客运专线高性能混凝土的裂纹控制

2011-08-29刘宝新刘积海王军中国建筑第六工程局有限公司天津300451

天津科技 2011年5期

刘宝新刘积海王军（中国建筑第六工程局有限公司天津300451）

0 引言

近年来，随着我国铁路客运专线的快速发展，在客观上催生了一批新技术、新材料、新工艺、新方法，以适应“高、大、精、尖”的发展需要。其中，高性能混凝土作为客运专线建设不可或缺的施工材料，越来越多地被广泛应用到铁路建设中。

从理论上说，高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基础上采用现代技术制作的混凝土。它不同于简单意义上的高强混凝土，它追求的是混凝土良好的工作性、体积稳定性、耐久性、物理力学性能等综合性能的完善。但在实际工程建设中，往往由于工程实体形成过程中影响因素的复杂性以及施工质量的不稳定性，造成诸如混凝土裂缝等缺陷，降低了混凝土的耐久性，使其本身应具有的高性能不能充分发挥。

1 高性能混凝土裂缝控制

根据高性能混凝土的特点和产生裂纹的原因，分别从墩身、承台的受力与裂缝的成因等方面进行分析。从力学的角度看，混凝土特别是大体积混凝土之所以开裂，主要是混凝土所承受的拉应力超过了混凝土本身的抗拉强度的结果；从裂缝的成因上看，最主要是温差过大引起的，包括混凝土表面与内部温差和混凝土与外界自然环境的温差。因此，为了有效控制混凝土裂缝，就必须从提高混凝土本身抗拉强度性能和降低抗应力（特别是温度应力）这两方面综合考虑。根据以往的施工经验，要减少和防止高性能混凝土开裂，充分发挥其应有的高性能，应重点对高性能混凝土的原材料、配合比、施工工艺进行有效控制。

1.1 合理选用原材料

1.1.1 水泥首先，选择水泥时不能以强度作为唯一的指标。因为提高水泥的强度，实际上是增加水泥中的硅酸三钙和铝配三钙含量并提高水泥的比表面积，这样将导致水泥水化速率过快，水化热大，混凝土收缩大，抗裂性下降，混凝土的微结构不良，耐久性降低。要改善混凝土的抗裂性，首先要控制水泥中的硅酸三钙和铝配三钙含量，且水泥颗粒不能太细，混凝土早期强度越高，在早期也越易开裂，所以要慎用早强水泥。其次，控制水泥中的碱含量，碱的影响首先表现在增加混凝土的开裂倾向，不管是否有活性骨料存在，开裂首先是由于水泥的高含碱量引起的收缩。

1.1.2 骨料在骨料的选择上，关键是骨料的粒径和级配的选择，应注意选用粒径较大、级配较好的骨料，减小骨料的空隙率和比表面积，从而减少每立方米混凝土中胶凝材料的需用量，降低水泥用量，使水化热相应降低，有效防止裂缝出现。同时，应根据东北地区地材砂石料的石粉含量较大、泥块含量较大等实际情况进行处理。石料采用带水源的机械振动筛对碎石进行边冲洗边筛分方法，砂子采用带循环水的绞笼冲洗，使原材料表面清洁。要严格控制砂、石的含泥量，防止钢筋锈蚀、“碱-集料反应”等问题，提高混凝土的握裹力和整体胶结性能，从而在一定程度上起到防止混凝土开裂的作用。

1.1.3 高性能减水剂及矿物掺和料客运专线高性能混凝土采用聚羧酸高性能减水剂，可以降低高性能混凝土的水胶比和胶凝材料的用量，并且混凝土配合比中掺入粉煤灰和矿粉各占胶凝材料总量的20%，因此混凝土强度发展较慢，水化热的产生不像普通混凝土那样集中，矿渣的掺量到一定数量后，由于减少相应的水泥量，矿渣水化的速度因缺少足够的水泥中激发物而降低，相应的水化热和自收缩减少。

根据高性能混凝土对各种原材料的要求和原材料检测结果，确定高性能大体积混凝土的原材料，见表1：

表1 客运专线高性能混凝土原材料

1.2 优化配合比设计

混凝土的技术性能在很大程度上是由原材料的性质及相对含量决定的，混凝土配合比的优化设计是生产合格混凝土、从根本上预防混凝土开裂的关键环节。在混凝土原材料一定的情况下，单方水泥用量、水灰比、骨料级配、外加剂等因素对混凝土裂缝产生有着重要影响。因此，要认真做好混凝土配合比的设计与优化。

水泥用量的设计应遵循“最少量”的原则，在保证设计强度的前提下，通过选择水泥等级、调整骨料级配以及适量掺加外加剂等措施，最大限度地减少水泥用量，降低水化热。一般情况下，水泥等级以混凝土设计强度等级的1.5～2倍为宜。

骨料的级配设计上，宜采用粒径5～10 mm、10～20 mm的石子加优质中砂多级配制，砂率宜为38%～45%。可有效减少骨料间孔隙，降低空隙率，减少胶凝材料填充缝隙用量。

合理使用外加剂（外加剂掺量一般不大于水泥量的5%），能有效改善混凝土性能，起到预防混凝土开裂的作用，在实际施工中可根据情况选择使用。在不改变各种原材料配比的情况下，添加混凝土减水剂，可以大幅度提高混凝土的流变性及可塑性，提高其工作性能。添加缓凝剂可以延缓混凝土放热峰值出现的时间，从而减小裂缝出现的机率；并且能够改善和易性，减少运输过程中的坍落度损失。应用引气剂对改善混凝土的和易性、可泵性，提高混凝土耐久性能十分有利，也能在一定程度上增强混凝土的抗裂性能。此外，在拌制混凝土时，还可掺入适量的微膨胀剂或膨胀水泥，使混凝土在硬化过程中的收缩得以补偿，减少混凝土的温度应力，起到预防混凝土开裂的作用。

根据以上混凝土配合比选定的原则和确定的原材料，经试验室多次试拌，并对混凝土试块进行了56 d强度和耐久性检测后确定的配合比见表2。

表2 客运专线高性能混凝土配合比

1.3 施工工艺的控制

客运专线高性能混凝土浇筑振捣和养护不到位，同样也会对桥梁承台、墩身造成裂纹。混凝土运输到现场后，应尽快浇筑完毕，浇筑下料高度超过2 m时应采用串筒，浇筑时要均匀下料，控制速度，防止空气进入。浇筑方式，应分层浇筑、分层振捣，用振捣棒振捣应控制在振捣有效振动半径范围内。在混凝土浇注时宜采用二次振捣的方式，消除因下灰快、塌落度小等原因在边角、钢筋密集区等处形成的空隙，使混凝土成型更加密实，提高混凝土的抗拉性能；在混凝土浇注后，必须在初凝前进行二次抹面，可以有效防止混凝土由于泌水或因掺加粉煤灰可能形成的问题，如表面浮浆因温度过高、失水过快等原因造成收缩裂缝的现象。若混凝土平面尺寸过大，在设计许可时，可以适当设置后浇缝，以减少外应力和温度应力。同时也有利于散热，降低混凝土的内部温度，防止混凝土裂缝出现。

混凝土浇筑后保温及其养护措施如果没有保证，其表面的水分散失太快和内外温差太大，在混凝土的强度不足以抵抗因干燥和温差收缩而产生的拉应力时，混凝土表面将出现裂纹。在实际施工中，承台、墩身混凝土拆模后的2～6 h之内，采用包裹新型可控高分子节水保温养护膜，具有保温、热容大、保温效果好和节水等优点，养护期间混凝土表面总能保持湿润，养护时膜内温度比环境温度高出4～20℃以上，有利于混凝土提高早期强度，并能有效平缓昼夜温差，减少和抵制微细裂纹的产生。一个养护周期内只需浇水一次，用水量与土工布、麻袋、草帘等传统养护材料相比，节水率达95%以上。养护后的混凝土表面平整，无浮砂，着色颜色呈青灰色，耐磨性好。

尽量不在大风和气温突变的天气拆模，不在混凝内部开始降温以前与混凝土内部温度最高时拆模。

2 高性能混凝土温度内部实测

了解高性能混凝土内部的实际温度变化情况，掌握混凝土芯部最高温度、表面温度等详细变化曲线，及混凝土内部实测温度是否满足验标要求。只有经过现场埋设温度传感器定时测温，才能掌握混凝土内部温度变化情况。通过测温，将混凝土深度方向的温度梯度控制在规范允许范围内；由于对混凝土内部温度，各关键部位温差等精确掌握，改善施工操作工艺，可有效控制温度裂缝的出现。

2.1 测温设备选用及配置

大体积高性能混凝土现场测温仪器选用山东济南环宇通有限公司研发的《现场定时测温记录仪》。

测温仪器配置：自动测温时间间隔60 min，精度为0.1°；采用7个测温传感器分别记录大体积高性能混凝土不同部位的混凝土温度与环境温度。

2.2 传感器点位布置方案

①根据大体积混凝土的平面形状，厚度尺寸布点，在中心点、角点等代表性部位布点，在保证能全面反映混凝土内部各点温度的情况下，做到尽量减少布点数量。本次所测承台布点7处分别如下：（1#传感器记录承台横桥向表面温度，2#传感器记录承台中心温度，3#传感器记录承台1/4位置中心温度，4#传感器记录1/4位置表面温度，5#传感器记录承台顺桥向表面温度，6#传感器记录承台角部表面温度，7#传感器记录自然大气温度）。布点平面见图1。每布点承台顶部点距混凝土表面下15 cm，底部点距底面上15 cm。

②传感器点位布置在混凝土浇筑前夕进行。当承台钢筋绑扎完成，进行钢筋验收前，可开始进行布点施工。按施工方案确定的布点平面位置进行布点，用1根φ14钢筋，其长度为浇筑层厚度+20 cm，将温度传感器采用胶布固定于钢筋上的各不同位置处，然后小心将每根钢筋与底板钢筋网绑扎牢，布点结束后，检查各传感器外观是否完好，如有损坏，应立即更换。

③测温仪器安放。在承台混凝土浇筑前将配置好的《现场定时测温记录仪》安放到现场，各传感器的导线插入记录仪；当承台混凝土浇筑开始时将测温仪启动，查看各传感器导线连接是否正常，查看记录仪显示时间是否正常（现场定时测温记录仪要注意做好防雨措施）。

④定期检查。安排专人定时去现场检查仪器运行是否正常，在测温记录仪内存满时，及时将数据用转存器或笔记本电脑转存到现场定时测温记录仪软件中。

⑤数据输出。每天打印温度记录表，及时撑握承台各部位内部温度，了解承台芯部温度与表面温度的上升、下降全过程，测温结束后打印测温记录全过程的温度变化曲线。

图1 测温传感器埋设布置图（单位mm）

2.3 现场测温结果

根据试验承台测温结果看，混凝土芯部及表层温度在混凝土浇筑完成96 h时混凝土温度达到峰值，芯部最高温度达到47.9℃，对应的表层温度达27.9℃，对应芯表温差为20℃、表层与环境温差为2.9℃。

从测温曲线分析，应特别加强混凝土在40 h段与150 h的保温措施。96 h后芯部温度开始缓慢下降，5月23日芯部温度下降到24.4℃，表层为温度20℃，升温速度保持在0.5～2℃/h。降温速度保持在1.5℃/h以内。测温曲线上升与下降过程平稳，总体呈现规则性变化。

根据目前的测温数据得出，通过合理优化配合比设计，加强施工工艺的监控，大体积混凝土施工在不埋设降温管的情况下，芯部温度未超过65℃，芯部最高温度与表层温度差在20℃以内满足施工规范要求。从测温曲线分析在40 h与150 h应特别加强混凝土的保温措施，承台芯部混凝土与表层混凝土之间的温差、表层混凝土与环境之间的温差大于20℃时不宜拆模。现有的温度控制措施能满足验标中对温度控制的要求。

通过采取以上措施，本次大体积混凝土养护温度监控的代表性结构试验点，混凝土表面没有发生任何开裂现象。