浅谈加冰技术对大体积砼裂缝的控制

浅谈加冰技术对大体积砼裂缝的控制

黄冠邦

黄冠邦

佛山市路桥建设有限公司528000

摘要：通过总结承台大体积砼施工过程中的经验及专家意见，阐述了工程中大体积混凝土温度裂缝产生的原因、加冰技术对混凝土温度的影响等问题的探讨。

关键词：大体积砼；温度；裂缝；控制；加冰水

1、概述

佛山市龙湾大桥主桥承台尺寸为44.6×17.6×5.5，总体积为4325.8m3，混凝土强度等级为C30，采用泵送施工，要求砼的坍落度为12-16cm。考虑承台体积大，承台内部散热不良引起升温，容易出现结构性裂缝，经专家讨论分析，结合已有经验，应控制砼早期强度不能发展太快，入模温度不超过32℃，相应出厂温度不超过30℃，控制砼的内外温差在25℃以内。

2、产生裂缝的原因

在大体积混凝土中，对温度应力及温度控制具有重要意义。在砼凝固初期，由于各种原因，砼常常出现温度裂缝，影响结构的整体受力和耐久性。砼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、设计结构的不合理、原材料不合格（如碱骨料反应）、模板变形、基础不均匀沉降等。本文主要介绍、分析温度变化引起的裂缝及处理措施。

砼硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在砼表面引起拉应力，在后期降温过程中，由于受到基础或连接部位砼的约束，在混凝土内部出现拉应力；气温降低也会在混凝土表面产生拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时在砼表面出现裂缝。砼的内部湿度变化较慢，但表面湿度因砼养护不周、时干时湿等原因变化较大，表面干缩形变受到内部砼的约束，也往往产生裂缝。砼是一种脆性材料，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，运输和浇筑过程中的离析现象，在同一部位砼中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力较低，易出现裂缝的薄弱部位。在钢筋砼中，拉应力主要是由钢筋承担，砼只承受压应力，在素砼内或钢筋砼边缘部位，出现了拉应力则由混凝土自身承担。在施工中砼由最高温度冷却到稳定时期的常温，往往在混凝土内部引起较大的拉应力，有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，必须引起足够的重视。

3、温度应力的分析

温度应力的形成分为三个阶段：

3.1早期：自浇筑砼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。

3.2中期：水泥水化热结束时起至混凝土冷却到常温，温度应力主要是由于砼的冷却及外界气温变化所引起，这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。

3.3晚期：混凝土完全冷却后的稳定期。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叠加。

根据温度引起的应力可分为两类：

（1）自身应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，由于内部温度是非线性分布的，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，砼冷却时表面温度低，内部温度高，在砼表面出现拉应力，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，如箱梁顶板钢筋砼和护栏钢筋砼。

这两种温度应力往往和砼的干缩所引起的应力共同作用。

4、温度的控制和防止裂缝的措施

为了防止裂缝，减轻温度应力，可以从控制温度和改善约束条件这两个方面控制。本文主要介绍温度控制，重点介绍加冰技术的应用。控制温度的措施如下：

4.1采用改善骨料级配、降低水灰比、掺加混合料、掺加外加剂等方法减少水泥用量。本承台采用添加粉煤灰、外加剂的方法减少水泥用量。其配合比及试验结果见表1、表2。

表1

由式（1）可以看出影响砼出机温度的主要材料除加冰量G外，还与各种材料的用量、比热有关。

关于Q值的确定，其包含了搅拌机械和环境交换热，由于搅拌机非绝热环境，必然有热交换，所以孤立的搅拌机械热和环境交换热定量测定是困难的，通过综合考虑附加热则可将进、出物料温度代入（1）式求出。试验表明，Q值随环境温度影响较大。表4列出了8、9、10月份对Q值的抽测结果。

承台在8～10月份施工，佛山地区正处于高温天气，大部分时间气温高达35℃以上（见表4），砂、石的含水率分别取5％和1.5％，Q取2000kcal/m3代入（1）式得需加碎冰75.51Kg/m3。根据经验，加冰量一般不宜大于60Kg/m3，否则由于搅拌用水量太少，砼出机坍落度将难以保证，如采用添加碎冰的方法，必须采用粒径小碎冰和延长搅拌时间，使冰全部搅拌变为水，这将影响生产速度，无法满足泵送施工的需要；另一方面，加冰量太大，碎冰的制备、存储、添加及计量都增加许多设备，增加施工成本。

根据理论计算及实际经验，如果较好的控制原材料的温度，则只需使用冰水系统就可以达到控制砼温度的目的。如材料的平均进料温度，水泥90℃，粉煤灰40℃，砂、石、外加剂20℃，砂、石含水率分别取5％和1.5%，Q取1500Kcal/m3，则只需每立方加入10℃冰水30Kg/m3左右，出机温度就可降到29.6℃。由此不难看出，冰水制备在技术、经济和效率上都具有较大的优势。

表4

图1加冰量、环境温度和浇筑温度的关系曲线

在施工现场平均温度为32.3℃、31.0℃、37℃、33℃时，为保证砼入模温度控制在14℃以下，需要在160KG拌合水的加入冰水量分别为35.2kg、33.8kg、40.9kg、37.8kg。

通过以上加冰，测得第一罐砼浇筑温度如图2所示，第一罐砼的实际浇筑温度与计划浇筑温度相差很小，证明在不同的环境温度条件下，通过在搅拌砼中加入冰水降低砼的拌和温度，将砼浇筑温度控制在砼计划浇筑温度（14℃）的方法是可行的。

图2第一罐混凝土浇筑温度

同时，安排在晚上低温时施工；浇筑砼时减少浇筑厚度，利用浇筑层面散热，降低砼温度；在砼中埋设水管，通水降低砼内部温度；控制好拆模时间；气温骤降时覆盖表面保温，以免在混凝土表面出现较大的温差；加强混凝土的早期养护，进行“内散外蓄”养生等也是控制砼的裂缝有效方法。

5结束语

砼的施工温度与裂缝之间有着密切关系，通过总结加入冰水的技术能较好地控制入模温度，并通过采用其它方法及措施，可有效地控制砼的裂缝产生。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通部发布.公路桥涵施工技术规范（JTJ073－96）.

[2]富文权、韩素芳编著.混凝土工程裂缝分析与控制[M].中国铁道出版社，2002年5月第1版.

[3]赵爱珍.三峡工程混凝土冷却工艺及热平衡[J].中国三峡建设，2001年第7期.