黃賢君

(江蘇華寧工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)的過(guò)程中，大體積混凝土的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1_2]?！洞篌w積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496—2018)定義混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸不小于1 m，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土為大體積混凝土[3]。對(duì)于較大的跨江、跨河、地質(zhì)條件特殊或需要跨過(guò)建筑物的橋梁，為不對(duì)通航或周邊建筑物造成不利影響，往往采用一跨而過(guò)的橋梁結(jié)構(gòu)形式[4]。這樣的橋梁需要足夠大的主墩承臺(tái)，其最小尺寸遠(yuǎn)大于1 m，為大體量混凝土結(jié)構(gòu)[5]。

水泥在水化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，在大體積混凝土內(nèi)外部散熱能力不一，會(huì)導(dǎo)致溫度差從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，使得形成溫度裂縫[6_7]。大體積混凝土施工中，溫度是核心指標(biāo)之一?，F(xiàn)有研究普遍認(rèn)為：大體積混凝土在硬化過(guò)程中產(chǎn)生的水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)25 ℃會(huì)導(dǎo)致混凝土開裂[8_9]，而單一的指標(biāo)往往不能夠全面的反應(yīng)結(jié)構(gòu)中的溫度變化。本文基于某橋工程實(shí)例，對(duì)混凝土內(nèi)溫度變化進(jìn)行多維度分析，并從施工角度對(duì)混凝土澆筑后如何降低水化熱提出幾點(diǎn)方法，從而對(duì)裂縫控制目的進(jìn)行研究。

1 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

1.1 工程概況

本工程為連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋跨徑100 m+160 m+100 m，其中柱墩承臺(tái)尺寸為22.4 m×13.0 m×4.5 m。本工程混凝土采用一次澆筑的方法進(jìn)行澆筑，澆筑過(guò)程中采用冷卻水對(duì)現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行降溫，冷卻水管埋設(shè)間距為1 m，共設(shè)置4層(見圖1)。

圖1 冷卻水管布置

1.2 測(cè)點(diǎn)布置

在承臺(tái)混凝土澆筑前進(jìn)行了溫度傳感器的埋設(shè)，溫度傳感器按承臺(tái)水化熱有限元計(jì)算結(jié)果及《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》中6.0.2條規(guī)定進(jìn)行布置[3]。為了能夠反應(yīng)承臺(tái)中水化熱溫度場(chǎng)的分布情況和承臺(tái)混凝土里表溫差、降溫速率等參數(shù)的時(shí)程關(guān)系。將傳感器布置位置分為底層區(qū)、中層區(qū)和頂層區(qū)，在底層區(qū)和頂層區(qū)埋置3個(gè)傳感器，中層區(qū)域埋置6個(gè)傳感器(見圖2)。

(a) 底層傳感器 (b) 中層傳感器 (c) 頂層傳感器

(2)13號(hào)墩左幅承臺(tái)溫度傳感器布置立面圖圖2 承臺(tái)溫度傳感器布置(單位：m)

2 溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 溫度監(jiān)測(cè)表分析

本工程混凝土澆筑完成后立即進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)(見表1～3)，其中M-6測(cè)點(diǎn)破壞，未列出其監(jiān)測(cè)記錄。整體上來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度較高，邊緣溫度較低；表明由于體積較大，使得熱傳導(dǎo)路徑變長(zhǎng)，導(dǎo)致中間溫度較高。

在表1中，底層混凝土中心D-1測(cè)點(diǎn)溫度在澆筑后4 d左右達(dá)到最大值，在該水平維持1周左右后，緩慢下降；底層外緣D-3測(cè)點(diǎn)溫度在升至最高值后快速下降。而溫度最高出現(xiàn)在中心點(diǎn)附近，在表2的M-4測(cè)點(diǎn)在第4天的時(shí)候達(dá)到最高溫度84.8 ℃。頂層的三測(cè)點(diǎn)溫度下降得較快，在2～3 d基本達(dá)到峰值之后降低，直到平穩(wěn)。

表1 大體積混凝土底層各測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)情況

續(xù)表1 大體積混凝土底層各測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)情況

表2 大體積混凝土中層各測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)情況

續(xù)表2 大體積混凝土中層各測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)情況

表3 大體積混凝土頂層各測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)情況

2.2 最大溫差時(shí)程曲線分析

根據(jù)采集的溫度數(shù)據(jù)，繪制承臺(tái)里表最大溫差時(shí)程圖以及各測(cè)點(diǎn)溫度時(shí)程曲線(見圖3、圖4)。從圖中可以看出，在澆筑后的第2天最大溫差已經(jīng)超過(guò)25 ℃，并在第6天的時(shí)候達(dá)到峰值55 ℃；之后隨著時(shí)間增加，溫差開始降低并呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。依規(guī)范，本實(shí)例的溫差已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)25 ℃，加大了裂縫產(chǎn)生的可能性。

2.3 降溫速率時(shí)程曲線分析

降溫速率一定程度上反應(yīng)溫度應(yīng)力的增加情況，圖4給出了各個(gè)測(cè)點(diǎn)降溫速度時(shí)程曲線。對(duì)比不同區(qū)域的測(cè)點(diǎn)可以看出，中層、頂層的各個(gè)測(cè)點(diǎn)降溫速率超過(guò)2 ℃/d要大于頂層。頂層混凝土U-1、U-2、U-3三測(cè)點(diǎn)溫度變化時(shí)程曲線說(shuō)明在混凝土邊緣處混凝土內(nèi)外熱量交換快(見圖5)，在澆筑1周后便可進(jìn)行正常的保濕養(yǎng)護(hù)。

圖3 承臺(tái)里表最大溫差時(shí)程圖

圖4 各測(cè)點(diǎn)降溫速率時(shí)程圖

圖5 三測(cè)點(diǎn)溫度變化時(shí)程圖

3 裂縫控制

通過(guò)對(duì)實(shí)際大體積混凝土工程施工澆筑過(guò)程溫度變化的監(jiān)測(cè)與研究，了解到對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)、外溫度差和溫度變化速率都超出了《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》的要求，難以完全解決裂縫的產(chǎn)生。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出以下措施以減少本工程中混凝土裂縫的產(chǎn)生：

(1)在施工準(zhǔn)備過(guò)程中，應(yīng)考慮使用水化熱相對(duì)較低和凝結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的水泥，如中硅酸水泥、大壩水泥以及礦渣水泥等，從源頭減少水化熱的產(chǎn)生。同時(shí)，應(yīng)考慮在水泥中添加緩凝劑、減水劑及摻合料，如粉煤灰以及礦粉等，以降低單方混凝土中水泥的用量。此外，應(yīng)注意粗骨料的級(jí)配是否連續(xù)以及細(xì)骨料宜采用中砂，還可以在攪拌前對(duì)砂石料進(jìn)行物理降溫。

(2)在施工過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)合理劃分結(jié)構(gòu)物并分塊澆筑混凝土，即采用跳倉(cāng)法進(jìn)行施工，以避免大體積混凝土施工初期部分激烈溫差及起干燥作用。同時(shí)，可采用混凝土冷卻系統(tǒng)，根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，從中間往兩側(cè)、從上往下布置冷卻水管道，借助水較大的比熱容以及其流動(dòng)性，有效地帶走混凝土水化產(chǎn)生的熱量。

(3)混凝土澆筑完成后的第1個(gè)星期是保溫、保濕養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵，需要重點(diǎn)加以關(guān)注；其保濕養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時(shí)間不宜少于14 d，具體養(yǎng)護(hù)時(shí)間與結(jié)構(gòu)物斷面尺寸大小成正比，斷面尺寸越大，養(yǎng)護(hù)時(shí)間應(yīng)當(dāng)越大。

4 結(jié) 論

大體積混凝土的溫度控制是裂縫控制的關(guān)鍵一環(huán)，通過(guò)對(duì)具體大體積混凝土工程實(shí)例澆筑后溫度變化情況的研究，確定了大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑后極易產(chǎn)生裂縫的原因，并據(jù)此提出了可行的裂縫控制措施。

(1)結(jié)合《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》與對(duì)實(shí)際工程實(shí)例的研究，造成大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因一是混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)25 ℃。二是溫度下降速率超過(guò)2 ℃/d。

(2)在混凝土澆筑前期、混凝土澆筑過(guò)程以及混凝土澆筑完成后可以通過(guò)降低水化熱的產(chǎn)生、加速水化熱的彌散以及做好混凝土的養(yǎng)護(hù)等措施，以降低水化熱對(duì)大體積混凝土的影響，從而達(dá)到裂縫控制的目的。