橋梁承臺大體積混凝土溫度裂縫控制技術研究

■謝江平

（福建省高速公路有限責任公司三明管理分公司，三明 365000）

1 引言

隨著工程建設規模的不斷增大，大體積混凝土結構的應用也愈發廣泛，在滿足強度、剛度、整體性和耐久性的設計要求的同時，控制溫度應力和溫度變形裂縫的擴展，成為大體積混凝土質量控制的關鍵。本文以福建省泰寧縣金湖2號大橋為工程背景，通過原材料選用、施工工藝控制、混凝土養護等溫控措施，詳細闡述了如何有效防止大體積混凝土溫度裂紋的產生。

2 工程概況

金湖2號大橋為福建省泰寧縣“鎮鎮有干線”下渠至大龍公路控制性工程，采用三跨（66m+120m+66m）現澆連續剛構橋型式，1#墩承臺尺寸為10.5m×10.5m×3.5m，根據我國 《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ 55-2000）的規定，1#墩承臺屬于典型的大體積混凝土結構。混凝土強度等級為C30。

3 溫度裂縫產生機理

由于導熱性差，大體積混凝土內部降溫速度慢，而外部降溫速度很快，外部收縮大于內部收縮，這種內外收縮的差異使得混凝土內部給外部起了約束的作用，使混凝土外表面產生了拉應力。當內外溫差過大時，拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土表面產生裂縫。

澆筑后升溫過程中混凝土的彈性模量很小，受到邊界約束時產生的壓應力很小。而降溫過程中，彈性模量迅速增大，約束產生的拉應力也隨之增大，且抵消前期壓應力后還存在很大的剩余拉應力。當剩余拉應力大于混凝土此時的抗拉強度時，結構便出現內部收縮裂縫，若與外表面裂縫連接便形成了貫穿裂縫。

內部的水分蒸發散失也會引起混凝土體積收縮。由于混凝土表里溫度不均勻，失水收縮變形也隨之不均勻，平均的失水收縮又有利于溫度變形引起的應力，也可能導致混凝土開裂。

4 有限元模型計算

采用MIDAS/Civil有限元軟件，取承臺1/4部分建立有限元模型，考慮混凝土澆筑溫度、施工間歇期、混凝土水化熱的放熱規律、養護方式、冷卻水管降溫、外界氣溫變化、混凝土彈性模量變化、樁基約束以及混凝土徐變等因素，模擬計算承臺混凝土溫度及應力場的分布情況，仿真計算結果顯示：承臺最高溫度出現部位在承臺中心區域，最高溫度為54.7℃（如圖1所示）；底部混凝土由于樁基及內外收縮的約束，受到主拉應力最大，不同齡期的最大主拉應力如表1所示。

圖1 承臺混凝土最高溫度示意圖

表1 底部混凝土最大主拉應力

從表1結果可以看出，承臺混凝土早期溫度拉應力發展很快，而后期溫度拉應力發展緩慢，其中14d的最大主拉應力為1.99MPa，所以溫控防裂的重點應在控制混凝土早期裂縫。

5 溫度裂縫控制措施

5.1 合理選用原材料和配合比

混凝土原材料的質量及其配合比設計是大體積混凝土裂縫控制的一個重要的因素。

5.1.1 原材料的選用

在大體積混凝土工程中，水泥應盡量選用水化熱低，凝結時間長的水泥。骨料要盡量選用粒徑較大、級配良好的骨料，同時嚴格控制砂石的含泥率和石子中的針狀和片狀顆粒的含量。粉煤灰不僅可以降低水化熱、改善混和易性，而且進一步改善了混凝土內部的孔結構，減少混凝土收縮。1#承臺選用混凝土原材料如下：

（1）水泥：選用水化熱低的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

（2）骨料：選用 4.75～31.5mm 碎石，針、片含量＜10%，含泥量不大于1%，級配良好。砂為河砂，含泥量不大于5%，細度模數大于2.53。

（3）粉煤灰：摻加磨細的Ⅰ級粉煤灰。

（4）外加劑：摻入適量的高效減水劑與緩凝劑。

5.1.2 混凝土配合比設計

配合比方面在滿足混凝土強度等級的前提下，盡量減少水泥的用量、降低水灰比、減小坍落度，同時摻入適量的外加劑，可以改善混凝土的性能，節約水泥，降低水化熱。

根據《普通混凝土配合比設計規程》與《大體積混凝土施工規范》；試驗確定的承臺混凝土配合比如表2所示：

表2 1#承臺混凝土配合比（kg/m3）

5.2 施工工藝控制

5.2.1 控制混凝土入模溫度

混凝土入模溫度直接影響到混凝土的內部最高溫度，因此要嚴格控制混凝土出機溫度和澆筑溫度。

首先要降低骨料溫度。料倉采用頂蓬遮蓋以減少陽光照射，澆注前對砂石進行灑水降溫（注意砂石含水率變化）；骨料盡量堆高，底層取料。

二是要降低水的溫度。據相關研究發現：水溫每降低1℃，可使混凝土出機口溫度降低0.2℃左右；因此，拌和用水預先放入地下蓄水池中降溫，用低溫水拌和。

三是夜間澆筑混凝土，避開當日高溫時段。

5.2.2 控制混凝土澆筑工藝

大體積混凝土的澆筑工藝一般可分為：水平全面分層、水平分段分層及斜面分層三種形式。根據項目自身特點，1#承臺采用水平全面分層澆筑方式。根據有限元仿真計算結果，由于底部混凝土受到樁基約束，溫度應用較大；因此，1#承臺分二層（第一層1.5m，第二層2m）水平全面分層澆筑。

每一分層混凝土澆筑遵循“同時澆搗、分層推進、一次到頂、循序漸進”原則，按30cm分層，在下一層混凝土初凝前完成上一層的混凝土澆筑。

上分層澆筑前應清除下分層混凝土表面浮漿，并拉毛處理。

5.3 設置冷卻管

5.3.1 冷卻管埋設

根據混凝土內部溫度分布特征，承臺內部冷卻水管按照冷卻水由熱中心區域流向邊緣區的原則分層分區布置，且上下層冷卻水管相互交錯，每層冷卻管進、出水口相互錯開。

承臺混凝土沿厚度方向布置3層Φ50mm的冷卻水管，水管水平間距為0.8m（見圖2）。

圖2 冷卻管平面布置圖

5.3.2 通水冷卻

冷卻水管在使用前應進行壓水試驗，防止管道漏水、阻水。

混凝土澆筑到各層冷卻水管標高后開始通水，流速應大于 60cm/s；保證冷卻水管進水溫度與混凝土內部最高溫度之差不應超過25℃。通水時間可根據檢測結果確定。當溫度經過最高點開始下降后，應通過調節冷卻水的流量以控制降溫速度。

為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，澆筑下層混凝土時，對上層混凝土采用二次通水冷卻。

5.4 混凝土養護

混凝土澆筑完畢后，及時覆蓋養生草袋，對其進行保溫保濕養護。保溫養護可降低大體積混凝土澆筑塊體的內外溫差值，從而降低混凝土塊體的自約束應力。混凝土灑水養護7d，保持混凝土表面濕潤，避免出現表面干裂收縮。

6 溫度監測及數據分析

為了掌握混凝土內部的最高溫升及中心部位與表面部位的溫度差，以指導溫度控制技術措施，根據承臺混凝土的結構特點、結構的對稱性和溫度變化的一般規律，在承臺內部共布設2層溫度傳感器，共10個。

溫度測試在混凝土澆筑后立即進行，連續不斷。混凝土的溫度測試，峰值以前每2h監測一次，峰值出現后每4h監測一次，持續5d，然后轉入每天測2次，直到溫度變化基本穩定為止。采用PN結溫度傳感器測得承臺混凝土內部溫度場各特征參數。

按照《混凝土結構工程施工及驗收規范》（GB50204-2002）的規定：“大體積混凝土表面和內部溫差控制在設計要求的范圍內，當設計無具體要求時，溫差不宜超過25℃”。由表3可知，由于溫控措施到位，大體積混凝土溫度控制效果良好。

表3 承臺混凝土內部溫度場特征參數

7 結語

綜上所述，在混凝土終凝、拆模、混凝土28d齡期及經歷一個冬季后等不同階段，混凝土表面均未出現裂紋。因此，在大體積混凝土施工過程中，通過優選混凝土原材料和優化混凝土配合比、控制好混凝土澆筑工藝、布置冷卻水管進行通水冷卻、以及混凝土養護等溫控措施，可以有效的控制大體積混凝土的內表溫差，避免混凝土裂縫的產生。

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制.[M].北京：中國電力出版社，1999.

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