大体积混凝土温度场及裂缝控制

黄贤君

(江苏华宁工程咨询有限公司，江苏 南京 210018)

0 引 言

随着我国经济的发展，在进行基础建设的过程中，大体积混凝土的应用越来越广泛[1_2]。《大体积混凝土施工标准》(GB 50496—2018)定义混凝土结构物实体最小尺寸不小于1 m，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土为大体积混凝土[3]。对于较大的跨江、跨河、地质条件特殊或需要跨过建筑物的桥梁，为不对通航或周边建筑物造成不利影响，往往采用一跨而过的桥梁结构形式[4]。这样的桥梁需要足够大的主墩承台，其最小尺寸远大于1 m，为大体量混凝土结构[5]。

水泥在水化过程中会产生大量热量，在大体积混凝土内外部散热能力不一，会导致温度差从而产生温度应力，使得形成温度裂缝[6_7]。大体积混凝土施工中，温度是核心指标之一。现有研究普遍认为：大体积混凝土在硬化过程中产生的水化热引起混凝土内外温差超过25 ℃会导致混凝土开裂[8_9]，而单一的指标往往不能够全面的反应结构中的温度变化。本文基于某桥工程实例，对混凝土内温度变化进行多维度分析，并从施工角度对混凝土浇筑后如何降低水化热提出几点方法，从而对裂缝控制目的进行研究。

1 温度场监测方案

1.1 工程概况

本工程为连续刚构桥，主桥跨径100 m+160 m+100 m，其中柱墩承台尺寸为22.4 m×13.0 m×4.5 m。本工程混凝土采用一次浇筑的方法进行浇筑，浇筑过程中采用冷却水对现浇混凝土进行降温，冷却水管埋设间距为1 m，共设置4层(见图1)。

图1 冷却水管布置

1.2 测点布置

在承台混凝土浇筑前进行了温度传感器的埋设，温度传感器按承台水化热有限元计算结果及《大体积混凝土施工标准》中6.0.2条规定进行布置[3]。为了能够反应承台中水化热温度场的分布情况和承台混凝土里表温差、降温速率等参数的时程关系。将传感器布置位置分为底层区、中层区和顶层区，在底层区和顶层区埋置3个传感器，中层区域埋置6个传感器(见图2)。

(a) 底层传感器 (b) 中层传感器 (c) 顶层传感器

(2)13号墩左幅承台温度传感器布置立面图图2 承台温度传感器布置(单位：m)

2 温度场监测结果与分析

2.1 温度监测表分析

本工程混凝土浇筑完成后立即进行温度监测(见表1～3)，其中M-6测点破坏，未列出其监测记录。整体上来说，结构物内部温度较高，边缘温度较低；表明由于体积较大，使得热传导路径变长，导致中间温度较高。

在表1中，底层混凝土中心D-1测点温度在浇筑后4 d左右达到最大值，在该水平维持1周左右后，缓慢下降；底层外缘D-3测点温度在升至最高值后快速下降。而温度最高出现在中心点附近，在表2的M-4测点在第4天的时候达到最高温度84.8 ℃。顶层的三测点温度下降得较快，在2～3 d基本达到峰值之后降低，直到平稳。

表1 大体积混凝土底层各测点温度监测情况

续表1 大体积混凝土底层各测点温度监测情况

表2 大体积混凝土中层各测点温度监测情况

续表2 大体积混凝土中层各测点温度监测情况

表3 大体积混凝土顶层各测点温度监测情况

2.2 最大温差时程曲线分析

根据采集的温度数据，绘制承台里表最大温差时程图以及各测点温度时程曲线(见图3、图4)。从图中可以看出，在浇筑后的第2天最大温差已经超过25 ℃，并在第6天的时候达到峰值55 ℃；之后随着时间增加，温差开始降低并呈现稳定状态。依规范，本实例的温差已经远远超过25 ℃，加大了裂缝产生的可能性。

2.3 降温速率时程曲线分析

降温速率一定程度上反应温度应力的增加情况，图4给出了各个测点降温速度时程曲线。对比不同区域的测点可以看出，中层、顶层的各个测点降温速率超过2 ℃/d要大于顶层。顶层混凝土U-1、U-2、U-3三测点温度变化时程曲线说明在混凝土边缘处混凝土内外热量交换快(见图5)，在浇筑1周后便可进行正常的保湿养护。

图3 承台里表最大温差时程图

图4 各测点降温速率时程图

图5 三测点温度变化时程图

3 裂缝控制

通过对实际大体积混凝土工程施工浇筑过程温度变化的监测与研究，了解到对于大体积混凝土结构混凝土内、外温度差和温度变化速率都超出了《大体积混凝土施工标准》的要求，难以完全解决裂缝的产生。结合实际工程经验，提出以下措施以减少本工程中混凝土裂缝的产生：

(1)在施工准备过程中，应考虑使用水化热相对较低和凝结时间较长的水泥，如中硅酸水泥、大坝水泥以及矿渣水泥等，从源头减少水化热的产生。同时，应考虑在水泥中添加缓凝剂、减水剂及掺合料，如粉煤灰以及矿粉等，以降低单方混凝土中水泥的用量。此外，应注意粗骨料的级配是否连续以及细骨料宜采用中砂，还可以在搅拌前对砂石料进行物理降温。

(2)在施工过程中，应当合理划分结构物并分块浇筑混凝土，即采用跳仓法进行施工，以避免大体积混凝土施工初期部分激烈温差及起干燥作用。同时，可采用混凝土冷却系统，根据温度监测数据，从中间往两侧、从上往下布置冷却水管道，借助水较大的比热容以及其流动性，有效地带走混凝土水化产生的热量。

(3)混凝土浇筑完成后的第1个星期是保温、保湿养护的关键，需要重点加以关注；其保湿养护的持续时间不宜少于14 d，具体养护时间与结构物断面尺寸大小成正比，断面尺寸越大，养护时间应当越大。

4 结 论

大体积混凝土的温度控制是裂缝控制的关键一环，通过对具体大体积混凝土工程实例浇筑后温度变化情况的研究，确定了大体积混凝土结构在浇筑后极易产生裂缝的原因，并据此提出了可行的裂缝控制措施。

(1)结合《大体积混凝土施工标准》与对实际工程实例的研究，造成大体积混凝土结构产生裂缝的主要原因一是混凝土内外温差超过25 ℃。二是温度下降速率超过2 ℃/d。

(2)在混凝土浇筑前期、混凝土浇筑过程以及混凝土浇筑完成后可以通过降低水化热的产生、加速水化热的弥散以及做好混凝土的养护等措施，以降低水化热对大体积混凝土的影响，从而达到裂缝控制的目的。