论大体积混凝土温度裂缝成因及控制

龙春成

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001）

0 引言

直径1 m以上的混凝土为大体积混凝土结构，该结构在浇筑过程中由于水泥水化产生大量热量，在结构内部聚集难以散发，出现大体积混凝土结构内部和外部间温差过大，易出现结构裂缝[1-2]。该文对大体积混凝土温度控制措施进行探究，期望为控制大体积混凝土结构裂缝，提供工程实践借鉴。

1 工程概况

该研究的工程案例为某大型桥梁承台工程，桥梁主墩为空心墩，桥梁以灌注桩为基础，由C30混凝土浇筑构成桥梁承台，各承台均为混凝土实心结构且彼此连接。桥梁承台土方量合计6 693 m3，承台结构尺寸为23.3 m×19.3 m×5.1 m，项目属典型大体积混凝土施工类型。

2 温度裂缝成因及控制措施

2.1 混凝土的特点

混凝土材料具备较高的抗压强度，抗拉伸性强度低且抗拉强度小，有一定脆性且材质均匀性差[3]。混凝土抗压强度为抗拉强度十倍，短期极限变形范围为0.6×10-4～1.0×10-4，与其处于6～10°环境线下的变形指标一致，长期极限拉伸变形为1.2×10-4～2.0×10-4。

2.2 温度裂缝产生机理

浇筑后2～5 d内混凝土内部会出现大量水泥水化热，导致混凝土内部热量大量凝聚，温度迅速升高，最大温度可达60～65 ℃。由于积聚效应，混凝土内部膨胀，在内外温度差作用下形成温度梯度，混凝土内部受产生的约束力作用，混凝土内与表面分别出现压应力和拉应力，当拉应力值超过混凝土极限抗拉强度值时则会出现表面裂缝现象。混凝土成型早期基本处于塑性及弹塑性状态，其弹性模量水平较低，约束应力水平不足，随后随着混凝土温度下降，弹性模量值增加，约束拉应力水平也有所升高，当约束拉应力值超过抗拉强度水平时也会出现表面裂缝现象[4]。

2.3 温度裂缝的控制措施

温度作用下产生的拉应力超过混凝土极限抗拉强度是引发表面裂缝的根本原因，故此可根据施工需求适当增加构造筋数量以改善混凝土的抗裂性能，对温度引发的裂缝效果加以控制。增配构造筋需保持小间距，选用小直径产品，既往研究证实保持间距150 mm并选用直径8～14 mm的构造筋效果最佳。为保持混凝土结构稳定，一般保持混凝土全截面配筋率在0.3%～0.5%范围内，如构造筋无法满足抗约束效果，则应当增加其数量，直至满足变形构造基本要求。

大体积混凝土内部的温度为瞬态温度场，其数值随着时间和位置变化，初期温度变化特征与抛物线结构相似，随后温度曲线稍平缓并逐步趋近于外界温度。影响大体积混凝土内部温度的因素众多，一般情况下，对于大体积混凝土内部温度的控制需考虑内外温度变化及其温度峰值。外部环境、散热边界条件、混凝土配合比等因素都会对大体积混凝土内部温度峰值产生影响，可将其分为水泥水化热温度、浇筑温度、混凝土散热温度三个部分，故降低大体积混凝土内部温度也应针对上述三个方面采取针对性措施。与此同时，浇筑施工过程中也需降低混凝土结构约束力并加强全程养护[5]。

3 承台大体积混凝土温控技术

3.1 原材料选择和混凝土配合比优化

通过改善混凝土配合比达到最佳水平以降低混凝土水化热是降低大体积混凝土内外温度差的有效措施。

（1）坚持“强度合格”原则基础上进行对组对比试验，确定最佳的水泥型号、添加剂成分及其配比，通过控制配合比减少浇筑过程中的水泥水化热[6]。

（2）优化混凝土浇筑方式。泵送混凝土方案具备效率高、成本低、施工便捷的特征，但是需对技术指标严格控制。为确保浇筑质量，初始坍落度需大于18 m，且初凝时间保持在18～22 h内。该案例桥梁承台选用的C30混凝土配合比情况如表1所示。

表1 优化后C30承台混凝土配合比

3.2 承台大体积混凝土分层浇筑措施

合理的施工技术是确保混凝土浇筑质量的关键。为提高浇筑水平，施工中应用斜面分层和全面分层的浇筑方案，解决初期浇筑过程中混凝土过热温度的同时，有效降低了内外温差[7]。

（1）全面分层法。沿建筑物长侧浇筑，第一层混凝土浇筑完毕前进行二次浇筑。

（2）斜面分层法。用于建筑物厚度小于长度三分之一的情况下，需保持施工斜坡坡度小于三分之一。该案例中桥梁承台厚度为3 m，顶部厚度为2 m，结合实际情况选用了全面分层浇筑联合斜面分层浇筑的施工方案。

3.3 承台冷却管埋设及控制要求

大尺寸承台结构多采取一次性浇注筑工艺，混凝土结构内部设置冷却管加速热量散发，借助热循环提高浇筑成功率。

（1）承台冷却管多选用φ50 mm×2.5 mm焊管，并单独设置单层冷却管进行水循环，避免置于混凝土结构内部的冷却管道过长引发堵塞。项目承台内部设置了4层独立冷却管，通过对管道内循环水量的控制降低混凝土结构内部温度，减少表面裂缝概率。

（2）科学控制冷却水管安装质量，合理布置管线格局，通水检验避免漏水。根据项目需求合理控制通水时间与流量，水管埋深大于250 mm需进行通水并保持通水流量大于30 L/min。

（3）做好温度检测，当冷却水管进水口与出水口温差大于9 ℃时需加大冷却管内水流量，并严格控制进水口水温，将混凝土内部温度与进水口水温温差限定在25 ℃以内。

3.4 承台大体积混凝土的合理养护

做好日常养护工作是避免大体积混凝土裂缝的关键，也是保障项目施工质量的有效措施。故此，需加强大体积混凝土日常表面润湿工作。

（1）温度控制。温控对保障大体积混凝土浇筑质量至关重要，多以内外结合的方案进行有效控制。混凝土结构内部以冷却水循环的方式降低内部温度，减少水泥水化热引发的混凝土结构内部温度急剧升高，从而实现控制温度的目的，该方法被称为降温法。混凝土外部则采用覆盖麻袋、泡沫板、塑料薄膜等保温材料的方式降低大体积混凝土构件表面与外界接触，减少热交换以实现保温的目的。外保温和内降温方式的运用，能减少混凝土结构内外温差，避免温度裂缝的出现。

（2）混凝土养护。为确保工程质量，以项目施工经验为基础，合理增加混凝土养护措施。该案例中桥梁承台大体积混凝土浇筑施工时间为冬季，混凝土内外温差大，水泥水化反应慢，需增加养护时间满足水化反应充分的需求，确保混凝土强度符合标准。故此，施工中达到一定温湿度后需对混凝土构件表面加强润湿，并结合项目需求进行合理养护，最终确定养护时间需大于21 d。施工过程中，需保障混凝土强度大于2.5 MPa以满足荷载需求，避免荷载因素对桥梁承台结构强度产生影响[8]。

（3）合理确定拆模时间。拆模前需进行检测，确定各项指标符合规定方可实施，包括周围环境、结构表面温湿度、混凝土强度等，一般需保持混凝土强度大于10 MPa，且温度低于20 ℃时方可拆卸模板。拆除模板时需做好保温措施，拆模期间及拆模后通过洒水控制混凝土构件内外温差，同时注意维护结构物表面完整性。

4 温控结果分析

未采取温度控制措施情况下的混凝土水化热绝热温度如公式（1）所示；采取温度控制措施后，混凝土施工配合比、外部环境等因素变化，以大体积混凝土温度控制为例，采取内部布设冷却水管利用循环水降温的方式控制温度。

式中，结合该项目各指标取值如下：水泥用量mc=307 kg/m3，发热量Q=377 J/kg，比热容C=0.96 J/kg·℃，重力密度d=2 400 kg/m3，经验系数m=0.3。

未采取温度控制措施情况下，借助公式（1）获得混凝土水化热绝热温度数据，记为温度1；利用有限元软件Midas/Civil分析获得采取混凝土内部冷却水管循环水降温措施的水管温度，记为温度2；将现场测量的实际温度记为温度3。三个温度数据随时间变化的情况如表2所示。由表2可知，温度2和温度3数据基本一致，绝热温度均小于30 ℃。

表2 混凝土水化热绝热温升值与时间关系

现场测量获得温度数据变化情况如下：

（1）承台中间区域呈现温度迅速升高缓慢下降的趋势，最高温度为29.35 ℃且持续3～9 h，升温期约3～4 d。

（2）各测温层温度下降值小于2 ℃/d。

（3）测温层最大温差22.2 ℃，并对温度实际实施监测并跟踪承台结构状况，未发现裂缝现象，证实该案例采取的稳控措施有效。

5 质量、环保控制措施

5.1 质量管理措施

桥梁施工环节建立相对科学的质量控制体系，并严格执行技术交底制度。施工前，严格落实施工手册，认真执行工作任务交接，加强针对项目管理人员技术培训。作业过程中，技术人员重点交底施工工艺、技术指标，现场督导关键环节施工，采取书面形式完成技术交底，附带图表与文字说明，提高认知准确性[9]。

加强原材料质量把控，全面调研原材料市场，秉承优中选优原则，结合项目实践选择信誉突出、质量可靠的供应商建立合作关系。进场前，对原材料供应商产品合格证、质量证明书进行核查，认真比对材料厂家、型号、类型等技术指标，确保符合方案要求后方可进场，现场随机抽样完成质量跟踪，检测合格的材料方可应用于施工环节。

5.2 环保管理措施

强调文明施工，提高工作人员环保理念，确保工程高质量竣工。加强卫生管理，落实环保理念，切实推动精神文明建设，提高工程项目质量。

（1）场地洁净，器具摆放整齐，分类放置，无异物杂物堆积。

（2）施工道路通畅、整洁，无散落物，场地平整，无坑洼、积水。

（3）水资源保护。避免水资源污染，严禁将清洗机械、施工设备的废水直接排入江河，做好污水处置与养护，加强日常维护与记录。

（4）完工后清理现场，恢复秩序。工程竣工后，确保操作面整洁，操作区域及周围环境无污染物，及时回收并处置废弃物[10]。制定符合项目特点的环保施工方案，结合施工实践适度调整。

6 结论

综上所述，大体积混凝土水泥水化热属三维空间热传导，内部水化热与外部气温变化对混凝土内部结构温度产生显著影响，并在多重因素影响下引发裂缝。大体积混凝土项目施工过程中，温度控制是质量控制的有效措施，通过提高混凝土配合比科学性，合理安排浇筑顺序，应用保温材料降低混凝土内外温差，设定合理浇筑时间，采取自动化监测技术实现温度控制与实时调整，为有效控制大体积混凝土内外温度确保施工质量奠定基础。该文所述工程实践中，大体积承台施工阶段通过合理的温度控制措施，将混凝土内外温度控制在既定范围内，未出现温度裂缝现象，提高了项目质量，保障了其经济效益，相关温控技术与措施为同类项目建设提供了参考。