劉寶新 劉積海 王軍 （中國(guó)建筑第六工程局有限公司 天津300451）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)鐵路客運(yùn)專線的快速發(fā)展，在客觀上催生了一批新技術(shù)、新材料、新工藝、新方法，以適應(yīng)“高、大、精、尖”的發(fā)展需要。其中，高性能混凝土作為客運(yùn)專線建設(shè)不可或缺的施工材料，越來(lái)越多地被廣泛應(yīng)用到鐵路建設(shè)中。

從理論上說(shuō)，高性能混凝土是一種新型高技術(shù)混凝土，是在大幅度提高普通混凝土性能的基礎(chǔ)上采用現(xiàn)代技術(shù)制作的混凝土。它不同于簡(jiǎn)單意義上的高強(qiáng)混凝土，它追求的是混凝土良好的工作性、體積穩(wěn)定性、耐久性、物理力學(xué)性能等綜合性能的完善。但在實(shí)際工程建設(shè)中，往往由于工程實(shí)體形成過(guò)程中影響因素的復(fù)雜性以及施工質(zhì)量的不穩(wěn)定性，造成諸如混凝土裂縫等缺陷，降低了混凝土的耐久性，使其本身應(yīng)具有的高性能不能充分發(fā)揮。

1 高性能混凝土裂縫控制

根據(jù)高性能混凝土的特點(diǎn)和產(chǎn)生裂紋的原因，分別從墩身、承臺(tái)的受力與裂縫的成因等方面進(jìn)行分析。從力學(xué)的角度看，混凝土特別是大體積混凝土之所以開(kāi)裂，主要是混凝土所承受的拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土本身的抗拉強(qiáng)度的結(jié)果；從裂縫的成因上看，最主要是溫差過(guò)大引起的，包括混凝土表面與內(nèi)部溫差和混凝土與外界自然環(huán)境的溫差。因此，為了有效控制混凝土裂縫，就必須從提高混凝土本身抗拉強(qiáng)度性能和降低抗應(yīng)力（特別是溫度應(yīng)力）這兩方面綜合考慮。根據(jù)以往的施工經(jīng)驗(yàn)，要減少和防止高性能混凝土開(kāi)裂，充分發(fā)揮其應(yīng)有的高性能，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)高性能混凝土的原材料、配合比、施工工藝進(jìn)行有效控制。

1.1 合理選用原材料

1.1.1 水泥 首先，選擇水泥時(shí)不能以強(qiáng)度作為唯一的指標(biāo)。因?yàn)樘岣咚嗟膹?qiáng)度，實(shí)際上是增加水泥中的硅酸三鈣和鋁配三鈣含量并提高水泥的比表面積，這樣將導(dǎo)致水泥水化速率過(guò)快，水化熱大，混凝土收縮大，抗裂性下降，混凝土的微結(jié)構(gòu)不良，耐久性降低。要改善混凝土的抗裂性，首先要控制水泥中的硅酸三鈣和鋁配三鈣含量，且水泥顆粒不能太細(xì)，混凝土早期強(qiáng)度越高，在早期也越易開(kāi)裂，所以要慎用早強(qiáng)水泥。其次，控制水泥中的堿含量，堿的影響首先表現(xiàn)在增加混凝土的開(kāi)裂傾向，不管是否有活性骨料存在，開(kāi)裂首先是由于水泥的高含堿量引起的收縮。

1.1.2 骨料 在骨料的選擇上，關(guān)鍵是骨料的粒徑和級(jí)配的選擇，應(yīng)注意選用粒徑較大、級(jí)配較好的骨料，減小骨料的空隙率和比表面積，從而減少每立方米混凝土中膠凝材料的需用量，降低水泥用量，使水化熱相應(yīng)降低，有效防止裂縫出現(xiàn)。同時(shí)，應(yīng)根據(jù)東北地區(qū)地材砂石料的石粉含量較大、泥塊含量較大等實(shí)際情況進(jìn)行處理。石料采用帶水源的機(jī)械振動(dòng)篩對(duì)碎石進(jìn)行邊沖洗邊篩分方法，砂子采用帶循環(huán)水的絞籠沖洗，使原材料表面清潔。要嚴(yán)格控制砂、石的含泥量，防止鋼筋銹蝕、“堿-集料反應(yīng)”等問(wèn)題，提高混凝土的握裹力和整體膠結(jié)性能，從而在一定程度上起到防止混凝土開(kāi)裂的作用。

1.1.3 高性能減水劑及礦物摻和料 客運(yùn)專線高性能混凝土采用聚羧酸高性能減水劑，可以降低高性能混凝土的水膠比和膠凝材料的用量，并且混凝土配合比中摻入粉煤灰和礦粉各占膠凝材料總量的20%，因此混凝土強(qiáng)度發(fā)展較慢，水化熱的產(chǎn)生不像普通混凝土那樣集中，礦渣的摻量到一定數(shù)量后，由于減少相應(yīng)的水泥量，礦渣水化的速度因缺少足夠的水泥中激發(fā)物而降低，相應(yīng)的水化熱和自收縮減少。

根據(jù)高性能混凝土對(duì)各種原材料的要求和原材料檢測(cè)結(jié)果，確定高性能大體積混凝土的原材料，見(jiàn)表1：

表1 客運(yùn)專線高性能混凝土原材料

1.2 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)

混凝土的技術(shù)性能在很大程度上是由原材料的性質(zhì)及相對(duì)含量決定的，混凝土配合比的優(yōu)化設(shè)計(jì)是生產(chǎn)合格混凝土、從根本上預(yù)防混凝土開(kāi)裂的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在混凝土原材料一定的情況下，單方水泥用量、水灰比、骨料級(jí)配、外加劑等因素對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生有著重要影響。因此，要認(rèn)真做好混凝土配合比的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

水泥用量的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“最少量”的原則，在保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，通過(guò)選擇水泥等級(jí)、調(diào)整骨料級(jí)配以及適量摻加外加劑等措施，最大限度地減少水泥用量，降低水化熱。一般情況下，水泥等級(jí)以混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)的1.5～2倍為宜。

骨料的級(jí)配設(shè)計(jì)上，宜采用粒徑5～10 mm、10～20 mm的石子加優(yōu)質(zhì)中砂多級(jí)配制，砂率宜為38%～45%。可有效減少骨料間孔隙，降低空隙率，減少膠凝材料填充縫隙用量。

合理使用外加劑（外加劑摻量一般不大于水泥量的5%），能有效改善混凝土性能，起到預(yù)防混凝土開(kāi)裂的作用，在實(shí)際施工中可根據(jù)情況選擇使用。在不改變各種原材料配比的情況下，添加混凝土減水劑，可以大幅度提高混凝土的流變性及可塑性，提高其工作性能。添加緩凝劑可以延緩混凝土放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間，從而減小裂縫出現(xiàn)的機(jī)率；并且能夠改善和易性，減少運(yùn)輸過(guò)程中的坍落度損失。應(yīng)用引氣劑對(duì)改善混凝土的和易性、可泵性，提高混凝土耐久性能十分有利，也能在一定程度上增強(qiáng)混凝土的抗裂性能。此外，在拌制混凝土?xí)r，還可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土在硬化過(guò)程中的收縮得以補(bǔ)償，減少混凝土的溫度應(yīng)力，起到預(yù)防混凝土開(kāi)裂的作用。

根據(jù)以上混凝土配合比選定的原則和確定的原材料，經(jīng)試驗(yàn)室多次試拌，并對(duì)混凝土試塊進(jìn)行了56 d強(qiáng)度和耐久性檢測(cè)后確定的配合比見(jiàn)表2。

表2 客運(yùn)專線高性能混凝土配合比

1.3 施工工藝的控制

客運(yùn)專線高性能混凝土澆筑振搗和養(yǎng)護(hù)不到位，同樣也會(huì)對(duì)橋梁承臺(tái)、墩身造成裂紋?；炷吝\(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)盡快澆筑完畢，澆筑下料高度超過(guò)2 m時(shí)應(yīng)采用串筒，澆筑時(shí)要均勻下料，控制速度，防止空氣進(jìn)入。澆筑方式，應(yīng)分層澆筑、分層振搗，用振搗棒振搗應(yīng)控制在振搗有效振動(dòng)半徑范圍內(nèi)。在混凝土澆注時(shí)宜采用二次振搗的方式，消除因下灰快、塌落度小等原因在邊角、鋼筋密集區(qū)等處形成的空隙，使混凝土成型更加密實(shí)，提高混凝土的抗拉性能；在混凝土澆注后，必須在初凝前進(jìn)行二次抹面，可以有效防止混凝土由于泌水或因摻加粉煤灰可能形成的問(wèn)題，如表面浮漿因溫度過(guò)高、失水過(guò)快等原因造成收縮裂縫的現(xiàn)象。若混凝土平面尺寸過(guò)大，在設(shè)計(jì)許可時(shí)，可以適當(dāng)設(shè)置后澆縫，以減少外應(yīng)力和溫度應(yīng)力。同時(shí)也有利于散熱，降低混凝土的內(nèi)部溫度，防止混凝土裂縫出現(xiàn)。

混凝土澆筑后保溫及其養(yǎng)護(hù)措施如果沒(méi)有保證，其表面的水分散失太快和內(nèi)外溫差太大，在混凝土的強(qiáng)度不足以抵抗因干燥和溫差收縮而產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，混凝土表面將出現(xiàn)裂紋。在實(shí)際施工中，承臺(tái)、墩身混凝土拆模后的2～6 h之內(nèi)，采用包裹新型可控高分子節(jié)水保溫養(yǎng)護(hù)膜，具有保溫、熱容大、保溫效果好和節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)，養(yǎng)護(hù)期間混凝土表面總能保持濕潤(rùn)，養(yǎng)護(hù)時(shí)膜內(nèi)溫度比環(huán)境溫度高出4～20℃以上，有利于混凝土提高早期強(qiáng)度，并能有效平緩晝夜溫差，減少和抵制微細(xì)裂紋的產(chǎn)生。一個(gè)養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)只需澆水一次，用水量與土工布、麻袋、草簾等傳統(tǒng)養(yǎng)護(hù)材料相比，節(jié)水率達(dá)95%以上。養(yǎng)護(hù)后的混凝土表面平整，無(wú)浮砂，著色顏色呈青灰色，耐磨性好。

盡量不在大風(fēng)和氣溫突變的天氣拆模，不在混凝內(nèi)部開(kāi)始降溫以前與混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)拆模。

2 高性能混凝土溫度內(nèi)部實(shí)測(cè)

了解高性能混凝土內(nèi)部的實(shí)際溫度變化情況，掌握混凝土芯部最高溫度、表面溫度等詳細(xì)變化曲線，及混凝土內(nèi)部實(shí)測(cè)溫度是否滿足驗(yàn)標(biāo)要求。只有經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)溫度傳感器定時(shí)測(cè)溫，才能掌握混凝土內(nèi)部溫度變化情況。通過(guò)測(cè)溫，將混凝土深度方向的溫度梯度控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)；由于對(duì)混凝土內(nèi)部溫度，各關(guān)鍵部位溫差等精確掌握，改善施工操作工藝，可有效控制溫度裂縫的出現(xiàn)。

2.1 測(cè)溫設(shè)備選用及配置

大體積高性能混凝土現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫儀器選用山東濟(jì)南環(huán)宇通有限公司研發(fā)的《現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫記錄儀》。

測(cè)溫儀器配置：自動(dòng)測(cè)溫時(shí)間間隔60 min，精度為0.1°；采用7個(gè)測(cè)溫傳感器分別記錄大體積高性能混凝土不同部位的混凝土溫度與環(huán)境溫度。

2.2 傳感器點(diǎn)位布置方案

①根據(jù)大體積混凝土的平面形狀，厚度尺寸布點(diǎn)，在中心點(diǎn)、角點(diǎn)等代表性部位布點(diǎn)，在保證能全面反映混凝土內(nèi)部各點(diǎn)溫度的情況下，做到盡量減少布點(diǎn)數(shù)量。本次所測(cè)承臺(tái)布點(diǎn)7處分別如下：（1#傳感器記錄承臺(tái)橫橋向表面溫度，2#傳感器記錄承臺(tái)中心溫度，3#傳感器記錄承臺(tái)1/4位置中心溫度，4#傳感器記錄1/4位置表面溫度，5#傳感器記錄承臺(tái)順橋向表面溫度，6#傳感器記錄承臺(tái)角部表面溫度，7#傳感器記錄自然大氣溫度）。布點(diǎn)平面見(jiàn)圖1。每布點(diǎn)承臺(tái)頂部點(diǎn)距混凝土表面下15 cm，底部點(diǎn)距底面上15 cm。

②傳感器點(diǎn)位布置在混凝土澆筑前夕進(jìn)行。當(dāng)承臺(tái)鋼筋綁扎完成，進(jìn)行鋼筋驗(yàn)收前，可開(kāi)始進(jìn)行布點(diǎn)施工。按施工方案確定的布點(diǎn)平面位置進(jìn)行布點(diǎn)，用1根φ14鋼筋，其長(zhǎng)度為澆筑層厚度+20 cm，將溫度傳感器采用膠布固定于鋼筋上的各不同位置處，然后小心將每根鋼筋與底板鋼筋網(wǎng)綁扎牢，布點(diǎn)結(jié)束后，檢查各傳感器外觀是否完好，如有損壞，應(yīng)立即更換。

③測(cè)溫儀器安放。在承臺(tái)混凝土澆筑前將配置好的《現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫記錄儀》安放到現(xiàn)場(chǎng)，各傳感器的導(dǎo)線插入記錄儀；當(dāng)承臺(tái)混凝土澆筑開(kāi)始時(shí)將測(cè)溫儀啟動(dòng)，查看各傳感器導(dǎo)線連接是否正常，查看記錄儀顯示時(shí)間是否正常（現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫記錄儀要注意做好防雨措施）。

④定期檢查。安排專人定時(shí)去現(xiàn)場(chǎng)檢查儀器運(yùn)行是否正常，在測(cè)溫記錄儀內(nèi)存滿時(shí)，及時(shí)將數(shù)據(jù)用轉(zhuǎn)存器或筆記本電腦轉(zhuǎn)存到現(xiàn)場(chǎng)定時(shí)測(cè)溫記錄儀軟件中。

⑤數(shù)據(jù)輸出。每天打印溫度記錄表，及時(shí)撐握承臺(tái)各部位內(nèi)部溫度，了解承臺(tái)芯部溫度與表面溫度的上升、下降全過(guò)程，測(cè)溫結(jié)束后打印測(cè)溫記錄全過(guò)程的溫度變化曲線。

圖1 測(cè)溫傳感器埋設(shè)布置圖（單位mm）

2.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)承臺(tái)測(cè)溫結(jié)果看，混凝土芯部及表層溫度在混凝土澆筑完成96 h時(shí)混凝土溫度達(dá)到峰值，芯部最高溫度達(dá)到47.9℃，對(duì)應(yīng)的表層溫度達(dá)27.9℃，對(duì)應(yīng)芯表溫差為20℃、表層與環(huán)境溫差為2.9℃。

從測(cè)溫曲線分析，應(yīng)特別加強(qiáng)混凝土在40 h段與150 h的保溫措施。96 h后芯部溫度開(kāi)始緩慢下降，5月23日芯部溫度下降到24.4℃，表層為溫度20℃，升溫速度保持在0.5～2℃/h。降溫速度保持在1.5℃/h以內(nèi)。測(cè)溫曲線上升與下降過(guò)程平穩(wěn)，總體呈現(xiàn)規(guī)則性變化。

根據(jù)目前的測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)得出，通過(guò)合理優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，加強(qiáng)施工工藝的監(jiān)控，大體積混凝土施工在不埋設(shè)降溫管的情況下，芯部溫度未超過(guò)65℃，芯部最高溫度與表層溫度差在20℃以內(nèi)滿足施工規(guī)范要求。從測(cè)溫曲線分析在40 h與150 h應(yīng)特別加強(qiáng)混凝土的保溫措施，承臺(tái)芯部混凝土與表層混凝土之間的溫差、表層混凝土與環(huán)境之間的溫差大于20℃時(shí)不宜拆模。現(xiàn)有的溫度控制措施能滿足驗(yàn)標(biāo)中對(duì)溫度控制的要求。

通過(guò)采取以上措施，本次大體積混凝土養(yǎng)護(hù)溫度監(jiān)控的代表性結(jié)構(gòu)試驗(yàn)點(diǎn)，混凝土表面沒(méi)有發(fā)生任何開(kāi)裂現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上分析和實(shí)踐證明，選用滿足要求的原材料，合理優(yōu)化配合比和進(jìn)行良好的施工養(yǎng)護(hù)，能夠有效地控制客運(yùn)專線高性能混凝土裂紋的產(chǎn)生。

高強(qiáng)混凝土裂縫控制是一項(xiàng)復(fù)雜的研究課題。裂縫的形成既因混凝土組成成分自身特性差異而不同，也因采用的施工技術(shù)、施工工藝不同而各有表現(xiàn)。但是只要采用科學(xué)的分析方法，善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、找出原因，并采取相應(yīng)的措施不斷提高混凝土施工技術(shù)，高性能混凝土的裂縫是完全可以控制的。■

[1]郭小平，吳浪.混凝土常見(jiàn)裂縫成因及防治措施[J].廣東建材，2008（12）：37-39.

[2]楊益兵.混凝土溫度裂縫和干縮裂縫的成因及控制[J].江蘇建材，2008（4）：45-47.