大體積混凝土溫度監測與裂縫控制
——以廈門某地鐵車站工程為研究對象

李東明

(廈門軌道交通集團有限公司 福建廈門 361004)

0 引言

目前，我國的基礎設施建設日新月異，得到了快速發展，大體積大跨度混凝土結構的應用也越來越多。與普通混凝土結構相比，大體積混凝土結構一般還具有構件體積龐大混凝土用量大，對構件的整體性防水性抗滲性等耐久性能要求較高等特點[1]，同時由于大體積混凝土尺寸厚大，膠凝材料的水化熱散發困難，則將引起混凝土溫度裂縫。這是廣大工程從業及研究人員迫切需要解決的問題之一，如若產生貫穿裂縫，混凝土的后期耐久性也就無從談起。

地鐵車站作為大體積混凝土應用的重要工程，在混凝土施工后，普遍出現裂縫，且大部分是貫穿裂縫，給混凝土結構的耐久性埋下了隱患，這對于混凝土的大量應用提出了嚴峻挑戰，且后期的修復維護費用也是一筆很大的開支。因此，有必要對混凝土內部的溫度變化進行監測。

基此，本文擬通過一系列可行措施，改善混凝土內部溫度條件，為減少混凝土裂縫提出參考借鑒。

1 大體積混凝土的定義

中國的《大體積混凝土施工規范》(GB50496-2009)，將大體積混凝土定義為最小幾何尺寸不小于1m的混凝土塊，此規定預計是由水泥基材料水化引起的，混凝土會改變溫度并收縮而產生有害裂縫。

日本建筑協會標準(JASS5)定義了大體積混凝土：當混凝土結構實體厚度超過80cm時，由于溫度和收縮，溫度應力遠大于外部載荷，溫度應力起著控制作用。

美國混凝土協會標準(ACI 207)，將大體積混凝土定義為：混凝土結構尺寸足夠大，需要采取控制措施。控制由溫度和收縮引起的裂縫的混凝土被稱為“大體積混凝土”。

前蘇聯規范中定義的大體積混凝土是：當混凝土在施工過程中被分成幾個獨立的混凝土構件時，有必要在水化熱的作用下確定各個構件的溫度。

此外，雖然德國和英國的規格沒有明確定義大體積混凝土，但已經為大體積混凝土結構的設計和施工做出了明確的規定。

從上文的表述可以看出，少部分規范對大體積混凝土的尺寸做出了明確的規定，其余的規范雖然沒有明確定義構件尺寸，但是也明確指出必須控制溫度應力引起的溫度裂縫。可見溫度裂縫在大體積混凝土中的重要影響。在地鐵車站混凝土結構施工中，溫度變化也引起很大的溫度應力，因此地鐵車站屬于大體積混凝土結構施工范疇。

2 大體積混凝土結構溫度裂縫產生的原因

大體積混凝土的主要特點就是尺寸大，水泥水化過程中產生的大量水化熱會使混凝土的內部溫度在短時間內急劇上升，但混凝土的導熱性差，導致混凝土的內部和外部溫差很大，導致混凝土內外熱膨脹和收縮不均勻，并在外部約束下產生巨大的溫度應力。當溫度應力超過混凝土的抗拉強度極限時，會引起混凝土裂縫[2]。而在降溫階段，由于混凝土溫度逐漸降低，混凝土的收縮也會受到外部約束的限制，造成較大的溫度收縮應力。當收縮應力大于混凝土的抗拉強度時，也會產生裂縫[1]。另一方面，大體積混凝土還會因為內部散熱慢溫度較高，表面部分散熱快溫度較低，使混凝土內部與表面之間收縮值相差過大，產生過大的表面拉應力，使混凝土產生表面裂縫。

堅持政治上激勵、工作上支持、待遇上保障、心理上關懷。大力弘揚系統內優秀干部的先進事跡，激發廣大干部投身事業、建功立業的熱情。完善和落實談心談話制度，定期組織干部健康體檢，積極實施帶薪年休假，完善和落實干部職工療休養、優秀公務員健康休養等制度。對有重大疾病、不適宜堅持工作的干部，探索實行離崗休養，身體恢復后根據實際安排工作。重視關愛基層干部，堅持執政重在基層、工作傾斜基層、關愛傳給基層，給基層干部給予更多的理解和支持。

3 大體積混凝土結構溫度監控與裂縫控制

3.1 工程概況

以廈門某地鐵車站工程為研究對象，進行溫度監控。地鐵車站為地下兩層島式站臺車站，車站長度209.45m，寬度19.7m，站臺寬度11m。其中，車站側墻厚度70cm，一層墻高6.56m，二層墻高4.0m，屬于超長大體積混凝土結構施工范疇。施工采用我國著名裂縫控制專家王鐵夢教授提出“跳倉法”，通過“先放后抗”的施工措施，最終以“抗為主”這一科學的施工理念，減少裂縫的產生[3]。基于跳倉法計算的結果，該車站側墻混凝土結構的跳倉施工分段一般在18m～20m之間。

3.2 溫度監測點的選取及布置

測點布置原則，應以結構可能產生最大溫度梯度的位置，一般為結構平面形狀的中心，中心對應的側邊及容易散發熱量的拐角處。地鐵車站側墻相對來說是較為規整的結構，混凝土內溫度傳感器采用正面對角線斷面對稱的方式進行布置。現場以地鐵車站側墻結構跳倉長度為18.0m，高6.56m，厚度為0.7m的倉塊為監測對象進行溫度傳感器布置。沿倉塊對角線分別在1/4和1/2位置埋設3組溫度傳感器，每組位置內側和外側距離表面50mm處(混凝土保護層厚度為50mm)及側墻中間位置，分別埋設溫度傳感器，布置方式如圖1所示。

圖1 溫度傳感器布置圖

在混凝土澆筑前，將溫度傳感器固定于預先設計的位置，使溫度傳感器測試頭遠離鋼筋，并且保證在混凝土澆筑振搗過程中，測頭不會發生位置變化；同時，將溫度傳感器所用傳輸導線牽引至合適的區域，并做固定以便保護及數據采集，導線另一端連接數據自動采集儀。

3.3 溫度監測分析

從混凝土澆筑開始計算澆筑時間，以2h/次的監測頻率記錄混凝土溫度。在混凝土澆筑后至溫升峰值點時間段，測試頻率調整為0.5h/次，以便更準確地確定溫度峰值點。混凝土澆筑塊體內相鄰兩測溫點的溫差(不含混凝土收縮的當量溫度)不大于25℃。混凝土澆筑體的降溫速率不大于2℃/d。

從混凝土澆筑開始到養護14d過程中監測的溫度變化整理后作圖，如圖2所示。

(a)編號為1-2-3溫度傳感器數據

(b)編號為4-5-6溫度傳感器數據

(c)編號為7-8-9溫度傳感器數據圖2 混凝土不同位置溫度變化監測值

基此，混凝土內部溫度峰值，基本在混凝土澆筑后的25h左右出現，溫度峰值在59.7～63.5℃之間。水化14d后，溫度均降低在24.6～28.9℃之間。混凝土澆筑后的72h內，混凝土內部溫度梯度變化較為急劇，而在混凝土澆筑72h后，混凝土內部溫度平緩下降。在同一位置，混凝土中間測點溫度最高，兩側測點溫度較低。在側墻1/2位置處，混凝土中心測點溫度達到最高為63.5℃，而在側墻左側1/4位置和右側1/4位置處，混凝土中心測點溫度也達到最高，分別為59.7℃和60℃。可見，在對稱1/4位置處混凝土最高溫度基本相同。在側墻1/2位置處，混凝土內側測點溫度為60.7℃，外側測點溫度為63.1℃，外側溫度高于內側溫度2.4℃；在側墻1/4位置處，混凝土內側測點溫度分別為52.4℃和54.2℃，外側測點溫度分別為57.5℃和58℃，內側測點溫度峰值高于外側測點溫度峰值，分別為5.1℃和3.8℃。這是由于側墻混凝土內側緊貼擋土墻和土體，在混凝土澆筑放熱時可在一定程度上有效傳導疏散，而在外側由于模板作用，不能有效擴散，造成混凝土外側溫度較高。

3.4 裂縫控制措施

基于對混凝土溫度監測數據的分析表明，在混凝土澆筑后的0～72h，這一時間段的溫度梯度變化較急劇，混凝土內部易產生裂縫；而在混凝土澆筑后的72h后，混凝土裂縫主要以混凝土表面溫度與大氣環境溫度形成過高的溫度差造成的表面裂縫。為了有效降低由于溫度應力引起的裂縫，采取如下措施對混凝土的溫度變化進行控制：

(2)在混凝土外側立即覆蓋一層薄的塑料薄膜，在塑料薄膜上面再覆蓋一層土工布，進行保溫養護。

(3)根據溫度監測的數據及時在混凝土表面和塑料薄膜之間滴灌，以調節混凝土的降溫速率。保證塑料薄膜緊貼混凝土表面，以防止水分的損失，減少因干縮而產生的裂紋。

3.5 裂縫控制效果比對

基于上述裂縫控制措施，分別對采取了溫度監控及裂縫控制措施的地鐵車站側墻結構(以下簡稱“試驗倉塊”)和未采取改進措施的地鐵車站側墻結構(以下簡稱“對比倉塊”)進行裂縫觀測。試驗倉塊與對比倉塊的裂縫情況如圖3所示。

(a)試驗倉塊裂縫情況

(b)對比倉塊裂縫情況圖3 不同倉塊裂縫情況示意圖

試驗倉塊觀測到2處表面裂縫，裂縫長度分別1.48m和2.10m，裂縫寬度為0.18mm，裂縫間距約4950mm；對比倉塊觀測到6處表面裂縫，裂縫長度均為通長裂縫，裂縫間距約3333mm。倉塊中間區域裂縫數量多是由于混凝土的溫度收縮的正應力產生。

從裂縫數量上來看，試驗倉塊裂縫數量是對比倉塊裂縫數量的1/3，裂縫數量減少了約67%；從裂縫長度上來看，試驗倉塊的裂縫長度可以度量出具體數值，對比倉塊的裂縫幾乎是通長裂縫(約6m)，裂縫長度相對更短，說明裂縫向上延展的趨勢得到了控制；從裂縫間距來看，試驗倉塊裂縫數量更少，裂縫間距較寬，裂縫分布較為稀疏，對比倉塊裂縫數量多，裂縫間距較窄，裂縫分布較為密集。結合上述各方面情況來看，試驗倉塊的裂縫數量更少，裂縫長度更短，裂縫分布更稀疏，說明了基于溫度監控分析采取的裂縫控制措施，在地鐵車站側墻混凝土結構中應用有明顯控制效果。

4 結論

(1)通過對混凝土結構內部的溫度監測，得出混凝土澆筑升溫峰值在59.7～63.5℃之間，混凝土澆筑溫度梯度變化較為急劇情況，出現在混凝土澆筑的前3d(72h)左右。

(2)對混凝土結構養護措施提出的帶模養護直至3d和表面覆膜滴灌養護的方法，能有效減少混凝土裂縫數量，對今后的同類型工程有著重要指導意義和借鑒作用。