超长大体积混凝土结构早期开裂的施工控制与管理

王志勇 陈宣亦

（沈阳市建设工程质量监督站，辽宁 沈阳 110000）

在混凝土浇筑后的最初几天内发生的早期开裂是建筑行业中面临的主要问题[1]。早期开裂会严重影响混凝土结构的耐久性、强度和长期性能，而在超长大体积混凝土结构中尤为明显，例如桥面、水坝、高速公路路面、工业和住宅等大型基础施工。早期开裂主要由收缩（包括干燥收缩和自生收缩）或热膨胀引起[2]。此外，开裂和应变造成损伤主要由混凝土结构内部钢筋约束造成的。

现有的检测设备主要用于评价材料的早期抗裂性，因此对研究超长大体积混凝土结构中的混凝土应变监测效果不佳[3]。早期应用于超长大体积混凝土结构的裂缝控制措施大多考虑单一措施，缺乏对各种裂缝控制措施的对比分析。因此，本文在以大体积混凝土结构构件（18000mm×6000mm×1200mm）为对象测试和分析了三种不同的裂缝控制措施，即管道冷却法、诱导缝法、交替施工法，并设定温度和应变作为评价混凝土结构早期开裂的指标。研究结果可为混凝土结构早期开裂的施工控制与管理提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 材料

本工程采用42.5级水泥和粉煤灰。其中，水泥主要化学成分为CaO（65.27%）、SiO2（25.54%）、Al2O3（8.13%），粉煤灰主要化学成分为SiO2（58.61%）、Al2O3（25.14%）、Fe2O3（5.80%）。所用细骨料和粗骨料均符合中国标准JGJ 52-2006的规定。细骨料的细度模量为2.62，土壤含量小于1%[4]。破碎的石灰石具有连续等级，尺寸范围为5mm～31.5mm。

1.2 测试设备

为评估不同裂缝控制方法的效果，对不同位置的混凝土表面温度和应变进行为期7d的现场测试。混凝土应变利用振动钢丝应变计测量，应变计埋设在混凝土结构中的不同位置，并配有应变传感器来观测应变[5]。

1.3 试验方法

1.3.1 管道冷却法

管道冷却法中的管道水平布置于结构中，以便增加混凝土内部的冷却效果。冷却管由直径30mm、厚度1mm 的钢材制成，并且每隔1000mm 安装在混凝土结构中。养护期间，以3L/min 的速度向管道中注入22℃的水，并使用水泵确保冷却水的顺畅流动。当混凝土的温度下降时，冷却水的供应逐渐停止。

管道布局如图1所示。在结构表面上加设钢筋以固定冷却管。在施工过程中，应注意保护管道，确保后期冷却水流通顺畅。测点位置应能完整准确地反映大体积混凝土的温度变化和大应变下的位置变化。如图1所示，在超长大体积混凝土每3000mm 平均布置五个传感器阵列，任何两个传感器之间的水平间隔为2000mm。第1 阵列的传感器（11、14 和15）靠近节段的内表面，其他阵列的位置与阵列1 类似。线组1（11、21、31、41 和51）靠近节段内表面，线组2（12、22、32、42和52）放置在节段中间，线路组3（13、23、33、43 和53）位于靠近结构表面的节段。

图1 管道冷却法的传感器布局/mm

1.3.2 诱导缝法

工程中通常采用诱导缝法来减少穿过诱导缝截面的纵向钢筋数量，以诱导混凝土结构有序开裂。这种方法不同于传统的诱导连接方法，该方法可有效降低结构刚度和释放结构的早期温度应力。本文将工字钢插入结构中，以产生刚度的突然变化，从而导致工字钢出现裂缝，进一步释放应力。同时，使用工字钢翼板防止裂纹扩展到结构表面，并防止裂纹延伸穿过结构。两个诱导缝之间的距离为8000mm，两个诱导接缝距离两侧施工缝为5000mm。传感器的布局如图2所示。

图2 诱导缝法的传感器布局/mm

此外，与没有诱导缝的结构平面布置图相比，每组测点的间距应适当增加，以满足布置要求，并且测量点的布局应适当减少在诱导接头两侧的上部区域中。五个传感器阵列沿着该段布置，阵列1、2、4和5位于诱导缝的两侧，传感器阵列1（11 和14）被放置在诱导缝附近的内表面中。任意两个传感器之间的水平间隔从左到右为2000mm，阵列2、3、4和5的放置方式与阵列1相似，阵列3 位于结构中间，三个应变仪分别布置距结构边缘1000mm、3000mm及5000mm的位置。

1.3.3 交替法

交替法施工主要是在混凝土结构的水平方向设置施工缝，利用施工缝将结构按一定尺寸分成若干块。相邻的施工段间隔浇筑混凝土，当混凝土浇筑完成并产生较大收缩变形后，再浇筑与其相邻位置混凝土进而连成整体。根据温度收缩应力与结构长度的非线性关系，混凝土早期（7d～10d）的温差和收缩变形都比较大，因此，采用短距离应力释放的方法来解决早期的收缩问题，以解决混凝土裂缝收缩问题。

混凝土构件的测量点可以全面准确地反映大体积混凝土的温度变化和大应变位置的变化。传感器的位置和安装如图3所示。混凝土结构距边缘每3000mm平均布置五个传感器阵列，任何两个传感器之间的纵向间隔为2000mm，第2 阵列的传感器（21、24 和25）靠近节段表面，线组1（11、21、31、41和51）靠近区段内表面，线组2（12、22、32、42和52）置于区段的中部，线组3（13、23、33、43和53）布置在靠近外表面的节段。

图3 交替法的传感器布局/mm

2 结果及分析

2.1 管道冷却法

用管道冷却法在0h～168h 期间的混凝土结构中部测得的水化热和应变历史。不同位置的混凝土温度发展趋势相似：结构长度方向，浇筑24h后，混凝土结构的最高温度出现在32 点，温度峰值为66.9℃。达到最高温度后，混凝土温度缓慢下降，直到测量温度接近室外温度，温度随时间变化逐渐平缓稳定。结构厚度方向，混凝土中心的温度接近下部温度，内表面的温度达到最低。80h后，每个点的温度接近相同。

与不同位置的温度不同，不同位置的应变变化较大（如图4所示）。图4(a)为应变沿长度的变化。最大应变位于中间的32 点处，推测主要是由于混凝土结构在中部区域容易发生应力集中的缘故，进而导致该点处应变最大。浇筑后0h～8h 内的应变为压缩应变，8h后逐渐变为拉伸应变，而在26h后逐渐减小。在远离冷却管进水口的地方混凝土冷却效果变弱，底部出现较大的约束。图4(b)为应变随厚度的变化。最大应变位于32 点处，推测与混凝土结构在中部区域发生应力集中有关，且33 点和31 点分别受到地基约束、外界自然环境及后期养护影响，应变衰减平缓。

图4 混凝土结构中部测量的应变曲线

2.2 诱导缝法

采用诱导缝法的超长大体积混凝土结构在0h～168h内的水化热和应变变化，其中温度变化情况为：沿长度方向的温度变化，混凝土的最高温度出现在浇筑20h 后，测量点位于筏板42 点处，最高温度为79.9℃。20h 后，混凝土温度缓慢下降，直至内部温度接近大气温度，温度随时间变化逐渐达到平稳，厚度截面的最高温度出现在筏板中部33点处。

裂缝重要观测指标应变变化情况为：最大应变在诱导接缝的第22点测得。应变在混凝土浇筑后0h～6h内为压缩应变，6h 后逐渐转变为拉伸应变。横截面的最大应变值出现在筏板中部33点位置。原因推测为工字钢诱导接缝的构造改变了相应结构的刚度，从而产生较大的应变（如图5所示）。

图5 中部测量的应变曲线

2.3 交替施工法

测得采用交替施工方法的混凝土结构0h～168h 的水化热和应变变化，并进一步分析结构底部温度和应变随时间的变化趋势。其中，温度变化情况为：一是为沿长度方向的温度变化。浇筑24h后，最高温度有所上升。最高温度点位于中部，温度峰值为55.7℃。24h后，混凝土温度缓慢下降，直至测量温度接近大气温度，温度随时间变化变得平缓、稳定。结构横截面（厚度方向）的最高温度出现在中部；二是应变变化情况。沿长度方向最大应变位于中部的第32点。应变在混凝土浇筑后0h～28h 为压缩应变，28h 后逐渐转变为拉伸应变。结构横截面的最大应变出现在超长大体积结构的中部，而靠近下部受地基约束，应变较小（31点）。推测原因为在温度和约束的共同作用下，中部产生较大的应变。如图6所示。

图6 在中部测量的应变曲线

2.4 不同控制方法的分析

经整理，0h～168h不同措施下混凝土的水化热和应变历史，在所有测试方法中，混凝土结构的温度几乎在同一时间达到峰值，并且不随三种裂缝控制方法改变而变化。在诱导缝法中，温度下降幅度变化较大，而在交替施工法中较为平缓。除去环境温度的影响，管道冷却法与诱导缝连接法相比，混凝土峰值温升降低13℃。

混凝土结构的应变与时间变化曲线显示了不同裂缝控制措施的影响如图7所示。可以观察到，三种控制方法获得的应变历史均呈现出典型的早期行为趋势，即初始压缩应变逐渐释放并转化为拉伸应变。在不同措施下的应变历史的压缩应变部分，管道冷却法的应变最小，诱导缝法结构的应变最大，而交替法结构的应变变化幅度最大。管道冷却法在26h 时获得最大拉应变，交替施工法在94h时获得最大拉应变，因此，仅控制温度不能缓解超长体积混凝土结构的早期拉应变，释放约束可以在一定程度上降低结构的早期应变，同时，控制温度和释放约束可以有效降低超长混凝土结构的早期拉应变。综合考虑温度和约束因素的影响，交替施工方法为超长大体积混凝土结构最有效的裂缝控制措施。

图7 不同措施下的混凝土水化热和应变曲线

3 结语

本研究评估了三种适用于超长大体积混凝土结构的裂缝控制方法，根据研究结果，可得出以下结论：

（1）超长大体积混凝土浇筑期间采用水平管道水冷却法，可以降低混凝土结构的水化热。管道冷却法可以减少混凝土约13℃的水化热，有效降低了混凝土结构的内部温度应变。

（2）诱导缝方法可以减少结构的内部约束应变。结构内最高温度和应变峰值出现在施工缝中，结构中部应变增长缓慢，应变随时间的变化滞后于温度的变化。

（3）交替施工法是控制超长大体积混凝土结构早期开裂的最优措施。交替施工法通过合理设置施工长度和施工间隔时间，减少结构约束，优化养护体系，延缓结构温度和应变的发展过程，降低结构内部拉应变，且结构温度和应变的峰值出现在结构中部区域，应变随时间的变化滞后于温度的变化。综合考虑温度和约束因素的影响，交替施工法是最有效的裂缝控制措施。