表面保温措施对大体积底板及侧墙混凝土开裂风险的影响

刘 发，李 明，姚 婷

(1.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210004；2.江苏苏博特新材料股份有限公司 高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103)

大体积混凝土因其自身结构特点，在混凝土浇筑后由于胶材水化放热及表面同步散热，混凝土的温度在时间和空间上都不断变化，从而产生温度变形和温度应力，是导致大体积混凝土可能开裂的主要因素.因此，采取保温措施是减少大体积混凝土产生裂缝的重要措施之一[1-4].而实际浇筑成型的混凝土结构处于“水化-温度-湿度-约束”多场耦合作用的环境[5-6]，尽管温度是引起开裂的主要因素，但不同结构形式的混凝土如底板、侧墙结构受到的约束程度不同，以及由水化程度和成熟度不同引起的内外温差、体积变形差等性能差异，最终会导致不同形式的开裂[7].因此，不同结构大体积混凝土表面保温措施需要根据其结构特点进行专项设计.相关的表面保温措施在水工大体积混凝土中研究较多[1-3]，而水工大体积混凝土一般强度较低，胶材用量较少，与民用及市政工程大体积混凝土所用原材料、配合比及结构形式等都存在差别，对应采取的保温方案也不尽相同.考虑到保温措施涉及到成本投入与裂缝控制效果，如何针对特定的结构形式提出精细化的保温措施显得尤为重要.

1 基本工况与评估方法

某地下工程结构大体积混凝土底板厚2.0～9.3 m，侧墙厚1.2～1.5 m，强度等级为C40，由于大体积混凝土胶材水化导致内部温度显著升高，造成内外温差较大，极易导致表面裂缝的产生，而侧墙结构混凝土在降温阶段温降速率快，温降收缩受到底板等先浇混凝土约束，还极易导致内部贯通性裂缝的产生.为实现抗裂性定量评估进而提出精细化保温方案，采用水泥基材料变形开裂的“水化-温度-湿度-约束”多场耦合评估机制和模型[5-6]，计算了不同结构尺寸底板及侧墙结构混凝土的开裂风险，定量分析了表面保温措施与开裂风险之间的关系，基于开裂风险的应力评估准则提出了精细化表面保温建议措施.开裂风险定义为“拉应力和抗拉强度比值”，开裂风险和开裂关系如下：开裂风险≤0.7，表示基本不会开裂；开裂风险≥1.0，表示一定会开裂；开裂风险在0.7～1.0，则存在较大开裂风险[5].该模型已应用在水工大体积混凝土、桥梁大体积混凝土及轨道交通地下工程主体结构混凝土等多项重点工程中，计算结果的准确性得到了验证[6-8].

2 底板结构评估结果

底板结构一次性浇筑长度为40 m，在开裂风险较高的夏季施工工况下，不同厚度底板结构混凝土温度评估结果如图1～图3所示.结果表明，结构尺寸影响混凝土中心温度发展历程，当厚度达到一定尺寸时，混凝土中心接近绝热状态，由于混凝土自身热惰性特点，使得内部热量容易积聚，中心表现出较高温度.由于表面散热快，结构尺寸将影响中心散热速率，进而产生较大的内外温差.对本工程而言，当底板厚度为2.0～2.3 m时，混凝土中心温度历程表现出快速升高至温峰随后快速降温的特点，同时内外温差最高达到45.5～47.1 ℃，且随着龄期温差快速减小.当底板厚底为8.1～9.3 m时，混凝土中心温度历程表现出快速升温随后缓慢降温的特点，同时内外温差最高达到59 ℃左右，且随着龄期温差减小趋势缓慢.底板结构表面开裂风险评估结果如图4所示，结果表明，不同厚度底板结构混凝土最大开裂风险均超过1.0，即在夏季施工入模温度为35 ℃、一次性浇筑长度为40 m的工况条件下，不同厚度底板混凝土裂缝控制难度较大，必须从原材料优选、配合比优化、掺加抗裂功能材料及施工工艺优化等措施来降低混凝土开裂风险.

图1 底板结构中心温度历程

图2 底板结构表面温度历程

图3 底板结构内外温差

图4 底板结构表面开裂风险

在上述评估的基础上，研究了不同保温措施对底板结构混凝土开裂风险的影响，如图5～图6所示.结果表明，当保温措施散热系数不超过1 000 kJ/(m2·d·℃)时，混凝土内外温差降低程度比较明显，这种趋势随底板厚度的增加而降低.当底板厚度为2 m、2.3 m时，采取的保温措施散热系数为不超过333 kJ/(m2·d·℃)、396 kJ/(m2·d·℃)时，可控制内外温差不超过25 ℃，而对于厚度为8.1 m、9.3 m的底板结构，控制内外温差对保温措施要求较高，且效果有限，应进一步采取其他辅助温控措施如设置冷却水管等技术措施.对于底板结构混凝土，中心及底部所受约束较小，一般开裂风险不超过0.7.除塑性阶段因水分快速散失容易引起表面塑性开裂外，大体积底板结构开裂主要由内外温差过大所致.对于厚度不大于2.3 m的厚底板，为控制由内外温差引起的开裂，根据抗裂性评估计算结果，建议采用外保温的方式，控制内外温差小于18 ℃，表面保温等效散热系数需不大于170 kJ/(m2·d·℃)或保温效果等效于2 cm干棉絮的保温效果，条件允许的条件下尽量采取20 cm蓄水保温养护方式，且控制水温与混凝土表面温度之差应不大于15 ℃.厚度大于8 m的超厚底板，过分依赖外保温不仅造成较高的成本且对裂缝控制效果有限.因此，不仅表面需要采用外保温的方式，由于降温周期较长，影响施工进度，建议进一步降低入模温度，同时内部预埋冷却水管强制降温.

图5 保温措施对底板最大内外温差的影响

图6 保温措施对底板表面开裂风险的影响

3 侧墙结构评估结果

侧墙结构一次性浇筑长度为20 m，在开裂风险较高的夏季施工工况下，以厚度为1.3 m侧墙结构混凝土为例评估结果如图7～图10所示.结果表明，与底板结构相比，侧墙结构散热条件较好，其温升值也较底板大幅降低.采用钢模条件下不同拆模时间对侧墙结构混凝土中心温度及开裂风险历程影响不大，延长拆模时间后会降低表面降温速率，因而可降低表面混凝土开裂风险.总体上，由于侧墙混凝土温升较高且温降速率较快，在温降阶段的温降收缩耦合自收缩等收缩变形受底板约束条件下容易出现规整的竖向贯通性裂缝，同时由于结构尺寸较大，内外温差显著，由此会造成表面开裂，未采取保温措施时，侧墙混凝土中心及表面最大开裂风险均超过1.0.

图7 拆模时间对侧墙中心温度的影响

图8 拆模时间对侧墙表面温度的影响

图9 拆模时间对侧墙中心开裂风险的影响

图10 拆模时间对侧墙表面开裂风险的影响

考虑到较高的水化温升是引起开裂的主要原因，若在升温阶段即采取保温措施，尽管会降低混凝土内外温差，但会提高中心温度，引起的贯通性裂缝对结构耐久性更为不利.因此，比较了在降温阶段采取不同保温措施对混凝土开裂风险的影响，如图11、图12所示.结果表明，采取外保温的措施可降低侧墙结构混凝土中心开裂风险发展速率，在一定程度上延长了混凝土开裂时间，但对最大开裂风险影响不大，仍超过1.0.当保温措施散热系数不超过747 kJ/(m2·d·℃)时，温降阶段混凝土表面开裂风险可降低至0.2以下，但温升阶段存在的内外温差仍使得混凝土开裂风险超过1.0.因此，对于大体积侧墙结构混凝土，仅采取表面保温措施可控制内外温差引起的表面裂缝，为实现对由温降收缩耦合自收缩等收缩变形受底板约束造成的竖向贯通性裂缝的有效控制，还需要采取温度场与膨胀历程双重调控技术[9]，如掺加具有温升抑制和微膨胀功能的抗裂剂，同时配合降低入模温度等工艺措施.

图11 侧墙中心开裂风险

图12 侧墙表面开裂风险

4 结论

1)底板结构混凝土的开裂主要由内外温差引起，不同厚度对应的保温措施不同.当厚度较小时，采取表面保温措施即可实现对温差裂缝的有效控制，当厚度较大时，采取表面保温措施效果有限且成本较高，建议在抗裂性定量评估的基础上，量化表面保温技术参数，同时结合降低入模温度、采取冷却水管等技术措施.为使得开裂风险不超过0.7，建议控制内外温差不超过18 ℃.

2)仅采取外保温的措施可控制大体积侧墙结构混凝土内外温差引起的表面裂缝，无法解决由温降收缩耦合自收缩等收缩变形受底板约束造成的竖向贯通性裂缝.建议在抗裂性定量评估的基础上，结合入模温度控制及温度场与膨胀成历程双重调控技术的基础上，量化表面保温技术参数.