淺談加冰技術對大體積砼裂縫的控制

佛山市路橋建設有限公司 528000

摘要：通過總結承臺大體積砼施工過程中的經驗及專家意見，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的探討。

關鍵詞：大體積砼；溫度；裂縫；控制；加冰水

1、概述

佛山市龍灣大橋主橋承臺尺寸為44.6×17.6×5.5，總體積為4325.8m3，混凝土強度等級為C30，采用泵送施工，要求砼的坍落度為12-16cm?？紤]承臺體積大，承臺內部散熱不良引起升溫，容易出現結構性裂縫，經專家討論分析，結合已有經驗，應控制砼早期強度不能發展太快，入模溫度不超過32℃，相應出廠溫度不超過30℃，控制砼的內外溫差在25℃以內。

2、產生裂縫的原因

在大體積混凝土中，對溫度應力及溫度控制具有重要意義。在砼凝固初期，由于各種原因，砼常常出現溫度裂縫，影響結構的整體受力和耐久性。砼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、設計結構的不合理、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。

砼硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在砼表面引起拉應力，在后期降溫過程中，由于受到基礎或連接部位砼的約束，在混凝土內部出現拉應力；氣溫降低也會在混凝土表面產生拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時在砼表面出現裂縫。砼的內部濕度變化較慢，但表面濕度因砼養護不周、時干時濕等原因變化較大，表面干縮形變受到內部砼的約束，也往往產生裂縫。砼是一種脆性材料，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，運輸和澆筑過程中的離析現象，在同一部位砼中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力較低，易出現裂縫的薄弱部位。在鋼筋砼中，拉應力主要是由鋼筋承擔，砼只承受壓應力，在素砼內或鋼筋砼邊緣部位，出現了拉應力則由混凝土自身承擔。在施工中砼由最高溫度冷卻到穩定時期的常溫，往往在混凝土內部引起較大的拉應力，有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力，必須引起足夠的重視。

3、溫度應力的分析

溫度應力的形成分為三個階段：

3.1早期：自澆筑砼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：水泥水化熱結束時起至混凝土冷卻到常溫，溫度應力主要是由于砼的冷卻及外界氣溫變化所引起，這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：混凝土完全冷卻后的穩定期。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疊加。

根據溫度引起的應力可分為兩類：

（1）自身應力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，由于內部溫度是非線性分布的，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，砼冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在砼表面出現拉應力，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，如箱梁頂板鋼筋砼和護欄鋼筋砼。

這兩種溫度應力往往和砼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這兩個方面控制。本文主要介紹溫度控制，重點介紹加冰技術的應用?？刂茰囟鹊拇胧┤缦拢?/p>

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。本承臺采用添加粉煤灰、外加劑的方法減少水泥用量。其配合比及試驗結果見表1、表2。

表1

設計材料用量（Kg/m3）

CFSGWOCSP-2SL（mm）

420100608103415812.50160

表2

和易性凝結時間（h）抗壓強度結果（Mpa）

良好初凝終凝1d3d5d7d14d28d

微粘13：2715：5714.317.821.925.628.734.5

4.2混凝土用料及拌和站采用遮陰防曬、砂石料灑水降溫、拌合砼時在拌和水中加冰水作為拌和水的一部分（具體在4.3中介紹）。經過這些措施，較好地降低了砼出廠溫度。計算方法如下：

砼出機溫度計算：

T0=∑TiGiCi-80ηGc+Q/∑GiCi （1）

式中：

T0 —砼出機溫度，℃；

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砼加冰水，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砼拌制過程中的附加熱（包括機械熱和環境交換熱），Kcal/ m3；

表3

材料水泥粉煤灰砂5-10石10-25石外加劑水冰

比熱kcal/kg.℃0.1840.1840.2290.2290.229110.5

最低溫度7035181717185-3

最高溫度90503331313131-3

由式（1）可以看出影響砼出機溫度的主要材料除加冰量G外，還與各種材料的用量、比熱有關。

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，通過綜合考慮附加熱則可將進、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8、9、10月份對Q值的抽測結果。

承臺在8～10月份施工，佛山地區正處于高溫天氣，大部分時間氣溫高達35℃以上（見表4），砂、石的含水率分別取5%和1.5%，Q取2000kcal/ m3代入（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，砼出機坍落度將難以保證，如采用添加碎冰的方法，必須采用粒徑小碎冰和延長攪拌時間，使冰全部攪拌變為水，這將影響生產速度，無法滿足泵送施工的需要；另一方面，加冰量太大，碎冰的制備、存儲、添加及計量都增加許多設備，增加施工成本。

根據理論計算及實際經驗，如果較好的控制原材料的溫度，則只需使用冰水系統就可以達到控制砼溫度的目的。如材料的平均進料溫度，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%，