溫差 4.1℃。

從圖 1 可以看到，隨著時(shí)間的推移，內(nèi)部溫度曲線越來越陡，而表面溫度曲線相對較緩，由此可知，緩凝時(shí)間越長，特別是從初凝到終凝的時(shí)間越長，終凝時(shí)的無害溫差就會(huì)越大，終凝后的有害溫差也就會(huì)越小，對控制裂縫也就越有利。

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的降溫方法，就其單項(xiàng)措施而言，也就能降低有害溫差 3～5℃ 左右，而本次緩凝試驗(yàn)結(jié)果卻能有效降低有害溫差在 10℃ 以上，可見，緩凝是當(dāng)前解決大體積混凝土施工裂縫控制問題最有效的方法。

另外，采用緩凝措施施工的大體積混凝土，當(dāng)內(nèi)部溫度自然下降到內(nèi)外保持平衡狀態(tài)之后，混凝土終凝時(shí)的無害溫差將會(huì)轉(zhuǎn)化為壓力差，這一長期存在的外小內(nèi)大的壓力差，對抵御北方嚴(yán)寒地區(qū)溫度驟變將會(huì)起到積極有效的緩解作用，增強(qiáng)碼頭、大壩等室外環(huán)境大體積混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂性和耐久性。

3 結(jié)語

在大體積混凝土廣泛應(yīng)用的今天，其施工裂縫控制問題越來越引起人們的高度重視，就當(dāng)前已知的裂縫控制措施而言，緩凝的方法具有更廣泛的適用性、效用性和經(jīng)濟(jì)性。依據(jù)上述數(shù)據(jù)分析可以推定，在采取恰當(dāng)緩凝措施的前提下，如在配合比設(shè)計(jì)時(shí)將最高溫度峰值控制在 80℃ 以內(nèi)，或是絕熱溫升控制在 50℃ 以內(nèi)，將大體積混凝土視為普通混凝土來組織施工和質(zhì)量管控是完全可能的，這也必將會(huì)受到建設(shè)者的喜愛和廣泛應(yīng)用，促進(jìn)混凝土施工技術(shù)的科學(xué)發(fā)展。

圖 1 有害溫差區(qū)域圖