淺談加冰技術對大體積混凝土裂縫的控制

商守陳

摘要：通過對某高速公路連接線工程施工過程中的實際經驗及專家意見的總結，闡述了工程中大體積混凝土溫度裂縫產生的原因、加冰技術對混凝土溫度的影響等問題。

關鍵詞：加冰混凝土；溫度；裂縫；控制

1、概述

某高速公路連接線工程主線段高架橋全部采用雙向預應力現澆梁，混凝土強度等級為C50，采用泵送施工，要求坍落度為12-16cm。考慮到強度等級高，體積大，箱內散熱不良會引起升溫，導致出現結構性裂縫等問題。為保證工程質量，經組織專家討論分析，結合已有經驗，提出混凝土強度在早期不能發展太快，入模溫度不超過32℃，相應出廠溫度不超過30℃。

在大體積混凝土中，對溫度應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溫度裂縫，影響到結構的整體性和耐久性。其次，在運轉過程中，溫度變化對結構的應力狀態具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文僅對施工中混凝土裂縫的成因和加冰處理技術做些總結探討。

2、裂縫的原因

混凝土中產生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，混凝土的脆性和不均勻性，以及結構不合理，原材料不合格（如堿骨料反應），模板變形，基礎不均勻沉降等。本文主要介紹、分析溫度變化引起的裂縫及處理措施。

混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到基礎或老混凝上（分多次澆注的混凝土）的約束，又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現裂縫。許多混凝土的內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生劇烈變化。如養護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內部混凝土的約束，也往往導致裂縫。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，水灰比不穩定，及運輸和澆筑過程中的離析現象，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，易于出現裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應力主要是由鋼筋承擔，混凝土只是承受壓應力。在素混凝土內或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內出現了拉應力，則須依靠混凝土自身承擔。在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉時期的穩定溫度，往往在混凝土內部引起相當大的拉應力，有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力。

3、溫度應力的分析

根據溫度應力的形成過程可分為以下三個階段：

3.1早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，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形成殘余應力。

3.2中期：自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止，這個時期中，溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。

3.3晚期：混凝土完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。

根據溫度應力引起的原因可將其分為兩類：

（1）自生應力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如，橋梁墩身，結構尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在表面出現拉應力，在中間出現壓應力。

（2）約束應力：結構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力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。

這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。

4、溫度的控制和防止裂縫的措施

為了防止裂縫，減輕溫度應力可以從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。本文主要介紹溫度控制，并重點介紹加冰技術。控制溫度的措施如下：

4.1采用改善骨料級配、降低水灰比、摻加混合料、摻加外加劑等方法減少水泥用量。本項目采用添加粉煤灰（廣州電廠Ⅱ灰）、外加劑（珠海紅墻GSP-2緩凝型高效減水劑）的方法減少水泥用量。其配合比及試驗結果見表1、表2。

4.2控制水泥的出廠溫度，混凝土用料及拌和站采用遮陰防曬，并在砂石料堆上灑水降溫；拌合混凝土時在拌和水中加碎冰作為拌和水的一部分（具體在4.3中介紹）。經過這些措施，較好的降低了混凝土的出廠溫度。計算方法如下。

混凝土出機溫度計算：

T0=∑TiGiCi-80ηGc+Q/∑GiCi （1）

式中：

T0?—混凝土出機溫度，℃；

Ti-第i種材料的平均進料溫度，℃；

Gi-第i種材料的重量，Kg，見表3；

Ci-第i種材料的比熱，kcal/Kg. ℃，見表3；

Gc-每m3混凝土加冰水，Kg；

η-冰的冷量利用率，一般取0.9；

80-冰的融化潛熱，kcal/Kg；

Q-每m3混凝土拌制過程中的附加熱（包括機械熱和環境交換熱）。Kcal/ m3；

由式（1）可以看出影響混凝土出機溫度的主要材料除加冰量G外，應為GiCi的乘積。

關于Q值的確定，其包含了攪拌機械和環境交換熱，由于攪拌機非絕熱環境，必然有熱交換，所以孤立的攪拌機械熱和環境交換熱定量測定是困難的，而綜合考慮為附加熱則可通過進、出物料溫度代入（1）式求出。試驗表明，Q值隨環境溫度影響較大。表4列出了9、10、11月份對Q值的抽測結果。

在實際施工當中，由于當時處于9-11月份，廣州地區正處于高溫天氣，大部分時間氣溫高達35℃以上，用表4的材料最高溫度，砂、石的含水率分別取5%和1.5%。Q取2000kcal/ m3帶入（1）式得需加碎冰75.51Kg/ m3。根據經驗，加冰量一般不宜大于60 Kg/ m3，否則由于攪拌用水量太少，混凝土出機坍落度將難以保證，唯有盡量減少碎冰粒徑和延長攪拌時間，使冰在攪拌時間內融為水，這又影響生產速度，無法滿足泵送施工得需求；另一方面。加冰量太大，碎冰得制備、存儲、添加及計量都帶來很大困難，也無法形成大批量生產。

根據理論計算及實際經驗，如果較好的控制原材料得溫度，則只需使用冰水系統就可以達到混凝土溫度控制的目的。如水泥90℃，粉煤灰40℃，砂、石、外加劑20℃，砂、石含水率分別取5%和1.5%，Q取1500 Kcal/ m3，則只需10℃冰水，出機溫度就可降到29.6℃。由此不難看出，碎冰和冰水制備雙系統在技術、經濟和效率上都具有較大的優勢。

同時，可以通過盡量安排在晚上施工，澆筑混凝土時減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱，達到有效降低混凝土溫度；在混凝土中埋設水管，通入冷水降溫；規定合理的拆模時間，氣溫驟降時進行表面保溫，以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度；以及混凝土的早期養護措施。

5 結束語

混凝土的施工溫度與裂縫之間有著密切關系，目前同行對于具體的預防和改善措施基本上大同小異，同時在實踐中的應用效果也是比較好的。但具體施工中要靠我們多觀察、多比較，出現問題后多分析、多總結，結合多種預防處理措施，混凝土的裂縫是可以控制的。

參考文獻：

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