铁路工程大体积混凝土的水化热及裂缝控制

陶建强，李化建，黄佳木，黄法礼，易忠来，谢永江

(1.重庆大学 材料科学与工程学院，重庆 400045；2.中国铁道科学研究院 铁道建筑研究所,北京 100081； 3.中国铁道科学研究院 高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081)

《大体积混凝土施工规范》(GB 50496—2009)[1]中对大体积混凝土的定义为“混凝土结构物实体最小尺寸不小于1 m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”。按此定义铁路工程墩身承台、梁体等结构属于大体积混凝土。铁路工程墩身承台、现浇梁经常会出现开裂现象。这主要是因为大体积混凝土具有截面尺寸大、水泥用量多等特点，水泥水化产生大量的水化热，导致混凝土中心温度急剧上升，而且混凝土自身导热性能差，中心热量不易散失。然而混凝土外表面散热较快，导致与大体积混凝土内部形成较大的温度梯度，从而产生温度应力。当混凝土结构中产生的温度应力高于混凝土的极限抗拉强度时，便会产生裂缝，对混凝土结构的安全性和耐久性造成较大危害。

铁路工程大体积混凝土内部的温升由混凝土浇筑温度、水泥水化热引起的绝热温升和混凝土的散热速率3部分决定[2]，其中绝热温升是主要因素。因此降低混凝土的浇筑温度、减少水泥水化热、降低混凝土结构内外温度梯度是抑制混凝土产生温度裂缝的主要措施。本文分析铁路工程大体积混凝土水化热的影响因素，提出相应的控制措施，并指出现有铁路工程大体积混凝土温度裂缝抑制措施的不足。

1 铁路工程大体积混凝土水化热的影响因素

1.1 水泥的种类、细度及用量

水泥的种类对大体积混凝土的绝热温升有直接影响。不同种类的水泥其矿物组成也不相同，C3A和C3S含量高的水泥早期水化速率较快，水泥水化产生的水化热较多。周丽强[3]研究了普通硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、早强硅酸盐水泥、掺20%粉煤灰水泥4种不同型号的水泥对混凝土水化热的影响。结果表明，采用低热硅酸盐水泥可以降低混凝土内部的绝热温升，同时也可以延缓大体积混凝土中心达到最高温度的时间。水泥细度也是影响水泥水化热的重要因素，随着水泥细度的增加，水泥比表面积增大，早期水化速率升高，水化热增加[4]。水泥用量也会影响混凝土内部的绝热温升，水泥用量越多，产生的水化热越多，混凝土内部的绝热温升越高。当混凝土中胶凝材料用量由480 kg/m3降低到430 kg/m3时，混凝土绝热温升降低3～4 ℃[5]。

1.2 矿物掺合料的种类及用量

混凝土中常用的矿物掺合料有活性掺合料和惰性掺合料。活性掺合料主要有粉煤灰、矿渣粉、硅灰等。粉煤灰经常用于大体积混凝土中，当粉煤灰掺量超过胶凝材料总量的25%时，对混凝土强度和温升有较大的影响，掺30%粉煤灰比不掺粉煤灰时温升降低7 ℃[6]。混凝土中单掺硅灰时前期加快水泥水化，但降低混凝土总的水化热。SAEED等[7]研究了磨细的粒化高炉矿渣粉部分取代水泥后对大体积混凝土水化热的影响。当用磨细的粒化高炉矿渣粉取代70%的水泥时水化热会减少，但其早期的抗拉、抗压强度会降低。矿渣粉对水泥水化热的影响，除与掺量有关外，还与其细度有关。矿渣粉比表面积越大，对水泥水化热的贡献也越大。当矿渣粉比表面积>600 m2/kg时，掺矿渣粉水泥的水化热大于纯水泥[8]。

常用惰性掺合料主要是石灰石粉。石灰石粉虽然不具备火山灰效应，但是对水泥的早期水化也有一定的影响。蔡基伟[9]采用热导式量热分析法研究了石灰石粉对水化热的影响，掺入石灰石粉的水泥试样水化诱导期和加速期的结束时间均早于不掺石灰石粉试样，说明石灰石粉能够促进水泥的水化，其原因是石灰石粉在水泥水化反应中起晶核作用，诱导水泥的水化产物析晶，加速水泥水化。

1.3 水灰比

水灰比对水泥水化温升存在一定的影响。江守恒等[10]通过大量的模拟试验与工程实践证明水灰比(W/C)对于混凝土水化温升有影响。当W/C>0.5时，水化温升随着水灰比的增加而降低。当W/C<0.5时，水化温升随水灰比的增加而增加。水灰比对水泥水化热的影响不仅与其大小有关，还与水泥水化龄期有关，水化初期低水灰比的砂浆比高水灰比砂浆产生的水化热多，但是随着水化进一步进行，低水灰比砂浆水化热快速降低，而高水灰比砂浆在水化后期有较高的水化热[11]。

1.4 外加剂

外加剂主要是通过改变水泥水化速率来影响水泥水化热。减水剂可以提高水泥初期的水化速率，增加第一水化速率峰值，但是对第二水化速率峰值有一定的延迟作用[12]。缓凝剂可以显著延缓水泥的凝结时间，降低水泥水化的放热速率[13]。当复合使用高效减水剂(糖钙)与缓凝剂时，由于协同效应，使高效减水剂的分散作用及缓凝剂的缓凝作用同时得到加强。与单掺缓凝剂相比，复掺后水泥水化温度峰值出现的时间进一步延迟，水化温度峰值进一步降低[14]。

2 铁路工程大体积混凝土温度裂缝的抑制措施

温度裂缝是由于混凝土结构内外温差过大而产生的裂缝。内部温差由胶凝材料水化放热引起，外部温差由混凝土结构所处的环境温度变化导致[15]。当混凝土结构内外温差控制在20～25 ℃时，混凝土不会因为温度应力过大而产生温度裂缝[16]。

2.1 水化热的抑制措施

2.1.1 原材料的选择

1)选用水化热较低、初凝时间较长的水泥。在满足混凝土强度的前提下尽量选择比表面积较小、C3A含量较低的水泥，水泥3 d的水化热宜<240 kJ/kg，7 d水化热宜<270 kJ/kg，同时水泥中C3A的含量宜<8%[1]。美国规范《大体积混凝土指南》(ACI 207.1R-05)[17]中指出，大体积混凝土施工过程中宜采用波特兰Ⅱ型水泥或者中热水泥。规范中规定Ⅱ型水泥中C3A和C3S的含量之和<58%或7 d的水化热≤290 kJ/kg。《铁路混凝土结构耐久性设计规范》(TB 10005—2010)[18]中规定水泥的比表面积为300～350 m2/kg，熟料中C3A含量<8.0%。

2)掺入矿物掺合料。掺入矿物掺合料是抑制大体积混凝土温度裂缝的主要措施之一。双掺粉煤灰与膨润土不仅可以有效降低大体积混凝土内部的水化热，还可以弥补单掺粉煤灰后混凝土早期强度低的缺陷[19]。PSLB-352(普通波特兰水泥30%、粒化高炉矿渣粉50%、粉煤灰20%)和PSLB-442(普通波特兰水泥40%、粒化高炉矿渣粉40%、粉煤灰20%)这2种混合体系的水化热均低于Ⅳ型低热水泥的水化热[20]。

3)掺入相变材料。相变材料具有蓄热的特性，当混凝土内部温度升高至相变点时发生相变吸收热量，当温度降低至相变点时亦可放出热量，因此可以有效地控制大体积混凝土内部的水化温升速率，从而抑制混凝土温度裂缝的出现[21]。史巍等[22]研究了石蜡作为相变材料掺入混凝土中制成石蜡相变控温大体积混凝土，该方法可以降低混凝土内部温度峰值4～5 ℃，同时降低升温速率和降温速率，在一定程度上减缓了大体积混凝土温度裂缝出现的可能性。张永娟等[23]将有机膨润土与癸酸相变控温储能纳米元件处理成砂粒状的相变砂，采用乳液和高强水泥包覆癸酸相变控温储能纳米元件，以提高相变材料与水泥混凝土的相容性。在相变砂取代25%普通砂并适当增加减水剂的掺量时，相变砂混凝土基本达到基准混凝土坍落度和强度的要求，且掺入相变砂后大体积混凝土中心最高温度较基准混凝土降低了4.5 ℃。

2.1.2 混凝土配合比的优化

在保证强度的前提下尽可能降低水泥的用量，因为水泥用量每减少10 kg，水化热温升可降低约1～1.2 ℃[24]。要综合考虑大体积混凝土的设计强度、工作性、耐久性、经济性的要求，同时考虑水化热温升等因素进行配合比的设计。TB 10005—2010中通过规定胶凝材料最大用量、矿物掺合料掺入量等来控制大体积混凝土的水化热[18]。

2.2 浇筑阶段施工温度的控制措施

1)夏季大体积混凝土施工

美国垦务局规范建议，在炎热干旱气候条件下混凝土的入模温度不宜大于27 ℃，一般条件下入模温度应控制在32 ℃以下。《铁路混凝土工程施工技术指南》(铁建设[2010]241号)[25]中规定大体积混凝土入模温度不得超过28 ℃。降低原材料的温度是夏季施工经常使用的方法，降低水泥温度4 ℃或者降低拌合水温度2 ℃或者降低骨料温度1 ℃，均可使混凝土内部温度下降大约0.5 ℃[26]。所以在夏季温度较高的条件下浇筑时，可采用冰水或深井凉水拌制混凝土，同时设置简易遮阳装置对骨料进行洒水预冷却，以降低混凝土搅拌和浇筑的温度[27]。

2)冬季大体积混凝土施工

冬季要保证入模温度不低于5 ℃。通常可以采用加热拌合水、加热骨料等措施提高混凝土原材料的温度[1]，但是拌合水温度不宜过高，温度过高可能会导致闪凝现象。美国规范《冬季混凝土浇筑指南》(ACI 306R-10)[28]中规定，当拌合水的温度超过80 ℃时，在混凝土搅拌过程中应先加粗骨料和拌合水，后加入水泥；当环境温度低于-4 ℃时需要加热骨料，若拌合水的温度达到60 ℃时其骨料的温度加热到15 ℃即可，若骨料较干而且含有冰屑时，骨料需要加热超过40 ℃。拆模之后混凝土表面应采取保温措施以防止混凝土表面冻坏。对薄壁结构，要适当延长拆模时间，使之缓慢降温，以防止表面温度急剧下降形成温度裂缝。拆模时，块体中间和表面的温差不大于20 ℃[27]。

2.3 养护阶段混凝土内外温差的控制措施

混凝土养护期间中心温度与表面温度、表面温度与环境温度之差不应大于20 ℃。混凝土表面温度与养护用水温度之差不应大于15 ℃。混凝土的中心温度不宜超过60 ℃，最大不得超过65 ℃[18]。

养护时的温度控制方法一般分2类：①降温法。即在混凝土施工过程中预埋冷却管道[29]，混凝土成型之后启动循环冷却水，通过控制冷却水的流速控制大体积混凝土内外温差在要求范围内。②保温法。即在混凝土表面采取一定的措施来减少混凝土表面热量的散失。一般情况下，在结构表面覆盖草垫、泡沫塑料板来减少构件表面热量的散失，从而降低大体积混凝土内外温差。

3 结语

目前对于铁路工程大体积混凝土温度裂缝控制已经做了大量的研究，但还有以下关键技术尚待突破。

1)铁路工程大体积混凝土施工过程所采用的控制措施虽然能在一定程度上降低温度裂缝形成的可能性，但是其总体工艺过于复杂、成本过高，而且收效甚微。相变材料是控制大体积混凝土水化温升的一种新方法，但是对于相变材料的选择、封装等方面有待深入的研究。

2)降低混凝土内部的温度应力和增加混凝土表面的抗拉强度是减少混凝土温度裂缝的有效措施，但降低混凝土内部温度应力往往会削弱混凝土早期抗拉强度。平衡降低水化温升和提高抗拉强度是控制铁路工程大体积混凝土温度裂缝的研究重点。

3)混凝土中水泥水化速率与其内部的温度服从Arrhenius公式，温度越高水化速率越快，混凝土抗拉强度增长越快。因此需要建立大体积混凝土的抗拉强度与混凝土内部温度变化之间的模型，准确地评估铁路工程大体积混凝土温度裂缝产生的可能性。

4)目前缺少铁路工程大体积混凝土内部温度梯度与温度应力的实时表征技术，也没有提出基于内外温度匹配的铁路工程大体积混凝土配合比设计关键技术参数。而这将为从设计源头控制大体积混凝土温度裂缝提供有效途径。

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