基于土木工程大體積混凝土施工技術(shù)的研究

張耀

（山西三建集團(tuán)有限公司 山西太原 030024）

1 大體積混凝土溫度裂縫成因

相比之下，混凝土抗拉強(qiáng)度較低，一般只占抗壓強(qiáng)度的1/10～1/20，因此當(dāng)其受拉時，極易在細(xì)微變形下產(chǎn)生裂縫，一旦混凝土抗拉強(qiáng)度不足以抵抗所受拉力時，便會越過殘余變形直接發(fā)生脆性斷裂。受其自身屬性的影響，大體積混凝土所受溫度變化影響敏感，實(shí)踐證明：大體積混凝土結(jié)構(gòu)自身溫度每升高1℃，其每米便會膨脹大約0.01mm。混凝土澆筑初期，在其硬化過程中因水化反應(yīng)會釋放出大量熱量，并且由于混凝土為熱的不良導(dǎo)體，在散熱緩慢的情況下，必然會導(dǎo)致其內(nèi)部溫度升高且大于外部溫度，進(jìn)而使混凝土結(jié)構(gòu)因內(nèi)部受壓、外部受拉的溫差應(yīng)力的產(chǎn)生而在表面發(fā)生裂縫。隨著混凝土強(qiáng)度的逐漸提升，其彈性模量隨之增大，其后便會進(jìn)入降溫階段，此時混凝土?xí)蚪禍夭疃l(fā)生變形，加之其體積因失水而收縮，以及外部荷載的作用，致使綜合產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時，表面裂縫則會發(fā)育為貫穿性裂縫。

2 大體積混凝土溫度應(yīng)力分析

2.1 澆筑初期

混凝土內(nèi)部溫度因水化熱的釋放而升高，此時在膨脹作用下使構(gòu)件內(nèi)部受壓而外部受拉，并且隨著齡期的不斷增長，該階段開始至水化熱釋放結(jié)束（持續(xù)約30d）混凝土彈性模量會發(fā)生急劇變化。

2.2 澆筑中期

混凝土內(nèi)外溫差呈減小趨勢，受外界約束其內(nèi)部受拉而表面受壓，疊加早期殘余應(yīng)力后總體溫度應(yīng)力減小。該階段起始于水化作用結(jié)束之時，終止于混凝土溫度冷卻至穩(wěn)定，混凝土彈性模量無較大變化。

2.3 澆筑晚期

外界氣溫變化為產(chǎn)生應(yīng)力的主要因素，疊加前期殘余應(yīng)力后溫度應(yīng)力基本穩(wěn)定且表現(xiàn)較低。該階段混凝土冷卻完全，彈性模量呈穩(wěn)定狀態(tài)。

3 大體積混凝土施工技術(shù)（溫控措施）

3.1 材料選擇

3.1.1 水泥

選擇初凝時間長、水化熱低的水泥。水化熱作為溫度應(yīng)力產(chǎn)生的主導(dǎo)因素，因此水泥選用應(yīng)以425R等級的礦渣硅酸鹽水泥為首選，其具有硅酸三鈣含量少、水化熱低、水化速度慢等特點(diǎn)，可以很好的預(yù)防混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的產(chǎn)生。

3.1.2 骨料

由于骨料級配越好，所需膠凝材料用量就會越少，因此便會減少砂的用量，并通過骨料含泥量的控制，可有效降低混凝土的收縮，同時促使極限抗拉強(qiáng)度得到提升。對于骨料含泥量的控制（砂2%，石1%），其作用不僅可以提升混凝土抗壓強(qiáng)度，同時還可減少水泥與水的用量。試驗(yàn)結(jié)果顯示：混凝土配制當(dāng)用粒徑為0.5～4cm連續(xù)級配的碎石與細(xì)度模數(shù)為3.15的中粗砂時，每立方米可減少水泥與水分別為28～35kg和20～25kg的用量。

3.1.3 外加劑

采用外加劑雙摻技術(shù)。適量粉煤灰的摻加可因水泥用量的減少而降低水化熱，其用量需經(jīng)試驗(yàn)確定，一般不大于30%；緩凝劑的使用不僅可在水化熱的釋放速率與峰值出現(xiàn)上起到延緩與推遲作用，而且還可減緩混凝土的凝結(jié)速率，延長凝結(jié)時間，推遲混凝土強(qiáng)度的早期發(fā)展，同時對于混合料和易性的改善和水泥與水用量的減少起到促進(jìn)作用，進(jìn)而達(dá)到降低水化熱的目的。

3.2 混凝土施工

3.2.1 混凝土澆筑

（1）去除混凝土表面松動石子、軟弱層及浮漿，使粗骨料露出表面均勻；

（2）新澆混凝土實(shí)施前，用高壓水槍對下層混凝土進(jìn)行沖洗，確保其表面干凈、濕潤無污物，但應(yīng)注意不得有積水；

（3）當(dāng)為非泵送與流動性較低的混凝土?xí)r，應(yīng)在實(shí)施接漿處理后方可進(jìn)行上層混凝土澆筑任務(wù)。

3.2.2 二次振搗

實(shí)踐證明，對于混凝土極限抗拉強(qiáng)度的提升，通過利用二次振搗法與二次投料水泥裹砂法便可得以實(shí)現(xiàn)。二次投料水泥裹砂法即為現(xiàn)將全部水泥、細(xì)集料以及三分之一用量的水一次投入拌制（攪拌大約60s）砂漿，完成后再次投入剩余用水與全部粗骨料，經(jīng)攪拌后制成混凝土。該法可通過改變混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)而在一定程度上改善其強(qiáng)度（提高約15%），并在入模過程中可減少離析現(xiàn)象，節(jié)約水泥20%左右。

二次振搗即為在混凝土未初凝且未達(dá)到振動界限之前實(shí)施再次振搗，其可將因泌水在水平鋼筋與粗骨料下部生成的空隙與水分進(jìn)行排除，進(jìn)而分別提升豎向鋼筋與水平鋼筋的抗拔力與握裹力，促使水密性增加，將混凝土抗壓強(qiáng)度得到提升，從而以對混凝土內(nèi)部裂縫的抑制而避免其因下沉導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。二次振搗任務(wù)實(shí)施的關(guān)鍵在于時間控制（一般為澆筑完成后1～3h），該時間以混凝土振搗后塑性狀態(tài)還可恢復(fù)為依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，亦稱振搗界限，其具體判斷一般包括兩種方法：①對混凝土插入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的振動棒，其可恢復(fù)至塑性狀態(tài)，當(dāng)拔出振動棒時，所成空洞能被混凝土自行填滿，此時便為實(shí)施二次振搗的最佳時間；②利用測定貫入阻力值法。該方法一般為國外常用，即為通過實(shí)時測定，在標(biāo)準(zhǔn)貫入阻力值未達(dá)到3.5N/mm2時實(shí)施二次振搗，此時則不會對已成型的混凝土造成損傷。

3.3 混凝土養(yǎng)護(hù)

為防止混凝土表面失水過多并為其早期水化反應(yīng)提供所需水分，大體積混凝土應(yīng)在澆筑完成12h內(nèi)開始進(jìn)行養(yǎng)護(hù)工作，養(yǎng)護(hù)方式一般采用覆蓋灑水法。此外，對于大體積混凝土內(nèi)表溫差的控制，具體應(yīng)對溫度階梯與構(gòu)件尺寸綜合考慮后合理確定，通常為不大于25℃，并且核心最高溫度不應(yīng)超過60℃，此時可認(rèn)為溫差應(yīng)力不會對混凝土結(jié)構(gòu)造成裂縫。基于此，對于大體積混凝土內(nèi)表溫差的控制可從結(jié)構(gòu)內(nèi)外同時著手，具體可對內(nèi)部通水（冷卻水）循環(huán)降溫的同時適當(dāng)提升結(jié)構(gòu)表面溫度，以此達(dá)到減小內(nèi)表溫差、降低溫度應(yīng)力的目的。具體養(yǎng)護(hù)操作時，由于混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑完成2d內(nèi)內(nèi)部溫度上升速率較快，其冷卻水循環(huán)降溫后溫度上升明顯，因此可利用混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部降溫循環(huán)出來的熱水進(jìn)行外部噴灑養(yǎng)護(hù)，以此通過外部溫度的提升來有效減小結(jié)構(gòu)內(nèi)表溫差。

4 結(jié)語（經(jīng)驗(yàn)總結(jié)）

基于以上論述，本文筆者通過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，以抑制大體積混凝土溫度裂縫為目的，建議性提出以下3點(diǎn)措施：

（1）增設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋為拉應(yīng)力的主要承受“部件”，因此可通過增設(shè)鋼筋網(wǎng)片的形式來改善構(gòu)件的約束條件，進(jìn)而提升混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂能力。布置方式可以下式（經(jīng)驗(yàn)公式）為參考：

式中：εPa為配筋后混凝土的極限拉伸；Rf為混凝土設(shè)計(jì)抗裂強(qiáng)度，MPa；ρ為結(jié)構(gòu)截面配筋率；d為鋼筋直徑，mm。

分析上式可知，通過細(xì)鋼筋、小間距的布置方式便可實(shí)現(xiàn)混凝土抗裂性能的提升，對于筏板基礎(chǔ)而言，在此建議采用φ8～16@100～200的防裂鋼筋網(wǎng)片。

（2）適量摻加纖維。混凝土摻入纖維后，其內(nèi)部會形成數(shù)以千萬計(jì)且呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維三維，此時當(dāng)冷縮與干縮現(xiàn)象于混凝土塑性階段形成時，其表面一旦與網(wǎng)狀纖維碰觸便會停止擴(kuò)展，以此對混凝土早期塑性收縮形成抑制作用，使構(gòu)件整體性得到保障。

（3）設(shè)置后澆帶。后澆帶的主要作用是減小混凝土結(jié)構(gòu)的約束范圍，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)構(gòu)件整體性的保護(hù)，其在主體混凝土澆筑30d后應(yīng)采用膨脹性水泥配制的混凝土實(shí)施澆筑處理。后澆帶間距一般按20～30m布設(shè)。