劉 發(fā)，李 明，姚 婷

(1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004；2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司 高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211103)

大體積混凝土因其自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在混凝土澆筑后由于膠材水化放熱及表面同步散熱，混凝土的溫度在時(shí)間和空間上都不斷變化，從而產(chǎn)生溫度變形和溫度應(yīng)力，是導(dǎo)致大體積混凝土可能開裂的主要因素.因此，采取保溫措施是減少大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的重要措施之一[1-4].而實(shí)際澆筑成型的混凝土結(jié)構(gòu)處于“水化-溫度-濕度-約束”多場(chǎng)耦合作用的環(huán)境[5-6]，盡管溫度是引起開裂的主要因素，但不同結(jié)構(gòu)形式的混凝土如底板、側(cè)墻結(jié)構(gòu)受到的約束程度不同，以及由水化程度和成熟度不同引起的內(nèi)外溫差、體積變形差等性能差異，最終會(huì)導(dǎo)致不同形式的開裂[7].因此，不同結(jié)構(gòu)大體積混凝土表面保溫措施需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì).相關(guān)的表面保溫措施在水工大體積混凝土中研究較多[1-3]，而水工大體積混凝土一般強(qiáng)度較低，膠材用量較少，與民用及市政工程大體積混凝土所用原材料、配合比及結(jié)構(gòu)形式等都存在差別，對(duì)應(yīng)采取的保溫方案也不盡相同.考慮到保溫措施涉及到成本投入與裂縫控制效果，如何針對(duì)特定的結(jié)構(gòu)形式提出精細(xì)化的保溫措施顯得尤為重要.

1 基本工況與評(píng)估方法

某地下工程結(jié)構(gòu)大體積混凝土底板厚2.0～9.3 m，側(cè)墻厚1.2～1.5 m，強(qiáng)度等級(jí)為C40，由于大體積混凝土膠材水化導(dǎo)致內(nèi)部溫度顯著升高，造成內(nèi)外溫差較大，極易導(dǎo)致表面裂縫的產(chǎn)生，而側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土在降溫階段溫降速率快，溫降收縮受到底板等先澆混凝土約束，還極易導(dǎo)致內(nèi)部貫通性裂縫的產(chǎn)生.為實(shí)現(xiàn)抗裂性定量評(píng)估進(jìn)而提出精細(xì)化保溫方案，采用水泥基材料變形開裂的“水化-溫度-濕度-約束”多場(chǎng)耦合評(píng)估機(jī)制和模型[5-6]，計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)尺寸底板及側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土的開裂風(fēng)險(xiǎn)，定量分析了表面保溫措施與開裂風(fēng)險(xiǎn)之間的關(guān)系，基于開裂風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)力評(píng)估準(zhǔn)則提出了精細(xì)化表面保溫建議措施.開裂風(fēng)險(xiǎn)定義為“拉應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度比值”，開裂風(fēng)險(xiǎn)和開裂關(guān)系如下：開裂風(fēng)險(xiǎn)≤0.7，表示基本不會(huì)開裂；開裂風(fēng)險(xiǎn)≥1.0，表示一定會(huì)開裂；開裂風(fēng)險(xiǎn)在0.7～1.0，則存在較大開裂風(fēng)險(xiǎn)[5].該模型已應(yīng)用在水工大體積混凝土、橋梁大體積混凝土及軌道交通地下工程主體結(jié)構(gòu)混凝土等多項(xiàng)重點(diǎn)工程中，計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證[6-8].

2 底板結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果

底板結(jié)構(gòu)一次性澆筑長(zhǎng)度為40 m，在開裂風(fēng)險(xiǎn)較高的夏季施工工況下，不同厚度底板結(jié)構(gòu)混凝土溫度評(píng)估結(jié)果如圖1～圖3所示.結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)尺寸影響混凝土中心溫度發(fā)展歷程，當(dāng)厚度達(dá)到一定尺寸時(shí)，混凝土中心接近絕熱狀態(tài)，由于混凝土自身熱惰性特點(diǎn)，使得內(nèi)部熱量容易積聚，中心表現(xiàn)出較高溫度.由于表面散熱快，結(jié)構(gòu)尺寸將影響中心散熱速率，進(jìn)而產(chǎn)生較大的內(nèi)外溫差.對(duì)本工程而言，當(dāng)?shù)装搴穸葹?.0～2.3 m時(shí)，混凝土中心溫度歷程表現(xiàn)出快速升高至溫峰隨后快速降溫的特點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)外溫差最高達(dá)到45.5～47.1 ℃，且隨著齡期溫差快速減小.當(dāng)?shù)装搴竦诪?.1～9.3 m時(shí)，混凝土中心溫度歷程表現(xiàn)出快速升溫隨后緩慢降溫的特點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)外溫差最高達(dá)到59 ℃左右，且隨著齡期溫差減小趨勢(shì)緩慢.底板結(jié)構(gòu)表面開裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果如圖4所示，結(jié)果表明，不同厚度底板結(jié)構(gòu)混凝土最大開裂風(fēng)險(xiǎn)均超過(guò)1.0，即在夏季施工入模溫度為35 ℃、一次性澆筑長(zhǎng)度為40 m的工況條件下，不同厚度底板混凝土裂縫控制難度較大，必須從原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化、摻加抗裂功能材料及施工工藝優(yōu)化等措施來(lái)降低混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn).

圖1 底板結(jié)構(gòu)中心溫度歷程

圖2 底板結(jié)構(gòu)表面溫度歷程

圖3 底板結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差

圖4 底板結(jié)構(gòu)表面開裂風(fēng)險(xiǎn)

在上述評(píng)估的基礎(chǔ)上，研究了不同保溫措施對(duì)底板結(jié)構(gòu)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，如圖5～圖6所示.結(jié)果表明，當(dāng)保溫措施散熱系數(shù)不超過(guò)1 000 kJ/(m2·d·℃)時(shí)，混凝土內(nèi)外溫差降低程度比較明顯，這種趨勢(shì)隨底板厚度的增加而降低.當(dāng)?shù)装搴穸葹? m、2.3 m時(shí)，采取的保溫措施散熱系數(shù)為不超過(guò)333 kJ/(m2·d·℃)、396 kJ/(m2·d·℃)時(shí)，可控制內(nèi)外溫差不超過(guò)25 ℃，而對(duì)于厚度為8.1 m、9.3 m的底板結(jié)構(gòu)，控制內(nèi)外溫差對(duì)保溫措施要求較高，且效果有限，應(yīng)進(jìn)一步采取其他輔助溫控措施如設(shè)置冷卻水管等技術(shù)措施.對(duì)于底板結(jié)構(gòu)混凝土，中心及底部所受約束較小，一般開裂風(fēng)險(xiǎn)不超過(guò)0.7.除塑性階段因水分快速散失容易引起表面塑性開裂外，大體積底板結(jié)構(gòu)開裂主要由內(nèi)外溫差過(guò)大所致.對(duì)于厚度不大于2.3 m的厚底板，為控制由內(nèi)外溫差引起的開裂，根據(jù)抗裂性評(píng)估計(jì)算結(jié)果，建議采用外保溫的方式，控制內(nèi)外溫差小于18 ℃，表面保溫等效散熱系數(shù)需不大于170 kJ/(m2·d·℃)或保溫效果等效于2 cm干棉絮的保溫效果，條件允許的條件下盡量采取20 cm蓄水保溫養(yǎng)護(hù)方式，且控制水溫與混凝土表面溫度之差應(yīng)不大于15 ℃.厚度大于8 m的超厚底板，過(guò)分依賴外保溫不僅造成較高的成本且對(duì)裂縫控制效果有限.因此，不僅表面需要采用外保溫的方式，由于降溫周期較長(zhǎng)，影響施工進(jìn)度，建議進(jìn)一步降低入模溫度，同時(shí)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管強(qiáng)制降溫.

圖5 保溫措施對(duì)底板最大內(nèi)外溫差的影響

圖6 保溫措施對(duì)底板表面開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響

3 側(cè)墻結(jié)構(gòu)評(píng)估結(jié)果

側(cè)墻結(jié)構(gòu)一次性澆筑長(zhǎng)度為20 m，在開裂風(fēng)險(xiǎn)較高的夏季施工工況下，以厚度為1.3 m側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土為例評(píng)估結(jié)果如圖7～圖10所示.結(jié)果表明，與底板結(jié)構(gòu)相比，側(cè)墻結(jié)構(gòu)散熱條件較好，其溫升值也較底板大幅降低.采用鋼模條件下不同拆模時(shí)間對(duì)側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土中心溫度及開裂風(fēng)險(xiǎn)歷程影響不大，延長(zhǎng)拆模時(shí)間后會(huì)降低表面降溫速率，因而可降低表面混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn).總體上，由于側(cè)墻混凝土溫升較高且溫降速率較快，在溫降階段的溫降收縮耦合自收縮等收縮變形受底板約束條件下容易出現(xiàn)規(guī)整的豎向貫通性裂縫，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)尺寸較大，內(nèi)外溫差顯著，由此會(huì)造成表面開裂，未采取保溫措施時(shí)，側(cè)墻混凝土中心及表面最大開裂風(fēng)險(xiǎn)均超過(guò)1.0.

圖7 拆模時(shí)間對(duì)側(cè)墻中心溫度的影響

圖8 拆模時(shí)間對(duì)側(cè)墻表面溫度的影響

圖9 拆模時(shí)間對(duì)側(cè)墻中心開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響

圖10 拆模時(shí)間對(duì)側(cè)墻表面開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響

考慮到較高的水化溫升是引起開裂的主要原因，若在升溫階段即采取保溫措施，盡管會(huì)降低混凝土內(nèi)外溫差，但會(huì)提高中心溫度，引起的貫通性裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性更為不利.因此，比較了在降溫階段采取不同保溫措施對(duì)混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)的影響，如圖11、圖12所示.結(jié)果表明，采取外保溫的措施可降低側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土中心開裂風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展速率，在一定程度上延長(zhǎng)了混凝土開裂時(shí)間，但對(duì)最大開裂風(fēng)險(xiǎn)影響不大，仍超過(guò)1.0.當(dāng)保溫措施散熱系數(shù)不超過(guò)747 kJ/(m2·d·℃)時(shí)，溫降階段混凝土表面開裂風(fēng)險(xiǎn)可降低至0.2以下，但溫升階段存在的內(nèi)外溫差仍使得混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)1.0.因此，對(duì)于大體積側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土，僅采取表面保溫措施可控制內(nèi)外溫差引起的表面裂縫，為實(shí)現(xiàn)對(duì)由溫降收縮耦合自收縮等收縮變形受底板約束造成的豎向貫通性裂縫的有效控制，還需要采取溫度場(chǎng)與膨脹歷程雙重調(diào)控技術(shù)[9]，如摻加具有溫升抑制和微膨脹功能的抗裂劑，同時(shí)配合降低入模溫度等工藝措施.

圖11 側(cè)墻中心開裂風(fēng)險(xiǎn)

圖12 側(cè)墻表面開裂風(fēng)險(xiǎn)

4 結(jié)論

1)底板結(jié)構(gòu)混凝土的開裂主要由內(nèi)外溫差引起，不同厚度對(duì)應(yīng)的保溫措施不同.當(dāng)厚度較小時(shí)，采取表面保溫措施即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫差裂縫的有效控制，當(dāng)厚度較大時(shí)，采取表面保溫措施效果有限且成本較高，建議在抗裂性定量評(píng)估的基礎(chǔ)上，量化表面保溫技術(shù)參數(shù)，同時(shí)結(jié)合降低入模溫度、采取冷卻水管等技術(shù)措施.為使得開裂風(fēng)險(xiǎn)不超過(guò)0.7，建議控制內(nèi)外溫差不超過(guò)18 ℃.

2)僅采取外保溫的措施可控制大體積側(cè)墻結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)外溫差引起的表面裂縫，無(wú)法解決由溫降收縮耦合自收縮等收縮變形受底板約束造成的豎向貫通性裂縫.建議在抗裂性定量評(píng)估的基礎(chǔ)上，結(jié)合入模溫度控制及溫度場(chǎng)與膨脹成歷程雙重調(diào)控技術(shù)的基礎(chǔ)上，量化表面保溫技術(shù)參數(shù).