冬期大体积混凝土施工中温度裂缝的控制

武　光

摘要：结合辽宁省朝阳市黄河路大桥在低温条件下对承台大体积混凝土施工温度裂缝的有效控制，介绍在低温条件下进行大体积混凝土施工中温度裂缝控制的相关经验。

关键词：低温 大体积混凝土 温度裂缝控制

1 工程概况

辽宁省朝阳市黄河路大桥全长508.32米，主桥为三跨双索面预应力混凝土自锚式悬索桥，主跨为180米，边跨为73米，全长326米。主桥索塔基础墩（4#、5#墩）承台结构尺寸为11×11×4米的立方体结构,每个承台设计C30混凝土484方,整个承台混凝土采取一次浇注；同时根据工期要求，承台混凝土需要在3月上旬进行浇注，由于地处东北地区，3月平均气温在－8℃左右，因此该承台混凝土属低温条件下的大体积混凝土施工。

2 混凝土温度裂缝的理论分析

在大体积混凝土中，温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出现温度裂缝，影响到结构的整体性和耐久性。其次，在运转过程中，温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。

2.1 裂缝的原因 混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

2.2 温度应力的分析

2.2.1 根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：①早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段的两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。②中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。③晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。

2.2.2 根据温度应力引起的原因可分为两类：①自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。②约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。

3 大体积混凝土温度控制措施

通过对产生温度裂缝的机理分析，针对承台混凝土体积较大，并在低温下施工的特点，我单位对温度裂缝的控制尤其重视，主要采取“降低水化热、内排外保、加强养护”的方法来防止温度裂缝的产生。

3.1 降低水化热

主要通过混凝土配合比设计完成：①在保证混凝土要求的前提下，掺加一定量的粉煤灰取代水泥，减小水泥用量，降低水化热。②掺加一定量的高效缓凝减水剂，改善混凝土的和易性，降低水灰比，同时推迟混凝土温度高峰值的出现时间，相应提高同龄期混凝土的容许拉应力。

3.2 合理布置散热系统实现内排

3.2.1 混凝土内部最高温度计算T_MAX=T₀=(+ωθ₀)/(cρ)*ζ

式中：T₀=：混凝土的入模温度，混凝土浇注时实际测量数据；W：每方混凝土水泥用量；θ₀=：水泥28天水化热；c：混凝土比热ρ：混凝土密度‘ζ：混凝土散热系数。当混凝土入模温度为9℃时，计算混凝土中心最高理论温度为65.8℃。

3.2.2 温度控制标准 混凝土的内表温度差≤25℃；拆模时内外温差≤25℃；最大降温速率≤2℃/天。

3.2.3 冷却管及测温孔布置 在承台顶部安装水泵，与基坑聚集地下水相连，待承台混凝土浇筑完毕，即通入循环冷水，根据混凝土不同时期、不同位置的不同温度情况，进行通水散热，保证温度梯度差小于25℃，实现内排。为提供可靠的温度数据控制混凝土内外温差，采取扩散状布设不同温度的测温孔，对混凝土的浇注过程中、混凝土浇注完成后的不同龄期温度进行数据采集，同时在模板外侧保温层内侧进行温度数据采集。

3.3 混凝土的保温与养护

3.3.1 混凝土的保温 由于外界气温较低，为保证混凝土浇注质量及减小混凝土的内外温差，在混凝土浇注前便开始采取在承台周围模板外侧基坑内布置蒸气孔道排放蒸气，并在表面利用塑料布及毛毡覆盖，同时利用排气量来调整模板外部温度。

3.3.2 混凝土的养护 在低温条件下养护主要是保证混凝土的湿度和减小混凝土表面的热扩散，降低表面的温度梯度，防止产生表面裂缝。在混凝土浇注完成后，最后一层混凝土终凝前即用毛毡覆盖，内部通入蒸气进行养护。

3.4 严格控制拆模时间 根据测量混凝土的内外温差来决定拆模时间，直至外部温度与混凝土内部温差小于25℃时才进行模板的拆除。

4 温度变化结果分析

根据温度数据对混凝土总体温度变化过程分析：混凝土入模12小时内升温迅速，升温近25℃，3天后温度达到峰值62℃，随后开始下降，下降梯度为2℃/天；11天后温度梯度趋于平缓。温度沿高度方向，在承台中心偏下位置温度最高，并延此点向上下逐渐降低，在距离顶面1米内梯度最大。

5 结束语

朝阳市黄河路大桥主塔墩承台模板拆除后，混凝土表面平整、光洁，未发现温度裂缝，由此证明所采取的温度裂缝控制措施是有效的，总结施工过程，得出以下结论：①冬期大体积混凝土的施工首先从混凝土的配合比设计开始控制；②合理的设置降温系统是大体积混凝土施工成功的关键；③在低温条件下，混凝土外部升温、保温犹为重要。为确保大体积混凝土工程在冬期施工的质量与进度，首先树立以预防为主的观点，建立以数据为依据的观点。同时应根据冬期施工的具体条件，进行综合分析和计算，提出预见性的技术依据。按照技术依据制定相应的，冬季施工质量控制措施。