水冷卻技術在車站大體積混凝土中的應用

丁澤明

（中鐵十九局集團軌道交通工程有限公司，北京 100000）

混凝土施工自誕生以來，就是工程建設中必不可少的重要構成部分，在現代工程建設中有著不可被取代的地位。我國《大體積混凝土溫度測控技術規范》對大體積混凝土定義為：混凝土結構物中實體最小尺寸不小于1 m 部位所使用混凝土即為大體量混凝土，或者預計會因混凝土中膠凝材料水化引起溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生混凝土。從目前國內大多數建成并投入使用的地鐵車站分析，裂縫是普遍存在的問題，并且只能維護保養很難徹底解決，這就意味著這一問題將長期困擾地鐵車站工程。

地鐵車站混凝土結構屬于大體積混凝土，一直以來大體積混凝土在建設和驗收過程中都面臨的問題在于裂縫的產生和修補，由于現有技術不過關導致內外溫差難以解決，裂縫在出現后逐漸擴大導致工程質量無法達標。裂縫出現的本質是因為水泥水化產生的化學反應，積聚了大量熱能，加上混凝土內部散熱慢，表面散熱快，由此混凝土表面溫度形成了溫差過大，而溫差進一步擴大會導致壓應力的出現，外部出現拉應力，內外力一起作用下，混凝土表面很容易就出現裂縫。同時，隨著混凝土表面溫度逐漸降低，這一過程中混凝土內外部共同收縮，收縮力與混凝土硬化效果同時作用，再加上水化和蒸發等效果，多重因素作用下使得升溫時混凝土膨脹，降溫時混凝土硬化，強大拉應力出現造成了收縮裂縫。另外，混凝土施工中由于對凝固時間沒有掌握到位，導致初凝時間不長也很容易引起溫度變形和應力。筆者基于地鐵土建施工的特點，對大體積混凝土施工技術展開論述研究。

1 大體積混凝土裂縫的原因

主要原因是內外溫差過大。從化學原理來解釋就是水泥和水相遇后，水化熱反應就產生了，此時二者的結合會釋放出較高的熱量，但這些熱量又不易逸出，加上混凝土的性質和體積本身不利于散熱，所以其內部水泥和水發生作用后就會持續保持高熱狀態，相比較之下外界的溫度會遠低于內部，那么內外部的溫差就會撕裂混凝土結構，時間一長就會導致出現裂縫。內外溫差可由下述公式計算而得：

△T(t)+T（k）+Ts（t）-T2（t）

△Tmax=T（j）+T（k）+Ts（t）-T（q）

△T（t）表示在時間點處，混凝土結構的內外溫差；Tmax表示混凝土凝固過程中，溫差的最大值；Tj表示澆筑時的溫度；Tk表示絕對溫升值；T 表示混凝土養護時，結構表面散熱量；T2（t）表示結構表面溫度；Tq表示環境溫度。從上述公式不難發現，當澆筑溫度越高，水化熱反應也會隨之呈現正相關反應，其釋放的熱能將會越高，即表示當外界溫度過低時會引發劇烈的溫差反應，極易造成裂縫，因此，在外界溫度低于一定情況下時，應當不進行施工。

2 地鐵土建施工中大體積混凝土施工的應用要點

2.1 混凝土材料質量

影響大體積混凝土施工因素之一即混凝土材料質量，混凝土質量直接決定著整個土建施工質量，因此，在大體積混凝土施工之前，首先要選擇符合規格標準的混凝土材料，所使用混凝土具有較好的抗裂性能，同時還要具有較高耐久性和穩定性。除了對混凝土材料的要求標準較高以外，地鐵土建施工用到的水泥、鋼筋、粗細骨料以及添加劑等也一定要按照規格進行選取，確保整個工程質量達標。大體積混凝土施工過程較長，各個環節修補任務也十分艱巨，因而在施工過程中，混凝土材料很可能因為儲存不善而出現質量問題，影響工程推進，還可能給土建施工造成質量問題，如出現地面坍塌、不規則沉降以及地面空鼓等現象，針對于這些問題，在配制混凝土材料的過程中，要注意水分的添加比例，避免混凝土出現提前凝結或灰比過低的現象。

2.2 施工工藝技術

大體積混凝土對于施工工藝的要求較高，而影響施工工藝的主要因素是施工工人自身的技術素質以及工人之間的配合程度。

根據施工經驗可知，大體積混凝土在施工過程中若出現中斷現象，會直接影響施工質量，因此，大體積混凝土施工一般采用連續的施工方法。在施工之前，要詳細檢查所用到大型機械設備性能，在施工過程中若機械設備出現故障，不僅會影響施工質量，還可能造成經濟損失，將機械設備性能檢查完好，運送到施工現場的設備指定位置，然后安裝使用，并安排專業設備管理人員對設備運行進行監督。在進行施工的過程中，若是在較為寒冷干燥的冬季進行，混凝土的保水性會大幅度下降，此時除了要在混凝土配置和澆筑中保持溫度，養護中也要使用保溫材料，在養護期間遮蓋保溫。

2.3 混凝土施工

混凝土配置工作也是大體積混凝土施工要點之一，混凝土配置要嚴格符合規定的比例，配置好的混凝土初凝時間最好在3 h 以上，混凝土在運送到施工現場過程中不允許進行加水，運送到現場以后可以根據混凝土實際狀況來添加減水劑或膨脹劑，確保混凝土的質量達標。在澆筑工作開始以后，要對混凝土進行分段分層處理，根據分段分層順序來開展混凝土澆筑工作，最好在混凝土終凝之前澆筑完成，在澆筑過程中采用設備對混凝土進行振搗，振搗設備應當快速插入到混凝土當中，在取出時要緩慢進行，防止混凝土提前凝結，影響澆筑工作。在澆筑完成時，混凝土澆筑面需要及時經過二次抹壓處理，防止混凝土表面出現裂縫，第一次抹壓，在混凝土經過振搗之后就要立即對混凝土表面進行抹平處理，由此來保證混凝土的密實性和減少裂縫。二次抹壓發生在終凝前，在混凝土表面水析出之后，此時可以減緩混凝土內部水分遷移、蒸發的速度，提高混凝土的抗裂能力。

2.4 澆筑方案

考慮到地鐵土建施工特點以及鋼筋密度、管道預埋以及結構規格等因素，混凝土澆筑過程中主要采取以下三種澆筑方案，在選取過程中也要根據工程實際情況來選擇。一是全面分層澆筑法，這種方法就是指在澆筑好第一層混凝土以后，不等到混凝土初凝就開始第二層混凝土澆筑，然后再進行逐層澆筑，一直到澆筑工作結束。其次，是采取分段分層澆筑法，這種方法和第一種方法有所不同，它是先對底層進行澆筑，等澆筑到合適距離后再進行第二層的澆筑，如此依次澆筑到頂層以后，再進行第二次澆筑。三是斜面分層澆筑法，這種方法主要針對于傾斜度不高的平面澆筑，澆筑過程中也逐層進行。

3 大體積混凝土施工技術在地鐵土建施工中的控制因素

3.1 控制混凝土的分段澆筑大小

在地鐵土建施工環節中，確定好大體積混凝土施工分段分層長度及厚度，這一環節也是影響混凝土澆筑質量的關鍵之一。

一般來說該工程中基層底板為矩形，利用相應公式求出底板的體積，然后確定混凝土澆筑的體積大小，根據需要澆筑的混凝土體積及混凝土供應能力，明確分段分層方案，嚴格控制澆筑的準確性，確保混凝土澆筑質量達標。

3.2 控制混凝土的溫度應力

混凝土溫度應力對整個工程質量也有著很大影響，因而控制大體積混凝土溫度應力也十分重要，主要從兩個方面進行控制分析。一方面是在大體積混凝土施工過程中，每一批次混凝土投入現場使用時，都要測量該批次混凝土溫度，由此推斷混凝土內部溫度應力，此外不同標號混凝土的允許溫度應力不同，在處理過程中，要根據施工環境的溫度條件和混凝土的溫度要求進行控制處理，以符合地下環境。另一方面是混凝土凝固過程溫度控制，在大結構混凝土上設置測溫裝置，若發現溫度過高，則要進行降溫處理，這對于混凝土澆筑效果的要求更高，若澆筑工作做得不好，就可能會出現混凝土開裂的現象，因此，在這種情況下更應該控制好混凝土的溫度應力，防止混凝土出現質量問題。

3.3 控制混凝土的養護工作

對于地鐵土建施工，大體積混凝土施工后養護工作也十分重要，它關系到工程完成后運行安全性和穩定性。大體積混凝土養護工作主要是避免混凝土受到外界環境的影響和人為因素影響出現質量問題。此外，針對地下空間特殊環境，在養護過程中要測量混凝土結構溫度，并適當澆水處理。混凝土的養護過程為隨時觀察混凝土表面的凝固狀況，例如，當混凝土由于環境溫度較低凝固緩慢，可以在混凝土的表面覆蓋上一層薄膜，進而提高其溫度，使其快速凝固。

4 水冷卻控制措施

大體積混凝土結構為了提高其穩定性和質量，就要努力解決其內外溫差過大問題，目前連續澆筑是較為有效的方法之一，能夠在一定程度上緩解大體積混凝土內外溫差較大問題。但需要特別注意的是，在施工條件許可情況下，盡量不能中斷施工，一旦中斷就會影響澆筑質量，進一步導致大體積混凝土結構出現質量問題。所以，怎樣控制混凝土內外溫度，就要通過合適的冷卻水技術來達到目的。

4.1 常規控制

通常可以在結構內部施工來增加結構的穩定性和抗壓性，例如增加雙層雙向加大配筋。長期實踐證明，該方法能夠在一定時間內減少裂縫的產生和出現，對于結構穩定提升有著重要幫助。其次，選擇合適的材料，材料本身的質量關系到結構質量。而科學合理材料選擇以及搭配使用，則能夠讓結構本身的質量得到快速提升。通過先進的施工技術方式，選擇合適的材料配比，減少混合物之間的水化熱反應，由此帶來的連鎖反應是混凝土內部熱量降低，內外溫度趨于平衡，裂縫產生概率大大降低。此外，除了材料本身的選擇和使用以外，相關監管人員也承擔了檢查材料保證材料質量達標的任務。

4.2 冷卻水溫度控制

常規控制溫度方法盡管容易，實施簡單便捷，但總體效果來看是不如冷卻水溫度控制方法。當然，二者在成本上也有著較大差距，因為冷卻水控制溫度方法在成本上更高。首先，要根據混凝土施工情況設置合理的冷卻水系統，找到混凝土結構適當位置處，預埋DN33 鍍鋅管，這一材料的作用在于快速導熱，能夠實現迅速降低內外溫差的目的，這樣當混凝土結構內外部溫度趨于一致的情況下就不容易出現裂縫。

整個管道系統中分成4 路，每路的構成都有一定區別。第一路，由3 層構成，長度在265 m 左右，其作用是負責核心簡板的降溫；而第二路只有1 層，長度在230 m 左右，其作用是為了3 m 板的降溫；第三、四路管來說，都只有1 層，長度在330 m 左右，主要負責2.4 m 板降溫。在了解了管道系統具體區分后，就要挑選冷卻水，根據混凝土澆筑情況進行控制。在溫度越高的情況下水流量要更大，能夠高效將熱量導出。反之則可以減少水流量，避免當溫度趨于一致后內部溫度繼續下降。

此外，水流速度也應當根據內外溫差進行調節，過快溫度調節也容易引發裂縫，通常來說降溫速度處于1～2 ℃范圍內。如果，降溫速度較慢，就容易導致收縮加快，反之就會導致應力的加大，所以要及時根據水溫情況調節速度。

5 結語

綜上所述，一般影響大體積混凝土質量的因素有施工配合比、地材質量、水泥品種、室外氣溫、養護措施等。裂縫屬于混凝土常見問題，由于施工前、施工過程中或是養護保養不當，都容易造成裂縫的出現。同時，對裂縫的處理不當還可能影響工程的投入使用。針對大體積混凝土，一定要通過有效地冷卻水溫度技術來合理控制內外溫差，并且在施工結束后選擇有效地養護措施，以確保結構內外溫差控制在規定范圍內。因此，在地鐵車站混凝土施工過程中采用水冷卻技術，可以有效降低混凝土內外部的溫差，讓彼此的溫度接近以后混凝土實現更為密實、緊致的結合，這樣既能提升混凝土的質量，也能夠減少裂縫的產生，對于混凝土大面積施工而言該技術有著重要意義。