高海拔大溫差地區(qū)施工溫控防裂技術(shù)研究

薛 磊（中國(guó)鐵路青藏集團(tuán)有限公司拉薩基礎(chǔ)設(shè)施段，青海 西寧 850000）

高海拔大溫差地區(qū)不同于一般地區(qū)，由于其海拔高度比較高，且區(qū)域最低氣溫與最高氣溫跨度比較大，這些自然環(huán)境因素會(huì)對(duì)地區(qū)施工質(zhì)量造成一定影響。目前施工主要采用的是混凝土材料，混凝土雖然具有較高的硬度和強(qiáng)度，使用混凝土建設(shè)的施工項(xiàng)目通常可以滿足施工硬度要求，但是這種建筑材料在高溫或者低溫環(huán)境中，容易發(fā)生膨脹和收縮現(xiàn)象，當(dāng)溫度達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)因施工材料的膨脹和收縮使建筑表面出現(xiàn)裂縫，從而影響到高海拔大溫差地區(qū)施工質(zhì)量。高海拔大溫差地區(qū)環(huán)境因素比較復(fù)雜，其工程質(zhì)量難以把控，為了降低溫度對(duì)施工質(zhì)量和施工安全的影響，相關(guān)學(xué)者提出了溫控防裂技術(shù)，利用相應(yīng)的技術(shù)手段，控制高海拔大溫差地區(qū)施工項(xiàng)目出現(xiàn)的裂縫質(zhì)量問(wèn)題。但是現(xiàn)有的技術(shù)手段不夠完善，在應(yīng)用過(guò)程中對(duì)高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算分析不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致技術(shù)所起到的溫控防裂效果并不明顯，技術(shù)應(yīng)用后高海拔大溫差地區(qū)施工仍然會(huì)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，并且裂縫深度較深，已經(jīng)超出高海拔大溫差施工質(zhì)量要求，為此提出高海拔大溫差地區(qū)施工溫控防裂技術(shù)。

1 高海拔大溫差地區(qū)施工溫控防裂技術(shù)

1.1 高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算分析

為了取得控制高海拔大溫差地區(qū)施工溫控防裂效果，首先需要對(duì)高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)以及溫度應(yīng)力進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算分析，溫度場(chǎng)是指高海拔大溫差地區(qū)施工結(jié)束后，施工體溫度隨著時(shí)間的變化而趨于穩(wěn)定或者不穩(wěn)定形態(tài)的分布特征，由于高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)遵循一定的熱傳導(dǎo)規(guī)律，因此根據(jù)物質(zhì)熱傳導(dǎo)理論對(duì)高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中，γ表示高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)，即施工體溫度隨時(shí)間的變化率；α表示高海拔大溫差地區(qū)施工材料的導(dǎo)熱系數(shù)；e表示高海拔大溫差地區(qū)施工材料比熱；u表示高海拔大溫差地區(qū)施工材料絕熱溫升；p表示高海拔大溫差地區(qū)施工材料彈性模量[1]。利用上述公式計(jì)算完高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)后，再利用三維有限元軟件對(duì)高海拔大溫差地區(qū)溫度應(yīng)力進(jìn)行分析，在三維有限元軟件中，將施工體左側(cè)端點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)，以施工體水平方向、垂直方向分為橫軸和縱軸，建立三維坐標(biāo)[2]。在軟件中將施工體的底面以及四個(gè)方向側(cè)面作為絕熱邊界，地基基面按照固定支座處理，將施工材料的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、絕熱溫升以及彈性模量等材料參數(shù)輸入到軟件中，由此建立高海拔大溫差地區(qū)溫度應(yīng)力分析模型，以施工材料澆筑溫度、通水冷卻以及施工進(jìn)度作為變量，對(duì)高海拔大溫差地區(qū)溫度應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，其公式表示如下：

式中，{μ}表示高海拔大溫差地區(qū)溫度應(yīng)力；[r]表示幾何矩陣；[w]表示高海拔大溫差地區(qū)施工材料彈性矩陣；q表示高海拔大溫差地區(qū)施工材料加載齡期；[b]表示高海拔大溫差地區(qū)施工體單元?jiǎng)偠染仃嚕籯表示海拔大溫差地區(qū)施工材料徐變度；g表示高海拔大溫差地區(qū)施工體持荷時(shí)間[3]。利用上述公式計(jì)算出高海拔大溫差地區(qū)溫度應(yīng)力值，以此完成高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算分析，為后續(xù)施工材料配合比設(shè)計(jì)、溫度梯度控制以及分期冷卻設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.2 施工材料配合比設(shè)計(jì)

因?yàn)槭┕げ牧吓浜媳葘?duì)施工溫控防裂效果具有一定影響，所以根據(jù)高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力計(jì)算分析結(jié)果，設(shè)計(jì)施工材料配合比。項(xiàng)目施工材料主要為混凝土，而如果計(jì)算的高海拔大溫差地區(qū)溫度場(chǎng)超過(guò)普通地區(qū)溫度場(chǎng)15%，溫度應(yīng)力超出最大允許限值的5.6%，則需要優(yōu)化施工材料的配合比，以此來(lái)控制高海拔大溫差地區(qū)施工材料的絕熱溫升[4]。混凝土材料主要包括水、粉煤灰、水泥、活性堿等物質(zhì)，根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究，采用高摻17.5%粉煤灰、44.8%水泥、19.2%活性堿和8.3%水配合比，其抗裂變形指數(shù)相對(duì)于原來(lái)施工材料配合比提高19.5%，因此采用該配合比作為高海拔大溫差地區(qū)施工材料配合比。

1.3 分期冷卻

雖然上述優(yōu)化的施工材料配合比能夠增加高海拔大溫差地區(qū)施工體抗裂變形指數(shù)，但是由于該配合比中高摻粉煤灰物質(zhì)，在施工后期會(huì)帶來(lái)發(fā)熱問(wèn)題，因此采用分期冷卻的方式緩解施工體發(fā)熱溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)高海拔大溫差地區(qū)施工體溫度梯度控制。根據(jù)實(shí)際需求，采用了一期、二期、三期分階段通水冷卻方式，一期通水時(shí)間為12h，通水溫度為25℃，降溫速率為每小時(shí)2℃[5]。通水方式按澆筑單元分別進(jìn)行，當(dāng)通水冷卻溫度達(dá)到15℃時(shí)，停止通水1h～2h。開(kāi)啟二期通水冷卻施工，通水時(shí)間為8h，通水溫度為10℃，降溫速率為每小時(shí)1℃，待后澆層達(dá)到三期冷卻目標(biāo)溫度后，停止通水2h～3h。最后開(kāi)啟三期通水冷卻，通水時(shí)間為10h，通水溫度為5℃，降溫速率為每小時(shí)1℃[6]。在通水冷卻過(guò)程中按照從上而下的順序進(jìn)行溫度控制，當(dāng)后澆層達(dá)到三期冷卻目標(biāo)溫度2℃～3℃后，停止通水。通過(guò)以上通水冷卻施工，使高海拔大溫差地區(qū)施工溫度以及降溫幅度形成合適的梯度。

1.4 全齡期養(yǎng)護(hù)

由于高海拔大溫差地區(qū)施工歷時(shí)比較長(zhǎng)，且溫差跨度比較大，在完成了上述施工后，為了提高溫控防裂效果，還需要對(duì)施工主體開(kāi)展全齡期養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)方式主要采用水泵自流養(yǎng)護(hù)方式，當(dāng)施工項(xiàng)目完成之后，利用水泵向施工表面噴灑溫度為0℃～15℃的水，每天噴灑次數(shù)為三到四次，每次噴灑時(shí)間不得少于30min。在灑水之前使用麻布或者棉布蓋在施工體表面，通過(guò)不斷灑水將覆蓋物浸濕，使高海拔大溫差地區(qū)施工體始終處于潮濕狀態(tài)。全齡期養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得低于150d，目的是緩解高海拔大溫差地區(qū)施工材料溫度應(yīng)力，增加濕度，使其表面光滑且更加牢固，防止裂縫的出現(xiàn)，以此實(shí)現(xiàn)高海拔大溫差地區(qū)施工溫控防裂。

2 實(shí)驗(yàn)論證分析

實(shí)驗(yàn)以拉薩基礎(chǔ)設(shè)施段施工項(xiàng)目為例，該地區(qū)年平均氣溫為11.26℃，年平均最高氣溫為24.61℃，年平均最低氣溫為零下23.51℃，極端最高氣溫為34.15℃，極端最低氣溫為零下36.14℃。該地區(qū)海拔高度為3800m~4800m，實(shí)驗(yàn)利用此次設(shè)計(jì)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)該地區(qū)施工進(jìn)行溫控防裂。利用公式（1）和公式（2）計(jì)算分析拉薩基礎(chǔ)設(shè)施段施工項(xiàng)目溫度場(chǎng)為53.4%，溫度應(yīng)力為5.46MPa，施工材料容許溫度應(yīng)力值為2.42MPa，已經(jīng)超出允許范圍。采用優(yōu)化后的施工材料配合比，并進(jìn)行通水冷卻，以及開(kāi)展全齡期養(yǎng)護(hù)施工，對(duì)該地區(qū)施工進(jìn)行溫控防裂，表1為技術(shù)應(yīng)用后該地區(qū)施工絕熱溫升情況。

表1 溫控防裂后地區(qū)施工絕熱溫升情況

實(shí)驗(yàn)利用IJG裂縫測(cè)量?jī)x對(duì)拉薩基礎(chǔ)設(shè)施段施工項(xiàng)目八個(gè)施工段裂縫深度以及數(shù)量進(jìn)行了測(cè)量，利用電子表格對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，根據(jù)最大裂縫深度對(duì)比分析兩種技術(shù)溫控防裂效果，見(jiàn)表2。

表2 兩種技術(shù)應(yīng)用下裂縫深度對(duì)比

從表2中數(shù)據(jù)分析可以得出以下結(jié)論：應(yīng)用此次設(shè)計(jì)技術(shù)施工表面裂縫數(shù)量比較少，并且裂縫深度也比較小，最小裂縫深度僅為0.002m，最大裂縫深度為0.009m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于高海拔大溫差地區(qū)施工裂縫深度標(biāo)準(zhǔn)；而傳統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用后施工表面裂縫數(shù)量比較多，裂縫深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)技術(shù)和規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，因此，實(shí)驗(yàn)證明了此次設(shè)計(jì)技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)技術(shù)更適用于高海拔大溫差地區(qū)施工溫控防裂，能夠有效控制高海拔大溫差地區(qū)施工裂縫深度。

3 結(jié)語(yǔ)

在高海拔大溫差地區(qū)施工溫控防裂工作中，將“縮短溫差、緩解冷卻時(shí)間、縮小裂縫深度”作為溫控防裂技術(shù)理念，結(jié)合高海拔大溫差地區(qū)施工質(zhì)量要求以及施工特點(diǎn)，提出了一套溫控防裂技術(shù)，用于高海拔大溫差地區(qū)施工項(xiàng)目中，有效控制了施工表面裂縫的產(chǎn)生，降低了施工表面裂縫深度，有助于解決高海拔大溫差地區(qū)施工裂縫問(wèn)題，對(duì)提高高海拔大溫差地區(qū)施工質(zhì)量具有一定的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。