桥梁大体积承台混凝土温度裂缝控制分析

2020-11-26熊昌吉

商品与质量 2020年14期

熊昌吉

湖南湘北通程有限公司湖南常德 415900

随着桥梁技术的飞速发展，各种新型的大跨径桥梁不断增加，在桥梁结构中大体积混凝土的应用也在增加，但同时也出现了许多难题，其中的问题之一就是大体积混凝土承台的浇筑。大体积混凝土就是混凝土结构的最小尺寸等于或大于1 米的混凝土，或是由于水泥水化热引起混凝土内部温度与外部温度温差过大，而出现裂缝的混凝土。有关规定：任何大体积混凝土浇筑到位都必须采取措施解决水化热和随后引起的体积变形的问题，以最大程度地减少开裂。总之，大体积混凝承台的主要特征是水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快，体积大，表面系数比较小。当混凝土内部与外温部差较大时，会引起混凝土温度裂缝，影响结构的安全性和正常运用。因此，必须从源头上分析其特性，以确保施工建设质量。

1 桥梁承台大体积混凝土的特点

桥梁承台的大体积混凝土结构尺寸大，结构尺寸厚，钢筋布局密集，混凝土设计标号高，水泥用量大，并要一次浇筑大量混凝土，且施工作业时间长，施工作业受环境影响大，施工工艺要求高等特点。浇筑混凝土后，水泥的水化热使结构产生较高的温度，但是由于现场浇筑的混凝土结构的几何尺寸较大，混凝土内部水泥的水化热不易耗散，混凝土结构中的温度场梯度大并且外部环境发生变化，例如夏天天气炎热或温度突然变化，在混凝土内部力的约束下很容易产生温度裂缝。因此，在大体积混凝土浇筑施工中，必须采取相应的技术措施以最大程度地减少开裂[1]。

2 桥梁承台大体积混凝土裂缝产生的因素

2.1 水泥水化热是大体积混凝土中主要温度因素

在混凝土硬化期间，由于水泥的水化作用，在最初的几天中产生大量的水化热，并且混凝土的温度升高。由于混凝土导热性差，内部热量积聚，水化热不易散发，而外部热量散发更快，从内到外形成一种温度梯度。不论升温阶段还是降温阶段，混凝土的中心温度始终高于混凝土的表面温度。由于热膨胀冷缩，混凝土的中心部分比表面混凝土的膨胀速率比大。所以构件中心与表面各质点间的内约束以及来自地基及其它外部边界约束的共同作用，导致混凝土内部产生压应力和混凝土表面产生拉应力。当温度梯度足够大时，当表面拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，在混凝土表面上会出现裂纹。在升温阶段，混凝土未充分硬化，弹性模量小，所以拉应力小，仅在混凝土表面产生裂缝。

由于水泥水化反应的结束和混凝土的持续散热，大体积混凝土从升温阶段过渡到降温阶段。由于混凝土的内部热量通过表面向外散发，因此在冷却阶段，混凝土中央部分的冷却程度与表面部分的冷却程度不同，并且混凝土内部产生很大的内部约束力，这导致收缩混凝土产生拉应力。如果由冷却收缩产生的拉应力大，则容易在混凝土的中心形成较高的拉应力区域。如果此时的拉应力大于混凝土的抗拉强度，则该构件将会出现贯通裂纹。

2.2 外界气温变化的影响

外部空气温度变化的影响在大体积混凝土的施工阶段，外部空气温度变化的影响是明显的。因为外部温度越高，混凝土的浇筑温度就越高。如果外部温度下降，并且又增加混凝土的冷却幅度，尤其是温度的突然下降将大大增加外部混凝土和内部混凝土的温度梯度[2]。

混凝土内部的温度是水化热的浇筑温度，绝热温度等各种温度的叠加，而温度应力是由温差变形引起。温差越大温度应力越大。与此同时，在高温情况下，大体积混凝土不容易散热。混凝土内部的温度通常可以达到60-65℃，并且持续时间更长。

2.3 约束条件与温度裂缝的关系

约束分为外部和内部约束（也称为自约束）。大体积混凝土因为温度变化而变形，并且这种变形会受到外部约束，从而产生应力。这是由于温度变化引起的应力状态。并且当应力超过一定数值时，将导致裂纹出现。

3 大体积承台混凝土温度控制措施

根据分析，我们可以知道造成混凝土开裂的因素很多，但根本原因可以归结为新浇筑的混凝土是由于温度变化引起的过度温度应力超过一定极限而引起的。所以为了有效的防止和控制混凝土温度裂缝的发展与发生并保证浇筑后混凝土的质量，主要任务是严格控制混凝土的温度变化范围，努力减小混凝土的内外温差。避免混凝土中部温度升高太快的问题，与此同时，必须注意延迟混凝土的降温速度，在控制温度应力的同时，必须不断提高混凝土其本身的抗拉强度和混凝土的抗裂性，从而控制和防止大体积混凝土发生温度裂缝的问题。

3.1 控制混凝土中心部位的最高温度

只要可以有效的控制混凝土内部温度的温升值，就可以有效地从根本上控制混凝土结构的中心部分与其表面之间的温差，从而有效地控制温度应力的产生。混凝土中央部分的温度主要来自混凝土的注模温度和由水泥水化产生的水化热引起的温度升高。因此，可以从两个方面采取措施来防止混凝土裂缝：

（1）通过原材降低水化热。

①水泥品种选择。为了降低混凝土的绝对温升，一种是在设计混凝土配合比时选择低水化热的粉煤灰水泥，抗硫酸盐水泥或矿渣水泥作为胶凝材料。第二是减少水泥用量，使用矿渣，粉煤灰和其它活性材料替代部分水泥。

②合理选择粗细骨料。混凝土中的粗骨料和细骨料约占混凝土体积的70%到80%，它对混凝土的性能起决定性作用。在大体积混凝土的施工中，尽量增加粗骨料的粒径。粗骨料的粒径越大，用于包裹粗骨料的水泥砂浆的量就越少。如此一来，单位体积的混凝土的水泥用量就会相应地减少，大大减少了新浇混凝土结构内部水泥的水化热，可以有效地防止和控制温度裂缝的发生。在设计混凝土配合比时，应选择粒径为5mm 至31.5mm 的碎石，碎石的泥浆含量不得超过1%。对于细骨料，应使用平均粒径较大的中等粗砂，并且泥浆含量不得超过2%。如果不符合要求，必须用水冲洗合格后使用，并且石子应符合《建筑用卵石、碎石》的标准。

③使用掺合料和外加剂。在混凝土配合比的设计中，为了减少混凝土的水化热，可以使用部分粉煤灰代替部分水泥。掺有粉煤灰的混凝土可明显改善混凝土的和易性。改善混凝土的工作性能，但同时应知道，不是添加粉煤灰越多越好。根据相关的实验研究，在混凝土中加入部分粉煤灰后，混凝土的早期极限抗拉强度将在一定程度有所降低，新浇筑的混凝土容易出现表面裂缝，所以粉煤灰的添加必须科学合理。根据相关的工程实践，粉煤灰的量一般不应超过混凝土中水泥量的15%，质量应符合《用于水泥和砼中的粉煤灰》的要求。

在混凝土中添加一定量的外加剂可以显着改善混凝土的工作性能，此外，还可以减少水泥量并减少用于搅拌的水量。这样，可以显着提高浇筑后建筑结构的初始强度，并且可以提高应对温度应力的能力，从而避免了产生早期裂缝。在工程实践中，通常将水泥用量的0.25%的水泥钙减水剂添加到混凝土中，以减少用于混合的水量，并避免由于大量不必要的游离水的蒸发而引起的不必要的收缩裂缝的发生。

（2）控制混凝土的入模温度。在高温季节进行施工时，应注意将混凝土的入模温度控制在30℃以下；在低温天气下进行施工时，必须注意确保在浇筑过程中入模温度不低于5℃。还应注意，混凝土的中心温度与混凝土的表面温度之差不应大于25℃，混凝土的表面温度与大气温度之差不应大于20℃。根据混凝土中心部位最高温度值的计算公式，通过降低浇筑施工时的注模温度，可以使混凝土中心部位的最高温度最小化。解决混凝土中央部分及其表面温差过大的问题并避免了温度应力的产生。为了有效地控制混凝土的入模温度，可以采取以下措施：①控制砂石材料的温度。在炎热的夏天进行混凝土施工时，请勿将混凝土中使用的大量沙石暴露于自然环境中。可以覆盖和遮挡沙石，也可以通过冲洗冷却粗骨料。例如，中粗砂场可以搭设防晒棚使之降温。②降低混凝土搅拌水的温度。在炎热的夏天，为了有效的控制入模的混凝土温度，可以将混凝土与冰水混合。③尽量减少混凝土在运输过程中的温升。首先，必须要保持连续均衡供应，以控制混凝土浇筑的温度。提前联系有关部门，确保混凝土的连续均匀供应，并确保每小时供应量不小于50m³，避免混凝土集中供应，造成混凝土罐车在施工现场排队等候浇筑施工，人为的引起温度上升。此外，在混凝土运输过程中，可以在商用混凝土罐车上进行隔热处理，以防止温度升高[3]。

3.2 优化浇捣方法

在进行混凝土施工作业时，应根据项目特点和现场周围环境预先划分混凝土施工段和浇筑混凝土块的顺序。同时，在浇筑混凝土之前，应密切注意当地的天气情况。可以提前与当地气象部门取得联系，提前掌握天气变化情况，科学合理地选择混凝土的施工时间。例如，在炎热的夏天进行施工时，可以选择在夜间浇筑混凝土。例如，在寒冷的冬天进行施工时，可以选择在早上9 点后，等太阳出来在进行浇筑混凝土。在浇注过程中，要注意分层浇注，及时振动以确保没有漏振。浇筑后的混凝土可以振动两次，以达到提高混凝土密度的目的。为了有效的控制混凝土沉陷和收水作用产生的非结构性表面裂缝，对混凝土表层进行两次抹压，即在混凝土初始凝结之前和最终凝结之前两个时，对混凝土进行抹压。

3.3 预埋冷凝水管降低最高温升

通过预先在混凝土中嵌入冷却水管来冷却混凝土是降低混凝土内部温度的最有效与最直接的方法之一。冷却水管预先在混凝土中预埋，在浇筑混凝土后，根据混凝土温度的监测结果，进水温度与出水温度之差≤20℃为宜。通水冷却可有效降低混凝土内部温度。所以在混凝土浇筑施工前，应根据工程特点制定工程计划。通过系统全面的温度应力计算与温度监测，具体掌握混凝土的温度变化规律和分布，并采取科学合理的应对措施，如调整冷却水管中的水温，循环冷却，使用水流量等来专门降低混凝土内部的温度，以保持内部和外部温度之间的平衡，避免温差过大。

3.4 保持混凝土表面温度

（1）做好表面隔热防护。为了确保大块混凝土不会由于天气温度的突然下降而引起的混凝土内部与外部温差过大，而导致混凝土表面产生裂缝，可以在混凝土拆模后立即采取表面保护措施。如采用一层塑料薄膜后覆盖二层海绵做保温保湿养护。如有必要，可根据工程条件采用暖棚法保温。在高温天气下，条件允许时，蓄水保养也是一种不错的方法。混凝土最终凝结后，蓄存一定深度的水在其表面上(一般不小于80mm)，具有良好的隔热和保湿效果。

（2）加强混凝土养护。做好混凝土养护对保证其施工外观与质量，避免出现裂缝具有重要意义。在养护期间，可以适当延长脱模时间，可以有效提高混凝土强度，还可以避免因模板过早拆模而在混凝土表面产生裂缝。要做好混凝土的保温保湿养护工作，发挥其徐变松弛效应，从而降低混凝土温度收缩应力。当混凝土达到一定强度时，应在拆除模板后立即用回填土进行覆盖。大量工程实践表明，早期回填对混凝土具有更好的保护作用。在这些措施中，最容易被忽视的关键环节是模板的及时覆盖，所以在浇筑混凝土后要注意模板的保温和覆盖。

3.5 控制混凝土的降温速率

浇筑混凝土后，必须及时测量混凝土温度，掌握温度变化规律，控制混凝土最高温度与混凝土的升温速率和降温速率。当混凝土的温度变化和变化率异常时，应增加温度观测的频率，以形成温度测量记录，供技术人员进行分析。当降温速度异常时，在确保上述基本温度控制要求的前提下，采取必要的措施进行控制。例如，在浇筑混凝土3 到5 天进入降温阶段时，每天的温度下降并不明显时，可以去除保温材料，并增加浇水强度以降低混凝土的表面温度，从而达到加速冷却的目的。相反，当冷却速率大于2°C/天时，应采取与上述相对的措施来控制温度。