特定环境下降低建筑结构墩柱开裂施工措施研究

苏芷阡 孙相夫 张德帅 汪丽娜 王立君

高原地区大温差环境下大体积混凝土的施工项目逐渐增多，但混凝土开裂问题等尚未得到有效解决。本文基于材料制备方面及施工控制层面对大温差环境下的大体积混凝土的开裂问题进行研究，以期提供借鉴。

1 工程实例

1.1 工程概况

新建某重点工程铁路某标段大桥梁位于西藏自治区昌都市，桥梁全长1103.8 m，桥址海拔3705 m，桥梁所处区域为典型的高原峡谷气候，具有高寒、缺氧、强风、大温差、强紫外线、干燥等特点。

桥梁主桥为主跨880 m 钢桁梁悬索桥，桥塔采用了钻石型钢筋混凝土桥塔，塔高为173 m，塔身采用了型号为C55 混凝土，单塔的混凝土方量超过了1.9 万m3。

1.2 施工及服役环境

工程施工及服役环境如下：温度：极端最高气温32.7 ℃，极端最低气温-17.5 ℃，年平均气温8 ℃，最热月平均气温27.5 ℃，最冷月平均气温-12.1 ℃，阴阳面极端温差，昼夜最大温差达可达20 ℃以上；湿度：年平均相对湿度50.5%，最小湿度为零；风速：桥面处空气实际密度0.815 kg/m3，实际密度100 年一遇风速35.4 m/s。年平均风速1.1 m/s，最大瞬时风速13 m/s，年平均大风日数（≥8 级）41.8 d。

1.3 高原环境特点

高原气候总体特点为辐射强烈，日照多、气温低、积温少，气温随高度和纬度的升高而降低，气温日较差大；干湿分明，多夜雨。冬季干冷漫长，大风多；夏季温凉多雨，冰雹多。

以项目所在区域—玛沁县高山峡谷为例，海拔4000 m 左右，相对高差300 ～800 m 之间，坡度一般30 ℃以上，个别地区50 ℃以上，山谷狭窄多呈V 形，无滩地或仅有零星滩地。丘陵主要分布在中高山之间，相对高差仅几十米，坡度较平缓，山坡坡面有植被覆盖。大武镇、野马滩等滩地，海拔3700 ～4200 m，地形平坦，表面坡度1 ～3 ℃。

该项目所在地区为典型的高原大陆性气候，春季较干旱，夏季多冰雹，雨量集中；冬季严寒而漫长，每年冬期长达八个月，含氧量低，大气含氧量仅为海平面的60%。玛多县年平均气温-4.1 ℃，年均降雨量120.9 mm，最大冻深2.46 m；玛沁县年平均气温-0.6 ℃，年均降雨量14l.l mm，最大积雪深度16 cm，主导风向为西风，最大冻深2.77 m。高原地区大气中水分随海拔增高而减少，海拔3000 m 大气水分只相当于平原的34%；海拔6000 m 时，仅为平原的5%。

2 大体积混凝土开裂产生原因

2.1 高原大温差环境的特殊性

调研资料表明高原铁路沿线具备大温差、强辐射、大风干燥等气候环境特点，其桥梁基础工程建设环境极为复杂严酷：最大地表日温差40 ℃、最大昼夜温差达到25 ℃的大温差环境，相较于普通大温差，其温度跨度更大、范围更广，由于温差所带来的不利因素更加严峻。同时相较于普通大温差环境，高原大温差还有强辐射、强腐蚀高海拔等多重因素干扰，年辐照量6000 MJ/m2的强辐射环境，风速大于10 m/s、湿度低于20%的大风干燥环境和日正负温交替2 到3 次的强正负温交变环境。

在大温差、强辐射、大风干燥环境下，高原铁路桥梁墩台塔柱建设将面临桥梁大体积混凝土水化温升控制难、墩台塔柱养护困难、混凝土易收缩开裂等共性问题，且沿线河砂资源和优质矿物掺和料极其短缺，使得高原铁路桥梁墩台塔柱混凝土结构建设质量面临严峻考验。

2.2 大体积混凝土开裂原因分析

2.2.1 温度导致开裂

自生应力：当大体积混凝土存在温差时，混凝土内部温度呈现出非线性分布。由于混凝土结构本身的相互约束而产生的应力，称为自生应力。

约束应力：大体积混凝土结构全部或部分边界受到外界约束，当温度发生变化时，混凝土结构由于外约束作用，不能自由变形而产生的应力，称为约束应力[1-3]。

大体积混凝土的温度裂缝产生原因：在混凝土拌合的过程中水会与水泥发生化学反应，伴随水化热温度升高。在升温阶段，由于混凝土的导热性能较差及其内部温度上升趋势较快，而表面与空气接触温度较低且温度提升速度过慢，混凝土内部中心与表面变化产生较大为温度梯度，进而导致因温度产生的变形不统一，混凝土结构自身的相互约束而产生的自生应力。在降温阶段，混凝土因受到内部钢筋的约束导致无法自由改变形状产生约束应力。上述两个阶段，当混凝土自身极限拉应力不足以抵抗由于温差所产生的温度应力时变化时混凝土结构产生温度裂缝[4]。

2.2.2 收缩导致开裂

混凝土的早龄期收缩被分为多种类型，例如：降温收缩、塑性收缩、化学收缩、自身收缩、碳化收缩以及干燥收缩等等[5]。区分的界限在于发生的时间及产生收缩的本质原因不同，本文主要介绍在高原大温差环境下起主要开裂原因的裂缝类型。

自收缩：自收缩是由于水泥在水化反应过程中生成水化铝酸钙凝胶及水化硅酸钙，二者的产生变化导致混凝土整体的表观体积下降，整个过程持续在混凝土的水化反应过程。此种收缩是由于制备混凝土的材料自身发生的物理及化学变化所导致的体积变小，与外在作用力及约束无关。自收缩可根据产生原因不同分为干燥自收缩及化学减缩两种。干燥自收缩指的是混凝土内部变为不饱和状态毛细孔产生了收缩[6]，其原因在于混凝土的自由水被消耗；化学收缩指的是水泥与水发生水化反应所导致的体积减小。

降温收缩：降温收缩一般发生在水化反应升温结束开始降温阶段。由于水泥与水发生水化反应生成水化硅酸钙与水化铝酸钙凝胶的同时放出大量水化热，混凝土内部温度急剧上升，而外表温度上升过慢形成过大的温度梯度导致混凝土体积减小，本质即为混凝土温度变化引起的热胀冷缩。降温收缩的大小与混凝土的热膨胀系数、混凝土内部最高温度和降温速率等因素有关。

3 大温差环境下避免开裂的施工措施

3.1 降低水化热

3.1.1 水泥的选择

水泥的主要熟料矿物有以下4 种：第1，硅 酸 三 钙3Ca0·SiO2，简 写 为C3S， 含 量37% ～60%；第2，硅 酸 二 钙 2Ca0·SiO2，简 写 为C2S，含量15%～37%；第3，铝酸三 钙3Ca0·A1203，简 写 为C3A，含量7%～15%；第4，铁铝酸四钙4Ca0·Al203·Fe2O3，简写为C4AF，含量10%～18%。在混凝土拌合过程中，水泥的矿物熟料与水发生水化反应，生成水化产物，并放出一定热量，因此混凝土内外便产生了温度梯度，导致有开裂的风险。由于水泥中的铝酸三钙发热较快且发热最多，因此实际工程中选用铝酸三钙含量较少的中、低热水泥，可以在保持混凝土性能基本不变的前提下，减少混凝土结构浇筑后的发热量[6]，从而降低混凝土内部的温度进而抑制开裂。

3.1.2 配合比的选取

大体积混凝土配合比除了满足普通混凝土的要求外，还应在保证混凝土性能的前提下减少水泥用量，控制合适的水胶比。对于骨料的选择应当首先采用热膨胀系数小、含泥量低（粗集料的含泥量不大于1%，细集料的含泥量不大于2%）的自然连续级配粗骨料。其拌制的混凝土可以保证温度作用下的骨料不发生大体积的膨胀变形，防止混凝土的抗拉强度降低，具有较好的和易性，同时可以减少用水量和水泥用量，降低温度应力[7]。

3.1.3 外加剂的选取

混凝土外加剂种类繁多，工程中较为常见的有减水剂、缓凝剂、早强剂等。混凝土中加入适量减水剂可以打破这种絮凝结构，颗粒之间的自由水便可以被稀释出来，减少混凝土中水的用量。缓凝剂的作用机理为延迟C3S 和C4AF 的生成，由于水泥中的C3S 发热较快且发热最多，因此延缓其生成可以有效减缓水化反应的速率，抑制水化放热。

早强剂指能提高混凝土早期强度的外加剂据以往实验结果表明，在适宜掺量范围内掺加无机盐早强剂，会不同程度地促进熟料矿物C3S、C3A 及C4AF 的水化，加快水泥水化放热速率，从而提高水泥早期水化程度[8]。综上，在混凝土中配合减水剂加一些缓凝或早强成分的外加剂，对水泥水化放热和混凝土的裂缝开展有一定影响。

3.1.4 分层浇筑

混凝土温度裂缝主要由于水泥水化放热产生温度梯度导致，因此在大体积混凝土施工过程中经常采用分层浇筑的方法。分层浇筑可以降低水化热高峰，便于热量散出，有效地防止水泥水化热集中、过大，产生温度裂缝。施工中常见的分层浇筑方式有以下3 种：

全面分层浇筑：全面划分混凝土浇筑层次，浇筑时从短边开始，沿长边方向进行浇筑，在逐层浇筑过程中，第2 层混凝土要在第1 层混凝土初凝前浇筑完毕。这样可以确保第1 层混凝土的热量被释放出来。

分段分层浇筑：分段分层浇筑是从底层开始分段浇筑混凝土后进行第2 层的浇筑，保证有效浇筑各个层次，其适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。这种浇注方式相比于全面分层浇筑将浇筑体量变得更小，热量散出的更快。

倾斜分层浇筑：浇筑时按照斜面坡度不超过1/3 的标准控制倾斜分层浇筑坡度，浇筑顺序为从下到上。倾斜分层浇筑多用于长度较大的结构。

3.1.5 管冷措施

目前在工程中有效降低水化热的施工手段是预埋冷水管。在混凝土浇筑前预先埋置好冷却水管，待浇筑完成后向管内通入循环冷却水，通过物理降温的方式将大体积混凝土结构内部水泥水化产生的热量带走达到减小温度应力的作用。施工过程中可以通过控制循环冷却水的温度和水的流通量来达到控制温度的目的，灵活性较强。但弊端在于冷却水管周遭会由于水管温度过低产生温度梯度导致温度应力集中的情况，甚至可能在水管周围产生细微裂缝[9]。综上，管冷降温是施工中最常用且最有效的控制混凝土内部温度的措施。

3.1.6 预冷混凝土骨料

预冷混凝土骨料是指在混凝土拌合之前对砂石等粗细骨料进行冷却，其目的是降低混凝土浇筑温度，在混凝土浇筑时水泥水化反应产生的热量便可以被冷却的骨料抵散，从而把混凝土内部温度变化控制在允许范围内，以防止裂缝的产生。

混凝土的预冷措施目前分为：粗骨料第一次风冷或用冷水冷却骨料代替第一次风冷，粗骨料第二次风冷，加片冰，加冷水拌制泥凝土的四种措施[10]。在高原大温差环境下应根据实时监测的环境温度梯度和现场施工情况选择合适的预冷方式。

3.2 控制温度

3.2.1 控制浇筑成型时环境温度

混凝土在拌合过程中，水泥与水发生水化反应放热，混凝土内部温升变高，当环境温度过低会产生较大温差进而导致开裂。高原大温差环境下，阳面日间极端最高气温可达30 ℃，夜间阴面极端最低气温可达-17 ℃。如此极端的温度变化更会使开裂风险增大，因此在混凝土浇筑时应控制环境温度尽可能接近浇筑时混凝土内部温度。施工时可选择设置保温棚控制棚内温度，在棚内进行混凝土构件的浇筑，或根据天气预测选择合适温度的时间进行浇筑成型。

3.2.2 控制养护时环表温差

《大体积混凝土施工标准》[11]（GB 50469—2018）3.0.4 中规定：拆除保温覆盖时混凝土浇筑体表面与大气温差不应大于20 ℃。根据规范要求，应控制在高原大温差环境下养护时的环表温差。

从环境方面，可以将试件放在保温棚内进行养护，设定棚内恒温且温度与混凝土表面温度不大于20 ℃。相对而言，控制环境温度措施在施工当中难度较大，且成本较高，目前在高原地区应用的并不广泛。

3.2.3 控制养护阶段混凝土内外温度梯度

《大体积混凝土施工标准》[11]（GB 50469—2018）3.0.4 中 规 定：第1，混凝土浇筑体里表温差（不含混凝土收缩当量温度）不宜大于25 ℃；第2，混凝土浇筑体降温的速率不宜大于2.0 ℃/d。根据规范要求，应采取有效措施控制养护阶段混凝土的里表温差。在施工时可选择外加包裹进行外养护的方式来控制温差。目前这种施工措施，在高原大温差环境下应用的较为广泛，且包裹材料也在日益升级，例如，刘德惠[12]在研究论文中得出结论，SAP 复合材料的包裹养护相对于传统土工布养护效果更好。

4 结语

本文针对高原地区大温差环境下大体积混凝土裂缝的开展原因进行了详细阐述，对于如何避免裂缝的产生从材料制备和施工控制两个维度列举了多种措施。相比于普通环境下的开裂，大温差环境的特殊性文中也有所提及。对于高原环境下的大体积混凝土工程环境影响因素至关重要。本文只针对大温差这单一的环境因素进行总结阐述，实际工程环境要更为复杂：昼夜大温差、大风侵蚀、干燥环境、强辐射条件等等，当这些不利因素耦合到一起时防开裂难度便会增加，如何选择合适的防裂措施可以作为今后研究的重点。

目前大体积混凝土防开裂的研究由于其体量庞大等原因还主要以模拟居多，有些试验会进行缩尺模型的建立。但无论是模拟实验还是缩尺模型试验都无法精确还原实际环境下开裂情况，因此如何更加准确的还原真实环境下的实验情况还需要更加深入的研究。