超長大體積混凝土結構早期開裂的施工控制與管理

王志勇 陳宣亦

（沈陽市建設工程質量監督站，遼寧 沈陽 110000）

在混凝土澆筑后的最初幾天內發生的早期開裂是建筑行業中面臨的主要問題[1]。早期開裂會嚴重影響混凝土結構的耐久性、強度和長期性能，而在超長大體積混凝土結構中尤為明顯，例如橋面、水壩、高速公路路面、工業和住宅等大型基礎施工。早期開裂主要由收縮（包括干燥收縮和自生收縮）或熱膨脹引起[2]。此外，開裂和應變造成損傷主要由混凝土結構內部鋼筋約束造成的。

現有的檢測設備主要用于評價材料的早期抗裂性，因此對研究超長大體積混凝土結構中的混凝土應變監測效果不佳[3]。早期應用于超長大體積混凝土結構的裂縫控制措施大多考慮單一措施，缺乏對各種裂縫控制措施的對比分析。因此，本文在以大體積混凝土結構構件（18000mm×6000mm×1200mm）為對象測試和分析了三種不同的裂縫控制措施，即管道冷卻法、誘導縫法、交替施工法，并設定溫度和應變作為評價混凝土結構早期開裂的指標。研究結果可為混凝土結構早期開裂的施工控制與管理提供參考。

1 試驗材料及方法

1.1 材料

本工程采用42.5級水泥和粉煤灰。其中，水泥主要化學成分為CaO（65.27%）、SiO2（25.54%）、Al2O3（8.13%），粉煤灰主要化學成分為SiO2（58.61%）、Al2O3（25.14%）、Fe2O3（5.80%）。所用細骨料和粗骨料均符合中國標準JGJ 52-2006的規定。細骨料的細度模量為2.62，土壤含量小于1%[4]。破碎的石灰石具有連續等級，尺寸范圍為5mm～31.5mm。

1.2 測試設備

為評估不同裂縫控制方法的效果，對不同位置的混凝土表面溫度和應變進行為期7d的現場測試。混凝土應變利用振動鋼絲應變計測量，應變計埋設在混凝土結構中的不同位置，并配有應變傳感器來觀測應變[5]。

1.3 試驗方法

1.3.1 管道冷卻法

管道冷卻法中的管道水平布置于結構中，以便增加混凝土內部的冷卻效果。冷卻管由直徑30mm、厚度1mm 的鋼材制成，并且每隔1000mm 安裝在混凝土結構中。養護期間，以3L/min 的速度向管道中注入22℃的水，并使用水泵確保冷卻水的順暢流動。當混凝土的溫度下降時，冷卻水的供應逐漸停止。

管道布局如圖1所示。在結構表面上加設鋼筋以固定冷卻管。在施工過程中，應注意保護管道，確保后期冷卻水流通順暢。測點位置應能完整準確地反映大體積混凝土的溫度變化和大應變下的位置變化。如圖1所示，在超長大體積混凝土每3000mm 平均布置五個傳感器陣列，任何兩個傳感器之間的水平間隔為2000mm。第1 陣列的傳感器（11、14 和15）靠近節段的內表面，其他陣列的位置與陣列1 類似。線組1（11、21、31、41 和51）靠近節段內表面，線組2（12、22、32、42和52）放置在節段中間，線路組3（13、23、33、43 和53）位于靠近結構表面的節段。

圖1 管道冷卻法的傳感器布局/mm

1.3.2 誘導縫法

工程中通常采用誘導縫法來減少穿過誘導縫截面的縱向鋼筋數量，以誘導混凝土結構有序開裂。這種方法不同于傳統的誘導連接方法，該方法可有效降低結構剛度和釋放結構的早期溫度應力。本文將工字鋼插入結構中，以產生剛度的突然變化，從而導致工字鋼出現裂縫，進一步釋放應力。同時，使用工字鋼翼板防止裂紋擴展到結構表面，并防止裂紋延伸穿過結構。兩個誘導縫之間的距離為8000mm，兩個誘導接縫距離兩側施工縫為5000mm。傳感器的布局如圖2所示。

圖2 誘導縫法的傳感器布局/mm

此外，與沒有誘導縫的結構平面布置圖相比，每組測點的間距應適當增加，以滿足布置要求，并且測量點的布局應適當減少在誘導接頭兩側的上部區域中。五個傳感器陣列沿著該段布置，陣列1、2、4和5位于誘導縫的兩側，傳感器陣列1（11 和14）被放置在誘導縫附近的內表面中。任意兩個傳感器之間的水平間隔從左到右為2000mm，陣列2、3、4和5的放置方式與陣列1相似，陣列3 位于結構中間，三個應變儀分別布置距結構邊緣1000mm、3000mm及5000mm的位置。

1.3.3 交替法

交替法施工主要是在混凝土結構的水平方向設置施工縫，利用施工縫將結構按一定尺寸分成若干塊。相鄰的施工段間隔澆筑混凝土，當混凝土澆筑完成并產生較大收縮變形后，再澆筑與其相鄰位置混凝土進而連成整體。根據溫度收縮應力與結構長度的非線性關系，混凝土早期（7d～10d）的溫差和收縮變形都比較大，因此，采用短距離應力釋放的方法來解決早期的收縮問題，以解決混凝土裂縫收縮問題。

混凝土構件的測量點可以全面準確地反映大體積混凝土的溫度變化和大應變位置的變化。傳感器的位置和安裝如圖3所示。混凝土結構距邊緣每3000mm平均布置五個傳感器陣列，任何兩個傳感器之間的縱向間隔為2000mm，第2 陣列的傳感器（21、24 和25）靠近節段表面，線組1（11、21、31、41和51）靠近區段內表面，線組2（12、22、32、42和52）置于區段的中部，線組3（13、23、33、43和53）布置在靠近外表面的節段。

圖3 交替法的傳感器布局/mm

2 結果及分析

2.1 管道冷卻法

用管道冷卻法在0h～168h 期間的混凝土結構中部測得的水化熱和應變歷史。不同位置的混凝土溫度發展趨勢相似：結構長度方向，澆筑24h后，混凝土結構的最高溫度出現在32 點，溫度峰值為66.9℃。達到最高溫度后，混凝土溫度緩慢下降，直到測量溫度接近室外溫度，溫度隨時間變化逐漸平緩穩定。結構厚度方向，混凝土中心的溫度接近下部溫度，內表面的溫度達到最低。80h后，每個點的溫度接近相同。

與不同位置的溫度不同，不同位置的應變變化較大（如圖4所示）。圖4(a)為應變沿長度的變化。最大應變位于中間的32 點處，推測主要是由于混凝土結構在中部區域容易發生應力集中的緣故，進而導致該點處應變最大。澆筑后0h～8h 內的應變為壓縮應變，8h后逐漸變為拉伸應變，而在26h后逐漸減小。在遠離冷卻管進水口的地方混凝土冷卻效果變弱，底部出現較大的約束。圖4(b)為應變隨厚度的變化。最大應變位于32 點處，推測與混凝土結構在中部區域發生應力集中有關，且33 點和31 點分別受到地基約束、外界自然環境及后期養護影響，應變衰減平緩。

圖4 混凝土結構中部測量的應變曲線

2.2 誘導縫法

采用誘導縫法的超長大體積混凝土結構在0h～168h內的水化熱和應變變化，其中溫度變化情況為：沿長度方向的溫度變化，混凝土的最高溫度出現在澆筑20h 后，測量點位于筏板42 點處，最高溫度為79.9℃。20h 后，混凝土溫度緩慢下降，直至內部溫度接近大氣溫度，溫度隨時間變化逐漸達到平穩，厚度截面的最高溫度出現在筏板中部33點處。

裂縫重要觀測指標應變變化情況為：最大應變在誘導接縫的第22點測得。應變在混凝土澆筑后0h～6h內為壓縮應變，6h 后逐漸轉變為拉伸應變。橫截面的最大應變值出現在筏板中部33點位置。原因推測為工字鋼誘導接縫的構造改變了相應結構的剛度，從而產生較大的應變（如圖5所示）。

圖5 中部測量的應變曲線

2.3 交替施工法

測得采用交替施工方法的混凝土結構0h～168h 的水化熱和應變變化，并進一步分析結構底部溫度和應變隨時間的變化趨勢。其中，溫度變化情況為：一是為沿長度方向的溫度變化。澆筑24h后，最高溫度有所上升。最高溫度點位于中部，溫度峰值為55.7℃。24h后，混凝土溫度緩慢下降，直至測量溫度接近大氣溫度，溫度隨時間變化變得平緩、穩定。結構橫截面（厚度方向）的最高溫度出現在中部；二是應變變化情況。沿長度方向最大應變位于中部的第32點。應變在混凝土澆筑后0h～28h 為壓縮應變，28h 后逐漸轉變為拉伸應變。結構橫截面的最大應變出現在超長大體積結構的中部，而靠近下部受地基約束，應變較小（31點）。推測原因為在溫度和約束的共同作用下，中部產生較大的應變。如圖6所示。

圖6 在中部測量的應變曲線

2.4 不同控制方法的分析

經整理，0h～168h不同措施下混凝土的水化熱和應變歷史，在所有測試方法中，混凝土結構的溫度幾乎在同一時間達到峰值，并且不隨三種裂縫控制方法改變而變化。在誘導縫法中，溫度下降幅度變化較大，而在交替施工法中較為平緩。除去環境溫度的影響，管道冷卻法與誘導縫連接法相比，混凝土峰值溫升降低13℃。

混凝土結構的應變與時間變化曲線顯示了不同裂縫控制措施的影響如圖7所示。可以觀察到，三種控制方法獲得的應變歷史均呈現出典型的早期行為趨勢，即初始壓縮應變逐漸釋放并轉化為拉伸應變。在不同措施下的應變歷史的壓縮應變部分，管道冷卻法的應變最小，誘導縫法結構的應變最大，而交替法結構的應變變化幅度最大。管道冷卻法在26h 時獲得最大拉應變，交替施工法在94h時獲得最大拉應變，因此，僅控制溫度不能緩解超長體積混凝土結構的早期拉應變，釋放約束可以在一定程度上降低結構的早期應變，同時，控制溫度和釋放約束可以有效降低超長混凝土結構的早期拉應變。綜合考慮溫度和約束因素的影響，交替施工方法為超長大體積混凝土結構最有效的裂縫控制措施。

圖7 不同措施下的混凝土水化熱和應變曲線

3 結語

本研究評估了三種適用于超長大體積混凝土結構的裂縫控制方法，根據研究結果，可得出以下結論：

（1）超長大體積混凝土澆筑期間采用水平管道水冷卻法，可以降低混凝土結構的水化熱。管道冷卻法可以減少混凝土約13℃的水化熱，有效降低了混凝土結構的內部溫度應變。

（2）誘導縫方法可以減少結構的內部約束應變。結構內最高溫度和應變峰值出現在施工縫中，結構中部應變增長緩慢，應變隨時間的變化滯后于溫度的變化。

（3）交替施工法是控制超長大體積混凝土結構早期開裂的最優措施。交替施工法通過合理設置施工長度和施工間隔時間，減少結構約束，優化養護體系，延緩結構溫度和應變的發展過程，降低結構內部拉應變，且結構溫度和應變的峰值出現在結構中部區域，應變隨時間的變化滯后于溫度的變化。綜合考慮溫度和約束因素的影響，交替施工法是最有效的裂縫控制措施。