桥梁承台大体积混凝土温度裂缝控制技术研究

■谢江平

（福建省高速公路有限责任公司三明管理分公司，三明 365000）

1 引言

随着工程建设规模的不断增大，大体积混凝土结构的应用也愈发广泛，在满足强度、刚度、整体性和耐久性的设计要求的同时，控制温度应力和温度变形裂缝的扩展，成为大体积混凝土质量控制的关键。本文以福建省泰宁县金湖2号大桥为工程背景，通过原材料选用、施工工艺控制、混凝土养护等温控措施，详细阐述了如何有效防止大体积混凝土温度裂纹的产生。

2 工程概况

金湖2号大桥为福建省泰宁县“镇镇有干线”下渠至大龙公路控制性工程，采用三跨（66m+120m+66m）现浇连续刚构桥型式，1#墩承台尺寸为10.5m×10.5m×3.5m，根据我国 《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 55-2000）的规定，1#墩承台属于典型的大体积混凝土结构。混凝土强度等级为C30。

3 温度裂缝产生机理

由于导热性差，大体积混凝土内部降温速度慢，而外部降温速度很快，外部收缩大于内部收缩，这种内外收缩的差异使得混凝土内部给外部起了约束的作用，使混凝土外表面产生了拉应力。当内外温差过大时，拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土表面产生裂缝。

浇筑后升温过程中混凝土的弹性模量很小，受到边界约束时产生的压应力很小。而降温过程中，弹性模量迅速增大，约束产生的拉应力也随之增大，且抵消前期压应力后还存在很大的剩余拉应力。当剩余拉应力大于混凝土此时的抗拉强度时，结构便出现内部收缩裂缝，若与外表面裂缝连接便形成了贯穿裂缝。

内部的水分蒸发散失也会引起混凝土体积收缩。由于混凝土表里温度不均匀，失水收缩变形也随之不均匀，平均的失水收缩又有利于温度变形引起的应力，也可能导致混凝土开裂。

4 有限元模型计算

采用MIDAS/Civil有限元软件，取承台1/4部分建立有限元模型，考虑混凝土浇筑温度、施工间歇期、混凝土水化热的放热规律、养护方式、冷却水管降温、外界气温变化、混凝土弹性模量变化、桩基约束以及混凝土徐变等因素，模拟计算承台混凝土温度及应力场的分布情况，仿真计算结果显示：承台最高温度出现部位在承台中心区域，最高温度为54.7℃（如图1所示）；底部混凝土由于桩基及内外收缩的约束，受到主拉应力最大，不同龄期的最大主拉应力如表1所示。

图1 承台混凝土最高温度示意图

表1 底部混凝土最大主拉应力

从表1结果可以看出，承台混凝土早期温度拉应力发展很快，而后期温度拉应力发展缓慢，其中14d的最大主拉应力为1.99MPa，所以温控防裂的重点应在控制混凝土早期裂缝。

5 温度裂缝控制措施

5.1 合理选用原材料和配合比

混凝土原材料的质量及其配合比设计是大体积混凝土裂缝控制的一个重要的因素。

5.1.1 原材料的选用

在大体积混凝土工程中，水泥应尽量选用水化热低，凝结时间长的水泥。骨料要尽量选用粒径较大、级配良好的骨料，同时严格控制砂石的含泥率和石子中的针状和片状颗粒的含量。粉煤灰不仅可以降低水化热、改善混和易性，而且进一步改善了混凝土内部的孔结构，减少混凝土收缩。1#承台选用混凝土原材料如下：

（1）水泥：选用水化热低的P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

（2）骨料：选用 4.75～31.5mm 碎石，针、片含量＜10%，含泥量不大于1%，级配良好。砂为河砂，含泥量不大于5%，细度模数大于2.53。

（3）粉煤灰：掺加磨细的Ⅰ级粉煤灰。

（4）外加剂：掺入适量的高效减水剂与缓凝剂。

5.1.2 混凝土配合比设计

配合比方面在满足混凝土强度等级的前提下，尽量减少水泥的用量、降低水灰比、减小坍落度，同时掺入适量的外加剂，可以改善混凝土的性能，节约水泥，降低水化热。

根据《普通混凝土配合比设计规程》与《大体积混凝土施工规范》；试验确定的承台混凝土配合比如表2所示：

表2 1#承台混凝土配合比（kg/m3）

5.2 施工工艺控制

5.2.1 控制混凝土入模温度

混凝土入模温度直接影响到混凝土的内部最高温度，因此要严格控制混凝土出机温度和浇筑温度。

首先要降低骨料温度。料仓采用顶蓬遮盖以减少阳光照射，浇注前对砂石进行洒水降温（注意砂石含水率变化）；骨料尽量堆高，底层取料。

二是要降低水的温度。据相关研究发现：水温每降低1℃，可使混凝土出机口温度降低0.2℃左右；因此，拌和用水预先放入地下蓄水池中降温，用低温水拌和。

三是夜间浇筑混凝土，避开当日高温时段。

5.2.2 控制混凝土浇筑工艺

大体积混凝土的浇筑工艺一般可分为：水平全面分层、水平分段分层及斜面分层三种形式。根据项目自身特点，1#承台采用水平全面分层浇筑方式。根据有限元仿真计算结果，由于底部混凝土受到桩基约束，温度应用较大；因此，1#承台分二层（第一层1.5m，第二层2m）水平全面分层浇筑。

每一分层混凝土浇筑遵循“同时浇捣、分层推进、一次到顶、循序渐进”原则，按30cm分层，在下一层混凝土初凝前完成上一层的混凝土浇筑。

上分层浇筑前应清除下分层混凝土表面浮浆，并拉毛处理。

5.3 设置冷却管

5.3.1 冷却管埋设

根据混凝土内部温度分布特征，承台内部冷却水管按照冷却水由热中心区域流向边缘区的原则分层分区布置，且上下层冷却水管相互交错，每层冷却管进、出水口相互错开。

承台混凝土沿厚度方向布置3层Φ50mm的冷却水管，水管水平间距为0.8m（见图2）。

图2 冷却管平面布置图

5.3.2 通水冷却

冷却水管在使用前应进行压水试验，防止管道漏水、阻水。

混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水，流速应大于 60cm/s；保证冷却水管进水温度与混凝土内部最高温度之差不应超过25℃。通水时间可根据检测结果确定。当温度经过最高点开始下降后，应通过调节冷却水的流量以控制降温速度。

为防止上层混凝土浇筑后下层混凝土温度的回升，浇筑下层混凝土时，对上层混凝土采用二次通水冷却。

5.4 混凝土养护

混凝土浇筑完毕后，及时覆盖养生草袋，对其进行保温保湿养护。保温养护可降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值，从而降低混凝土块体的自约束应力。混凝土洒水养护7d，保持混凝土表面湿润，避免出现表面干裂收缩。

6 温度监测及数据分析

为了掌握混凝土内部的最高温升及中心部位与表面部位的温度差，以指导温度控制技术措施，根据承台混凝土的结构特点、结构的对称性和温度变化的一般规律，在承台内部共布设2层温度传感器，共10个。

温度测试在混凝土浇筑后立即进行，连续不断。混凝土的温度测试，峰值以前每2h监测一次，峰值出现后每4h监测一次，持续5d，然后转入每天测2次，直到温度变化基本稳定为止。采用PN结温度传感器测得承台混凝土内部温度场各特征参数。

按照《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-2002）的规定：“大体积混凝土表面和内部温差控制在设计要求的范围内，当设计无具体要求时，温差不宜超过25℃”。由表3可知，由于温控措施到位，大体积混凝土温度控制效果良好。

表3 承台混凝土内部温度场特征参数

7 结语

综上所述，在混凝土终凝、拆模、混凝土28d龄期及经历一个冬季后等不同阶段，混凝土表面均未出现裂纹。因此，在大体积混凝土施工过程中，通过优选混凝土原材料和优化混凝土配合比、控制好混凝土浇筑工艺、布置冷却水管进行通水冷却、以及混凝土养护等温控措施，可以有效的控制大体积混凝土的内表温差，避免混凝土裂缝的产生。

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.[M].北京：中国电力出版社，1999.

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