大体积混凝土温控抗裂性能评价及温度裂缝防控措施

刘晔

摘要： 针对大体积混凝土温度裂缝的防治问题，通过采用新的混凝土入模设备改进传统施工工艺，并引入有限元分析方法对复杂结构进行理论计算，从而能够采取有效措施提高大体积混凝土的抗裂性能，提高混凝土质量。

Abstract： Regarding to the problem of large volume concrete temperature crack prevention， the new concrete molding equipment is introduced to improve the traditional construction technology， and finite element analysis method is introduced to carry out the theory calculation of complex structure， so as to take effective measures to improve the large volume concrete crack resistance capacity and improve the quality of concrete.

关键词： 大体积混凝土；温度裂缝；裂缝控制措施；伸缩式皮带输送机；有限元分析方法

Key words： mass concrete；temperature crack；crack control measures；the telescopic belt conveyor；finite element analysis method

中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）02-0150-04

0 引言

大体积混凝土是指预计因胶凝材料水化热等因素引起混凝土温度变化导致裂缝或结构断面最小尺寸等于或大于1m的混凝土，其在水运工程中应用广泛，重力式码头现浇胸墙、高桩码头承台、船闸和船坞混凝土底板、防波堤挡浪墙等均属大体积混凝土施工。尽管在施工中采取各种措施，但大体积混凝土裂缝仍时有出现。究其原因，大体积混凝土裂缝主要是由混凝土温度应力变化不均匀所致的温度裂缝发展形成，此类裂缝往往会形成贯穿性裂缝，对水运工程结构的抗渗性、整体性和耐久性产生不利影响。本文结合一项较为成功的工程案例，对大体积混凝土温度裂缝控制措施进行一下探讨。

1 课题研究内容

某码头工程现浇混凝土胸墙为大体积混凝土，具有工期紧、施工干扰大、施工海况等自然条件差、质量要求高的特点，为了避免或减少温度裂缝产生，提高胸墙混凝土施工质量，达到优质混凝土工程的目标，对各种大体积混凝土温度裂缝防治措施进行了比较和探究，并选择了适宜的施工措施，较好的解决了大体积混凝土温度裂缝控制的难题，达到了控制大体积混凝土温度裂缝的目的。

本大体积混凝土工程浇注断面如图1所示。

根据设计要求以上结构断面的胸墙段长为12.5m，总浇注方量约为685方，混凝土设计标号为C35F250，本结构断面最小尺寸大于1m，属于大体积钢筋混凝土。

1.1 浇注工艺的选择

根据以往的施工经验，由于结构跨度大，常规的浇注工艺为泵送，但是泵送混凝土必须采用坍落度大、粗骨料粒径小的配合比，这对混凝土防裂是非常不利的，因此必须选择其它浇注工艺。首先考虑了吊机配吊罐的常规工艺，该工艺能够满足坍落度和骨料粒径的要求，但是施工效率低，必须同时使用两组设备才能勉强满足该工程的浇注要求，而且安全隐患大，成本较高。为解决混凝土入模工艺问题，我们多方寻找，发现了一种被称为“Putzmeister Telebelt”（伸缩式皮带输送机）的设备，该设备由德国普茨迈斯特公司制造，最早是为货场堆放材料所设计，最近几年在机场建设中有所应用。如图2，图3所示。

伸缩式皮带输送机浇筑跨度可达到35m左右，可满足本工程全断面布料要求，混凝土浇筑效率理论可达到280m3/h，施工现场受拌合站拌合能力，施工场地限制等因素影响实际浇筑工效可达到100m3/h，能够充分满足赶潮施工要求，同时在安全性和降低成本方面也具有较大的优势。

1.2 配合比设计优化和原材料优选

混凝土防裂的最重要因素是配合比的设计和原材料的选用，在解决了浇注工艺的基础上，配合比优化就成为控制的重点，本工程委托了具有丰富设计经验试验检测公司进行了配合比设计。本工程C35F250混凝土经试拌后确定为以下配合比，详见表1 C35F250混凝土配合比设计。

本配合比中，水泥为P.O42.5普通硅酸盐水泥；矿物掺合料采用粉煤灰和矿粉双掺，掺量为胶凝材料总量的50%，其中粉煤灰掺量20%，矿粉掺量30%，粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，矿粉为S95级；外加剂为聚羧酸系外加剂，减水率高、抗收缩性好；砂采用水洗河砂，为中粗砂；碎石采用5-16、16-31.5、31.5-63三级配合成的连续级配；水胶比为0.4；砂率为38.0%；坍落度为110mm。

由于水泥水化热的大小直接决定了混凝土的温度应力的大小，配合比试拌前对工程地点附近常用几家优质水泥厂：日照山水、日照大宇、淄博山铝3个P.O42.5规格普通硅酸盐水泥品种进行水化热试验测定，各品种水泥试样水化热试验测试结果如下，详见表2各水泥品种水化热测试表。

经试验测定日照大宇P.O42.5普通硅酸盐水泥水化热最低，适宜用于大体积混凝土的拌制。

1.3 大体积混凝土配合比温控抗裂性能评价

在配合比设计基本确定并取得相关实测数据的基础上，根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》给出的理论计算公式，对该大体积混凝土配合比的抗裂性能进行评价。由于该胸墙结构中有较多管廊，边界条件较为复杂，理论计算的方法不能全面反映该结构的特点，在理论计算的基础上我们同时采用大型有限元分析软件ANSYS对本结构内部温度场及温度应力进行对比。

1.3.1 温度和温度应力估算

以上评价指标显示本配合比混凝土内部温控抗裂性能较差，存在产生温度裂缝的风险，需进一步采取大体积混凝土防裂措施，减小混凝土内部应力或增大混凝土劈裂抗拉强度，以最大程度减少大体积混凝土温度裂缝的出现。

1.4 大体积混凝土温度裂缝控制措施

为解决本断面大体积混凝土防裂问题，结合现场实际情况采取了以下针对性措施。

①通过合理分层厚度，增加浇筑层层面散热量。由于本工程为赶潮施工，因此赶潮施工的部位按50cm厚度分层连续浇筑，保证浇筑速度使浇筑层顶面位于潮位以上，潮位以上浇筑的混凝土按30cm，分层并适当在相邻层浇筑层间增加浇筑间隔，充分利用浇筑层面散热。

②控制混凝土的入模温度，减小温度梯度，降低温度应力。在夏季浇筑时采取冷水拌合、水洗石料和夜间浇筑等方法，降低混凝土的入模温度；在低温季节通常采用热水拌合、加热砂石料和中午高温时间浇筑等方法，合理控制混凝土的施工温度，从而减少温度应力产生。施工期各温控监测到最大混凝土浇注温度为22.8℃，平均混凝土浇注温度为19.7℃，有效降低了混凝土入模温度，从而降低了混凝土的内部最高温度，同时也很好的控制了温升和温降梯度，有效的控制了混凝土内部最大拉应力，根据建设单位委托的应力应变监测试验数据，监测到内部最大拉应力为6.03MPa。

③通过试验对比江西众大、青岛康立达、鞍山鹏程等几家外加剂品种，从中选择了水泥适应性较好的优质减水剂，从而有效降低水灰比，最大程度的降低混凝土塌落度，延缓水泥迅速水化放热，增加混凝土胶凝材料粘结力，同时有效减少混凝土干燥收缩。

④增大混凝土骨料最大粒径，采用了5mm-16mm、16mm-31.5mm、31.5mm-63mm三个的连续级配规格的碎石，增强混凝土断面的抗剪能力，提高混凝土劈裂抗拉强度。

由于采用了以上两项防裂措施，本工程混凝土入模塌落度按60mm控制，混凝土骨料最大粒径达到63mm，对混凝土泵送浇筑入模的工艺产生了制约，不能采用泵车浇筑混凝土，必须引入新浇筑工艺以满足混凝土施工性能要求。根据现场抽检试块结果，采用了大粒径碎石后原配合比的劈裂抗拉强度有了明显的提高，抽测指标值可达到7.83 MPa，从而提高了大体积混凝土的内部温控抗裂安全性能。

⑤加强混凝土的早期养护，混凝土浇筑完成和模板拆除后及时进行覆盖，气温骤降时未拆模浇筑段在模板表面做保温处理，避免混凝土表面产生过大温度梯度，并确保胶凝材料水化反应的顺利进行，达到预期强度指标。

本工程采用塑料薄膜、土工布及薄泡沫板作为保温材料，保温和保水效果良好。

⑥高温区设置降温井、埋设冷却水管、廊道内少量蓄水三种方案的辅助降温方案的比选：高温区设置降温井可有效的增加散热面积调整混凝土内部温度场结构，但由于本工程大体积混凝土浇筑后仍需继续浇筑面层，设置降温井处对面层产生较大约束，容易在该位置产生应力集中的现象对后续面层防裂缝有不利影响；埋设冷却水管可有效依靠水循环降低混凝土内部温度，但冷却水管通水降温需现场控制冷却水温度，操作和管理难度较大，容易产生冷却水水温太低的情况，冷却水管周边温度骤降，产生温度梯度反而会增大混凝土内部温度应力，造成温度裂缝。

考虑到本结构本身自带3道廊道，有较好的降温效果，因此最终选用在廊道底部少量蓄水，通过增加水份蒸发量达到增强廊道降温散热，通过热交换达到良好的降低混凝土内部最高温度效果。

⑦大体积混凝土温控指标监测结果。实施以上防裂措施后对大体积混凝土进行温控监测，监测结果满足《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》JTS202-1-2010的相关规定，温控监测测点根据温度场有限元分析结果布置，监测到混凝土内部最高温度为68.4℃，各温控监测段平均混凝土内部最高温度为51.7℃；混凝土内表最大温差25℃；混凝土最高浇筑温度为22.8℃。

2 工艺实施效果

通过采取了以上大体积混凝土温度裂缝控制措施，该工程的大体积混凝土内部温控抗裂安全系数可达到1.3以上，大大提高了内部温控抗裂性能指标，虽然相对《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》JTS202-1-2010相关规定本抗裂安全系数仍偏低，但经过本工程一百余段现浇胸墙大体积混凝土的施工实践，以上大体积混凝土温度裂缝防控措施有效的防止了混凝土温度裂缝的出现，取得了很好的实践效果，全部胸墙混凝土未出现贯穿性温度裂缝，且基本未发现表面龟裂。施工过程中监理、业主和质监站多次现场检查均未发现大体积混凝土温度裂缝，对该工程温度裂缝控制措施给予一致认可。

3 实践中的经验、教训

伸缩式皮带输送机是比较理想的大体积混凝土输送入模设备，但是其浇注高度较小，从现场实际情况来看超过5m的大体积混凝土就会造成皮带机全幅度浇注的困难，输送效率明显降低。另外，该设备在国内保有量较小，协调难度较大。

在有限元分析中要充分考虑各种边界条件对应力分布的影响，否则分析结果会产生较大出入，因此对于约束条件比较复杂的单元进行有限元分析的技术难度和计算量均较大，需专业设计人员操作。

4 效益评估

本工程在大体积混凝土的裂缝控制方面进行了一些新的尝试和改进，取得的效果比较理想，基本解决了裂缝问题。特别是伸缩式皮带输送机的应用，在提高施工效率、降低混凝土拌合成本、节约资源方面均具有较好效果。本工程施工中创造了单月浇注40段胸墙的纪录，同时由于采用了大粒径碎石和新型布料机械，使大体积混凝土施工成本降低，符合节能、环保的科学发展要求。

5 结语

本文对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨，并结合生产实际介绍了几种在实践中达到了良好应用效果的温度裂缝防控措施。伸缩式皮带输送机输送工艺和有限元分析的应用，对大体积混凝土裂缝防控具有较好的实践意义，值得在工程施工中推广应用。

参考文献：

[1]JTS 202-1-2010，水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程[S].

[2]202-2011，水运工程混凝土施工规范[S].

[3]张波.大体积混凝土温度裂缝的产生原因及控制措施[J]. 北京工业职业技术学院学报，2007（01）.