特定環境下降低建筑結構墩柱開裂施工措施研究

蘇芷阡 孫相夫 張德帥 汪麗娜 王立君

高原地區大溫差環境下大體積混凝土的施工項目逐漸增多，但混凝土開裂問題等尚未得到有效解決。本文基于材料制備方面及施工控制層面對大溫差環境下的大體積混凝土的開裂問題進行研究，以期提供借鑒。

1 工程實例

1.1 工程概況

新建某重點工程鐵路某標段大橋梁位于西藏自治區昌都市，橋梁全長1103.8 m，橋址海拔3705 m，橋梁所處區域為典型的高原峽谷氣候，具有高寒、缺氧、強風、大溫差、強紫外線、干燥等特點。

橋梁主橋為主跨880 m 鋼桁梁懸索橋，橋塔采用了鉆石型鋼筋混凝土橋塔，塔高為173 m，塔身采用了型號為C55 混凝土，單塔的混凝土方量超過了1.9 萬m3。

1.2 施工及服役環境

工程施工及服役環境如下：溫度：極端最高氣溫32.7 ℃，極端最低氣溫-17.5 ℃，年平均氣溫8 ℃，最熱月平均氣溫27.5 ℃，最冷月平均氣溫-12.1 ℃，陰陽面極端溫差，晝夜最大溫差達可達20 ℃以上；濕度：年平均相對濕度50.5%，最小濕度為零；風速：橋面處空氣實際密度0.815 kg/m3，實際密度100 年一遇風速35.4 m/s。年平均風速1.1 m/s，最大瞬時風速13 m/s，年平均大風日數（≥8 級）41.8 d。

1.3 高原環境特點

高原氣候總體特點為輻射強烈，日照多、氣溫低、積溫少，氣溫隨高度和緯度的升高而降低，氣溫日較差大；干濕分明，多夜雨。冬季干冷漫長，大風多；夏季溫涼多雨，冰雹多。

以項目所在區域—瑪沁縣高山峽谷為例，海拔4000 m 左右，相對高差300 ～800 m 之間，坡度一般30 ℃以上，個別地區50 ℃以上，山谷狹窄多呈V 形，無灘地或僅有零星灘地。丘陵主要分布在中高山之間，相對高差僅幾十米，坡度較平緩，山坡坡面有植被覆蓋。大武鎮、野馬灘等灘地，海拔3700 ～4200 m，地形平坦，表面坡度1 ～3 ℃。

該項目所在地區為典型的高原大陸性氣候，春季較干旱，夏季多冰雹，雨量集中；冬季嚴寒而漫長，每年冬期長達八個月，含氧量低，大氣含氧量僅為海平面的60%。瑪多縣年平均氣溫-4.1 ℃，年均降雨量120.9 mm，最大凍深2.46 m；瑪沁縣年平均氣溫-0.6 ℃，年均降雨量14l.l mm，最大積雪深度16 cm，主導風向為西風，最大凍深2.77 m。高原地區大氣中水分隨海拔增高而減少，海拔3000 m 大氣水分只相當于平原的34%；海拔6000 m 時，僅為平原的5%。

2 大體積混凝土開裂產生原因

2.1 高原大溫差環境的特殊性

調研資料表明高原鐵路沿線具備大溫差、強輻射、大風干燥等氣候環境特點，其橋梁基礎工程建設環境極為復雜嚴酷：最大地表日溫差40 ℃、最大晝夜溫差達到25 ℃的大溫差環境，相較于普通大溫差，其溫度跨度更大、范圍更廣，由于溫差所帶來的不利因素更加嚴峻。同時相較于普通大溫差環境，高原大溫差還有強輻射、強腐蝕高海拔等多重因素干擾，年輻照量6000 MJ/m2的強輻射環境，風速大于10 m/s、濕度低于20%的大風干燥環境和日正負溫交替2 到3 次的強正負溫交變環境。

在大溫差、強輻射、大風干燥環境下，高原鐵路橋梁墩臺塔柱建設將面臨橋梁大體積混凝土水化溫升控制難、墩臺塔柱養護困難、混凝土易收縮開裂等共性問題，且沿線河砂資源和優質礦物摻和料極其短缺，使得高原鐵路橋梁墩臺塔柱混凝土結構建設質量面臨嚴峻考驗。

2.2 大體積混凝土開裂原因分析

2.2.1 溫度導致開裂

自生應力：當大體積混凝土存在溫差時，混凝土內部溫度呈現出非線性分布。由于混凝土結構本身的相互約束而產生的應力，稱為自生應力。

約束應力：大體積混凝土結構全部或部分邊界受到外界約束，當溫度發生變化時，混凝土結構由于外約束作用，不能自由變形而產生的應力，稱為約束應力[1-3]。

大體積混凝土的溫度裂縫產生原因：在混凝土拌合的過程中水會與水泥發生化學反應，伴隨水化熱溫度升高。在升溫階段，由于混凝土的導熱性能較差及其內部溫度上升趨勢較快，而表面與空氣接觸溫度較低且溫度提升速度過慢，混凝土內部中心與表面變化產生較大為溫度梯度，進而導致因溫度產生的變形不統一，混凝土結構自身的相互約束而產生的自生應力。在降溫階段，混凝土因受到內部鋼筋的約束導致無法自由改變形狀產生約束應力。上述兩個階段，當混凝土自身極限拉應力不足以抵抗由于溫差所產生的溫度應力時變化時混凝土結構產生溫度裂縫[4]。

2.2.2 收縮導致開裂

混凝土的早齡期收縮被分為多種類型，例如：降溫收縮、塑性收縮、化學收縮、自身收縮、碳化收縮以及干燥收縮等等[5]。區分的界限在于發生的時間及產生收縮的本質原因不同，本文主要介紹在高原大溫差環境下起主要開裂原因的裂縫類型。

自收縮：自收縮是由于水泥在水化反應過程中生成水化鋁酸鈣凝膠及水化硅酸鈣，二者的產生變化導致混凝土整體的表觀體積下降，整個過程持續在混凝土的水化反應過程。此種收縮是由于制備混凝土的材料自身發生的物理及化學變化所導致的體積變小，與外在作用力及約束無關。自收縮可根據產生原因不同分為干燥自收縮及化學減縮兩種。干燥自收縮指的是混凝土內部變為不飽和狀態毛細孔產生了收縮[6]，其原因在于混凝土的自由水被消耗；化學收縮指的是水泥與水發生水化反應所導致的體積減小。

降溫收縮：降溫收縮一般發生在水化反應升溫結束開始降溫階段。由于水泥與水發生水化反應生成水化硅酸鈣與水化鋁酸鈣凝膠的同時放出大量水化熱，混凝土內部溫度急劇上升，而外表溫度上升過慢形成過大的溫度梯度導致混凝土體積減小，本質即為混凝土溫度變化引起的熱脹冷縮。降溫收縮的大小與混凝土的熱膨脹系數、混凝土內部最高溫度和降溫速率等因素有關。

3 大溫差環境下避免開裂的施工措施

3.1 降低水化熱

3.1.1 水泥的選擇

水泥的主要熟料礦物有以下4 種：第1，硅 酸 三 鈣3Ca0·SiO2，簡 寫 為C3S， 含 量37% ～60%；第2，硅 酸 二 鈣 2Ca0·SiO2，簡 寫 為C2S，含量15%～37%；第3，鋁酸三 鈣3Ca0·A1203，簡 寫 為C3A，含量7%～15%；第4，鐵鋁酸四鈣4Ca0·Al203·Fe2O3，簡寫為C4AF，含量10%～18%。在混凝土拌合過程中，水泥的礦物熟料與水發生水化反應，生成水化產物，并放出一定熱量，因此混凝土內外便產生了溫度梯度，導致有開裂的風險。由于水泥中的鋁酸三鈣發熱較快且發熱最多，因此實際工程中選用鋁酸三鈣含量較少的中、低熱水泥，可以在保持混凝土性能基本不變的前提下，減少混凝土結構澆筑后的發熱量[6]，從而降低混凝土內部的溫度進而抑制開裂。

3.1.2 配合比的選取

大體積混凝土配合比除了滿足普通混凝土的要求外，還應在保證混凝土性能的前提下減少水泥用量，控制合適的水膠比。對于骨料的選擇應當首先采用熱膨脹系數小、含泥量低（粗集料的含泥量不大于1%，細集料的含泥量不大于2%）的自然連續級配粗骨料。其拌制的混凝土可以保證溫度作用下的骨料不發生大體積的膨脹變形，防止混凝土的抗拉強度降低，具有較好的和易性，同時可以減少用水量和水泥用量，降低溫度應力[7]。

3.1.3 外加劑的選取

混凝土外加劑種類繁多，工程中較為常見的有減水劑、緩凝劑、早強劑等。混凝土中加入適量減水劑可以打破這種絮凝結構，顆粒之間的自由水便可以被稀釋出來，減少混凝土中水的用量。緩凝劑的作用機理為延遲C3S 和C4AF 的生成，由于水泥中的C3S 發熱較快且發熱最多，因此延緩其生成可以有效減緩水化反應的速率，抑制水化放熱。

早強劑指能提高混凝土早期強度的外加劑據以往實驗結果表明，在適宜摻量范圍內摻加無機鹽早強劑，會不同程度地促進熟料礦物C3S、C3A 及C4AF 的水化，加快水泥水化放熱速率，從而提高水泥早期水化程度[8]。綜上，在混凝土中配合減水劑加一些緩凝或早強成分的外加劑，對水泥水化放熱和混凝土的裂縫開展有一定影響。

3.1.4 分層澆筑

混凝土溫度裂縫主要由于水泥水化放熱產生溫度梯度導致，因此在大體積混凝土施工過程中經常采用分層澆筑的方法。分層澆筑可以降低水化熱高峰，便于熱量散出，有效地防止水泥水化熱集中、過大，產生溫度裂縫。施工中常見的分層澆筑方式有以下3 種：

全面分層澆筑：全面劃分混凝土澆筑層次，澆筑時從短邊開始，沿長邊方向進行澆筑，在逐層澆筑過程中，第2 層混凝土要在第1 層混凝土初凝前澆筑完畢。這樣可以確保第1 層混凝土的熱量被釋放出來。

分段分層澆筑：分段分層澆筑是從底層開始分段澆筑混凝土后進行第2 層的澆筑，保證有效澆筑各個層次，其適用于單位時間內要求供應的混凝土較少，結構物厚度不太大而面積或長度較大的工程。這種澆注方式相比于全面分層澆筑將澆筑體量變得更小，熱量散出的更快。

傾斜分層澆筑：澆筑時按照斜面坡度不超過1/3 的標準控制傾斜分層澆筑坡度，澆筑順序為從下到上。傾斜分層澆筑多用于長度較大的結構。

3.1.5 管冷措施

目前在工程中有效降低水化熱的施工手段是預埋冷水管。在混凝土澆筑前預先埋置好冷卻水管，待澆筑完成后向管內通入循環冷卻水，通過物理降溫的方式將大體積混凝土結構內部水泥水化產生的熱量帶走達到減小溫度應力的作用。施工過程中可以通過控制循環冷卻水的溫度和水的流通量來達到控制溫度的目的，靈活性較強。但弊端在于冷卻水管周遭會由于水管溫度過低產生溫度梯度導致溫度應力集中的情況，甚至可能在水管周圍產生細微裂縫[9]。綜上，管冷降溫是施工中最常用且最有效的控制混凝土內部溫度的措施。

3.1.6 預冷混凝土骨料

預冷混凝土骨料是指在混凝土拌合之前對砂石等粗細骨料進行冷卻，其目的是降低混凝土澆筑溫度，在混凝土澆筑時水泥水化反應產生的熱量便可以被冷卻的骨料抵散，從而把混凝土內部溫度變化控制在允許范圍內，以防止裂縫的產生。

混凝土的預冷措施目前分為：粗骨料第一次風冷或用冷水冷卻骨料代替第一次風冷，粗骨料第二次風冷，加片冰，加冷水拌制泥凝土的四種措施[10]。在高原大溫差環境下應根據實時監測的環境溫度梯度和現場施工情況選擇合適的預冷方式。

3.2 控制溫度

3.2.1 控制澆筑成型時環境溫度

混凝土在拌合過程中，水泥與水發生水化反應放熱，混凝土內部溫升變高，當環境溫度過低會產生較大溫差進而導致開裂。高原大溫差環境下，陽面日間極端最高氣溫可達30 ℃，夜間陰面極端最低氣溫可達-17 ℃。如此極端的溫度變化更會使開裂風險增大，因此在混凝土澆筑時應控制環境溫度盡可能接近澆筑時混凝土內部溫度。施工時可選擇設置保溫棚控制棚內溫度，在棚內進行混凝土構件的澆筑，或根據天氣預測選擇合適溫度的時間進行澆筑成型。

3.2.2 控制養護時環表溫差

《大體積混凝土施工標準》[11]（GB 50469—2018）3.0.4 中規定：拆除保溫覆蓋時混凝土澆筑體表面與大氣溫差不應大于20 ℃。根據規范要求，應控制在高原大溫差環境下養護時的環表溫差。

從環境方面，可以將試件放在保溫棚內進行養護，設定棚內恒溫且溫度與混凝土表面溫度不大于20 ℃。相對而言，控制環境溫度措施在施工當中難度較大，且成本較高，目前在高原地區應用的并不廣泛。

3.2.3 控制養護階段混凝土內外溫度梯度

《大體積混凝土施工標準》[11]（GB 50469—2018）3.0.4 中 規 定：第1，混凝土澆筑體里表溫差（不含混凝土收縮當量溫度）不宜大于25 ℃；第2，混凝土澆筑體降溫的速率不宜大于2.0 ℃/d。根據規范要求，應采取有效措施控制養護階段混凝土的里表溫差。在施工時可選擇外加包裹進行外養護的方式來控制溫差。目前這種施工措施，在高原大溫差環境下應用的較為廣泛，且包裹材料也在日益升級，例如，劉德惠[12]在研究論文中得出結論，SAP 復合材料的包裹養護相對于傳統土工布養護效果更好。

4 結語

本文針對高原地區大溫差環境下大體積混凝土裂縫的開展原因進行了詳細闡述，對于如何避免裂縫的產生從材料制備和施工控制兩個維度列舉了多種措施。相比于普通環境下的開裂，大溫差環境的特殊性文中也有所提及。對于高原環境下的大體積混凝土工程環境影響因素至關重要。本文只針對大溫差這單一的環境因素進行總結闡述，實際工程環境要更為復雜：晝夜大溫差、大風侵蝕、干燥環境、強輻射條件等等，當這些不利因素耦合到一起時防開裂難度便會增加，如何選擇合適的防裂措施可以作為今后研究的重點。

目前大體積混凝土防開裂的研究由于其體量龐大等原因還主要以模擬居多，有些試驗會進行縮尺模型的建立。但無論是模擬實驗還是縮尺模型試驗都無法精確還原實際環境下開裂情況，因此如何更加準確的還原真實環境下的實驗情況還需要更加深入的研究。