水利工程大體積混凝土溫控防裂技術(shù)

姜 峰

(葫蘆島市綏中縣大風(fēng)口水庫管理處，遼寧 綏中 125200)

0 引 言

目前，對于大體積混凝土世界各國尚未形成統(tǒng)一的定義，我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：預(yù)計會因膠凝材料水化引起溫度變化、收縮而產(chǎn)生有害裂縫或?qū)嶓w結(jié)構(gòu)尺寸不低于1m的大體量混凝土，稱為大體積混凝土。施工過程中因水泥用量較多，水化熱較大使得澆筑混凝土的內(nèi)部溫度發(fā)生劇烈變化，加之受外界環(huán)境與溫度影響導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)極易開裂，對大體積混凝土結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定和耐久性產(chǎn)生極為不利的影響，其服役壽命明顯縮短[1-4]。在已建工程中，因大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫而對結(jié)構(gòu)整體的耐久性和安全性造成威脅的案例較多[5-7]。

考慮到其體積大、抗拉強(qiáng)度低、易受環(huán)境約束、熱傳導(dǎo)性差等特點，若徹底杜絕混凝土裂縫的出現(xiàn)難度極大。實質(zhì)上，造成混凝土開裂的根本原因是溫度應(yīng)力。所以，為最大程度的減少混凝土結(jié)構(gòu)因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生的有害裂縫，應(yīng)采取有效的防裂技術(shù)及溫度控制措施，從而延長結(jié)構(gòu)的服役壽命以及保證工程施工質(zhì)量。

1 溫度裂縫的產(chǎn)生

1.1 溫度裂縫的影響因素

混凝土收縮變形與結(jié)構(gòu)約束、環(huán)境溫度、水泥水化熱等為引發(fā)溫度裂縫以及影響大體積混凝土溫度應(yīng)力的主要因素，具體如下：

1)混凝土收縮變形與外部約束。大體積混凝土因溫度變化而引起的變形會受外部約束條件的限制，并產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力，從而增加混凝土開裂的概率。此外，大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生還受其自身收縮變形的影響。混凝土結(jié)構(gòu)中20%的水分用于水泥水化，其他水分主要用于蒸發(fā)。若混凝土外部約束限制了因水分蒸發(fā)而產(chǎn)生的收縮變形，就很容易出現(xiàn)裂縫。一般地，要充分考慮溫度應(yīng)力受混凝土收縮的影響，計算溫度裂縫時以產(chǎn)生相同溫度變形的溫度值換算混凝土收縮值，即確定“當(dāng)量收縮溫差”。

2)環(huán)境溫度。施工過程中大體積混凝土對環(huán)境溫度非常敏感，環(huán)境溫度的變化很容易引起裂縫。在環(huán)境溫度差異較大的不同地理區(qū)域或不同季節(jié)澆筑大體積混凝土?xí)r，一般內(nèi)外溫差受環(huán)境溫度變化的影響極為顯著，混凝土內(nèi)部過高的溫度與較高的環(huán)境溫度密切相關(guān)。例如，混凝土內(nèi)部的溫度在夏季時甚至可達(dá)60℃-65℃，其內(nèi)外溫差受環(huán)境溫度突然下降而進(jìn)一步加大，并顯著增大溫度應(yīng)力，致使溫度裂縫的出現(xiàn)。所以，極端溫度(嚴(yán)寒、酷熱等)條件下極易產(chǎn)生溫度裂縫，為降低大體積混凝土內(nèi)外溫差有必要采取合理的溫控措施[8]。

3)水泥水化熱。溫度裂縫的形成在很大程度上取決于水泥水化熱，混凝土內(nèi)部溫度因水化產(chǎn)生大量的水化熱而急劇增大，該部分可引起20℃-30℃的溫升。大體積混凝土的半徑超過2.5m，其內(nèi)部基本達(dá)到絕熱狀態(tài)，然而混凝土表面因與空氣直接接觸具有更低的溫度、更快的散熱速度；同時，從散熱速率的角度混凝土各部位也存在差異，因內(nèi)外溫度梯度較大及分布極不均勻致使大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。總體而言，因內(nèi)部溫度較高致使大體積混凝土存在較大的內(nèi)部膨脹率，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力和結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓應(yīng)力的形成，當(dāng)混凝土自身可承受的極限低于表面拉應(yīng)力時就會產(chǎn)生溫度裂縫。

1.2 溫度裂縫的危害

考慮到溫度變化為產(chǎn)生混凝土溫度裂縫的關(guān)鍵因素，且時間與溫度相關(guān)，所以溫度裂縫存在時間屬性。混凝土溫度變化速率較慢時所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力逐漸松弛，若混凝土抗拉強(qiáng)度超過最終的溫度應(yīng)力就不會產(chǎn)生裂縫。另外，材料的特性與溫度裂縫相關(guān)，若材料存在較好的韌性、較高的彈性模量，則不一定會產(chǎn)生溫度裂縫。大體積混凝土開始出現(xiàn)裂縫時，若未采取有效的修護(hù)措施，則很可能導(dǎo)致裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，并發(fā)展形成深層或貫穿裂縫，使得機(jī)構(gòu)應(yīng)力分布發(fā)生改變，在影響整體結(jié)構(gòu)外觀的同時危害其耐久性、安全性，甚至造成經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[9]。

2 溫控裂縫的技術(shù)措施

2.1 優(yōu)化配比設(shè)計

從混凝土拌合物的成分入手采取有效的防裂舉措和溫度控制措施，合理選擇外加劑的用量與種類、骨料級配與類型、水泥種類等。另外，還要結(jié)合工程實際情況對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1)合理選擇外加劑。在達(dá)到強(qiáng)度和和易性要求的情況下，可將大體積混凝土摻入必要的化學(xué)外加劑與礦物摻合料。其中，常用的有緩凝劑、膨脹劑、減水劑和防水劑等化學(xué)外加劑，比較常見的有燒黏土、礦渣及粉煤灰等礦物摻合料。實際上，對大體積混凝土溫度的控制主要有高效減水劑與粉煤灰雙摻技術(shù)。摻入粉煤灰能夠明顯減少早期水化熱，以及顯著改善拌合物工作性。研究表明，按水泥質(zhì)量的15%摻入粉煤灰能夠減少約15%的水化熱，且隨粉煤灰摻量的提高水泥的水化熱呈減少趨勢。然而，摻入過量的粉煤灰會促進(jìn)混凝土收縮變形、降低結(jié)構(gòu)早期強(qiáng)度，所以應(yīng)通過試驗確定粉煤灰的最佳摻量。在確保強(qiáng)度和混凝土坍落度的基礎(chǔ)上，摻入減水劑能夠減少拌合水用量，發(fā)揮塑性、減水及降低水化熱的功效。另外，通過摻入適量的膨脹劑可以補償混凝土的收縮變形，以產(chǎn)生的微膨脹作用減緩混凝土的收縮過程，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的抗壓及抗拉強(qiáng)度，在減少混凝土水化熱的條件下增大結(jié)構(gòu)密實度。實踐表明，新型膨脹劑納米MgO存在內(nèi)部孔隙填充多、分布均勻的優(yōu)點，在大體積混凝土中具有廣泛適用性；從成本控制出發(fā)，納米Mg O與輕燒Mg O的復(fù)摻能夠產(chǎn)生更安全、更大的膨脹，為混凝土收縮補償提供更加有利的條件。

2)選擇水泥及骨料。通過減少水泥用量、優(yōu)先選用低熱水泥等措施可以有效控制水泥水化的放熱量，每減少或增加單位用量的水泥，就會降低或升高1℃的混凝土絕熱溫度。另外，應(yīng)選用含泥量較低、熱膨脹系數(shù)小及連續(xù)級配的骨料配制大體積混凝土，砂、石的含泥量一般不超過1%。采用連續(xù)級配的骨料配置混凝土拌合物時，其所占體積比較高且和易性較好，該條件下可以減少水泥用量并保證混凝土強(qiáng)度，從而發(fā)揮間接減少水化放熱量的功能。粗骨料最大粒徑要充分考慮施工工藝條件和實際配合比設(shè)計要求來確定，細(xì)骨料的細(xì)讀模數(shù)以2.6-2.9為宜，應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)粗砂與中砂，且在符合施工要求的情況下盡量降低砂率。

2.2 改善施工工藝

改善施工工藝可以有效降低混凝土內(nèi)外溫差，合理控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度以達(dá)到減少溫度裂縫的目的。其中，澆筑振搗工藝的實施、特定的溫度控制措施以及澆筑方式的選擇等為合理的施工工藝技術(shù)，具體如下：

1)優(yōu)化澆筑振搗工藝。為進(jìn)一步增加漿體與骨料的黏結(jié)面積、排除粗骨料周圍的空隙，以實現(xiàn)增大混凝土結(jié)構(gòu)密實度以及減少其內(nèi)部微裂縫的目標(biāo)，可以采取二次振搗工藝。針對加緊混凝土，考慮到鋼筋附近易出現(xiàn)較大的溫度梯度而增加裂縫產(chǎn)生的可能性，所以在施工過程中要對加緊位置加強(qiáng)壓實、振搗，從而減少形成初始裂縫的概率。澆筑完成后，利用標(biāo)尺、鐵輥、木抹子等對混凝土刮平、碾壓和壓實抹光處理，從而保證施工質(zhì)量及減少裂縫的產(chǎn)生[10]。

2)內(nèi)外溫差及澆筑溫度控制措施。目前，調(diào)節(jié)混凝土澆筑時的內(nèi)外溫差、控制混凝土澆筑溫度、出倉以及物進(jìn)溫度等為合理有效的溫度控制施工措施。當(dāng)澆筑大體積混凝土的環(huán)境溫度較高時，特別是炎熱的夏季應(yīng)實施有效的降低澆筑溫度、拌合物進(jìn)出倉溫度的措施。例如，適當(dāng)?shù)膶υ牧隙褕鲞M(jìn)行遮陽，利用氣冷法或水冷法等對混凝土拌合之前的骨料預(yù)先冷卻，必要時還可加冰水拌合。此外，還要盡量加快倉儲速度、羧酸拌合物運輸時間，采取循環(huán)水冷卻、覆蓋隔熱等措施處理混凝土泵送管道；同時，對澆筑時間合理安排，選擇夜間或適宜的季節(jié)澆筑。為降低澆筑過程中混凝土內(nèi)部的溫度可以采用預(yù)埋水管冷卻法，對于混凝土表面的養(yǎng)護(hù)也可利用冷卻水管內(nèi)的循環(huán)水實現(xiàn)，以此降低內(nèi)外溫差。

3)澆筑方法的合理選擇。根據(jù)澆筑體量較大的特點可以選用薄層澆筑技術(shù)，該過程要遵循“分段定點、循序推進(jìn)、斜坡自流、一次到頂、薄層澆筑”的原則。將大體量混凝土拌合物利用薄層澆筑技術(shù)逐層分解澆筑，有利于加快內(nèi)部熱量向外的散發(fā)、增大混凝土散熱面以及工程施工，在一定程度上減少出現(xiàn)溫度裂縫的概率以及混凝土溫度應(yīng)力。實際工程中，要合理選擇分層澆筑的時間間隔，若間隔過長則新澆筑層受下層混凝土的約束力增加，兩層之間極易形成垂直的裂縫；若間隔過短則容易導(dǎo)致下層溫升過高，即下層混凝土散熱不充分加劇裂縫的形成。以下層混凝土被覆蓋之前的最高溫升值大于其被新澆筑層覆蓋引起的溫度升高幅度為原則，合理的確定間隔時間。然而，對結(jié)構(gòu)厚度較大且工期較緊的工程也可選用一次性澆筑技術(shù)，但具有較高的溫控要求，必須配合有效、合理的溫控措施。

2.3 合理安排養(yǎng)護(hù)

1)后期養(yǎng)護(hù)。澆筑完畢后，為降低內(nèi)外溫差還要加強(qiáng)后期的養(yǎng)護(hù)，其中蓄水法與保溫法為常用的方法。蓄水法主要是對混凝土利用蓄水的方式養(yǎng)護(hù)，以防止出現(xiàn)龜裂的現(xiàn)象，應(yīng)按照實際溫控要求合理計算蓄水深度。保溫法是將泡沫海綿、草袋、濕砂、塑料膜、草袋等保溫隔熱材料覆蓋至混凝土澆筑體周圍和表面，以防止因溫度快速下降而引起表層開裂的方法。保溫隔熱材料的選擇應(yīng)考慮現(xiàn)場實際情況，并及時調(diào)整覆蓋厚度以降低溫度應(yīng)力。

2)后期溫度監(jiān)測。通過實時監(jiān)控大體積混凝土的內(nèi)部與表面溫度，為及時采取有效的溫控措施提供參考，對于其內(nèi)外溫度的變化還可利用仿真模擬技術(shù)預(yù)測。在保證表面與內(nèi)部溫差符合要求的基礎(chǔ)上，溫度監(jiān)測工作還可用于后期養(yǎng)護(hù)安全溫度的確定。實際工程中測溫點的布設(shè)還要考慮設(shè)計要求，對測溫次數(shù)與時間嚴(yán)格控制，做好溫度監(jiān)測記錄，并結(jié)合測溫數(shù)據(jù)實施有效的措施控制內(nèi)外溫差、調(diào)節(jié)散熱速率，如升降冷卻水循環(huán)速率及增減表面覆蓋保溫材料等，以防止溫度裂縫的形成和有效降低溫度應(yīng)力。

3 結(jié) 論

大體積混凝土防裂技術(shù)與溫度控制屬于一項綜合性的復(fù)雜問題，其涉及到的影響因素較多。其中，水泥水化熱為產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度裂縫的主因，而混凝土自身收縮、外部約束及環(huán)境溫度的變化也對裂縫的產(chǎn)生較大的影響。對此，應(yīng)從誘發(fā)溫度裂縫產(chǎn)生的各因素入手采取大體積混凝土防裂技術(shù)和溫度控制措施，合理安排溫度監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)、改善施工工藝、進(jìn)一步優(yōu)化配合比設(shè)計及原材料選擇等環(huán)節(jié)，通過溫控措施的及時調(diào)整保障最終的施工質(zhì)量，最大程度的避免或減少溫度裂縫的形成。