一次性浇筑大体积混凝土底板温控防裂技术研究

范 轴

(上海市崇明区水务建设工程安全质量监督站，上海 202150)

水工结构由于其独特的结构特性，大体积混凝土应用广泛，若能一次性完成浇筑不仅能缩短工期，还能增强结构的整体性和耐久性[1]，节约成本。奉贤区南门港水闸改造工程的闸室和消力池段底板属于大体积混凝土结构，容易出现温度裂缝，通过温控措施、技术措施和施工措施，实现了底板的一次性浇筑，无裂缝产生，实施效果较为理想，为相关水工大体积混凝土一次性浇筑提供了参考。

1 工程概况

奉贤区南门港水闸改造工程，位于上海市奉贤区南门港出海口，团结塘河与南门港的交界处，毗邻上海海湾森林公园。本工程主要为拆除老水闸一座，改造为总净宽(6m+12m+6m)24m三孔水闸、外河消力池、内外河圆弧翼墙，新建配套水闸管理房。

2 裂缝的产生机理

国内外实践证明[1- 11]：混凝土水化热过程的温度升降、外界环境使得混凝土内部出现温差，混凝土本身弹性模量随龄期的增长变化，加上外部约束条件限制，在混凝土结构内部产生温度应力，外部约束形成次应力，产生膨胀和收缩变形，与混凝土失水干缩、自收缩、温度收缩和塑性收缩所产生的拉应力叠加[10]，当拉应力大于混凝土抗拉强度时，微裂纹发展成宏观裂缝，从而导致混凝土产生裂缝。

大体积混凝土的固化过程释放水化热，随着时间的推移，早期温度上升快，达到最大值后降温，降温速度比温升过程慢；由于大体积混凝土的厚度较厚，而混凝土本身的传热性能比较差，混凝土的水化热集聚在结构内部，难以散发出来；内部的温度随着外界环境约束及温度环境变化，表面约束越小、外界温度越低、离表面越近、散热条件越好的部位温度相对低些，大体积混凝土的温度升降及内部温差，导致混凝土体积变化不均匀，早期升温的过程，内部体积膨胀比外表面的体积膨胀大，使得外边面产生拉应力，内部产生压应力，而温降的过程则相反，内部体积收缩大于外部表面的体积收缩，导致外边面产生压应力，内部产生拉应力[9]；早期大体积混凝土的强度以及弹性模量均较低，快速升温阶段中混凝土的内部应力、内部约束及外部约束造成的应力和变形均较小，由于水泥砂浆与骨料热膨胀系数的不同，在升温过程中温度荷载作用下混凝土水泥砂浆与骨料所形成的界面首先产生损伤并随温度增加而发展，因此形成界面裂纹，当温差继续增加达到某一数值后，界面裂纹便向水泥砂浆中延伸[20]；在后期的温降中混凝土进入收缩阶段，随着混凝土龄期的增长，弹性模量增大，对内部收缩的约束就越大，同时受到外部的约束，内部及外部产生超强的拉应力，由于混凝土的抗拉强度低，当超过其极限拉应变时，混凝土微裂纹继续发展以致发展成宏观裂缝，导致混凝土结构发生断裂破坏[20]，形成有害裂缝。裂缝的产生将造成混凝土结构的整体性能和耐久性降低，防渗性能遭到破坏，内部钢筋锈蚀等劣化效应[2]。

3 大体积混凝土结构特性

该工程桩基础采用桩长23m的预制方桩，闸室设置一周的三轴止水搅拌桩。闸室段底板为27m×31.6m，中间1.8m厚，四周为齿坎形，厚2.3m;消力池底板为27m×31.6m，中间1.8m厚，四周为齿坎形，厚2.3m；消力池分为两节，消力池Ⅰ段底板为11.8m×30.8m，厚1.8m，局部厚3.1m；消力池Ⅱ段底板为18.2m×(30～37.075)m，厚1.8m，局部厚3.1m。底板混凝土标号为C30。该工程底板按照大体积混凝土浇筑的要求采取防裂措施，考虑到工期紧张，保证底板的整体性和防渗要求，各块底板均一次性浇筑完成，不分缝也不设置后浇带，这也给防裂及温控带来了挑战，温控和防裂至关重要。

大量实践和研究成果表明[1- 2，7- 11]：大体积混凝土中温度裂缝无法避免，关键是能采取有效的防裂和控制裂缝发展的措施，而裂缝产生与边界条件、环境条件、配合比、浇筑工艺、温控措施、养护、拆模等因素密切相关，如何有效控制各方面因素是该工程一次性完成大体积混凝土浇筑成败的关键。

4 防裂及温控措施

4.1 浇筑方案设计

考虑3块底板连续，为改善约束条件，减少侧向约束，从而减少约束应力，选择跳仓施工，减少底板间相互影响，先浇筑闸底板，而后消力池Ⅱ段底板，在两侧底板浇筑完成后，再浇筑消力池Ⅰ段底板。闸室底板混凝土浇筑量约为1663m3，消力池Ⅱ段底板混凝土浇筑量约为1179m3，消力池Ⅰ段底板混凝土浇筑量约为798m3。浇筑时间安排在4月到5月之间，4月份日均最高气温为22℃，日均最低气温为18℃；5月份日均最高气温为27℃，日均最低气温为19℃。选取的浇筑时间段整体外界气温条件较好，混凝土入仓温度与大气温之间的温差控制在5℃之内[21]。

在基坑两侧的支护平台上采用45m的两台泵车对称浇筑，由两侧向中间斜层按照分层浇筑布设有序浇筑，斜层角度不大于10°，考虑到混凝土散热，每层最大厚度不大于50cm。浇筑过程中控制混凝土的垂直下落高差不超过2m，避免出现离析，在舱内振捣，在顶层钢筋预留上人孔，下层振捣完成后焊接封孔。泵车卸料流淌部分应及时跟踪振捣，避免冷缝。做好安全防护及安全技术交底工作，保证浇筑的安全和质量。闸室底板混凝土浇筑顺序如图1所示。

图1 闸室底板斜层浇筑图(单位：mm)

4.2 配合比设计

闸室底板最厚处达到2.3m，消力池底板最大厚度达到3.1m，大体积混凝土配合比设计对温度裂缝的控制至关重要，其方向主要从减少水化热释放，延缓水化反应速度，适当延缓混凝土强度和弹性模量的增长速度，延缓温度变化率和叠加收缩变形速率。在保证混凝土流动性和和易性的基础上，尽可能减少水泥和水的用量，水泥品种采用低发热型，掺入减水剂，减少水化热释放；同时掺入粉煤灰和矿粉，延缓水化反应速度，适当延缓混凝土强度和弹性模量的增长速度。为此对大体积混凝土进行配合比设计：选择低水化热的P.O42.5水泥；石子选用5～25mm的连续级配；黄砂采用天然中粗砂，细度模数2.3～3.3，含泥量≤3%；掺外加剂SH306，增加缓凝剂，提高和易性及可泵性；掺粉煤灰和掺矿粉，以降低水泥用量和减少水化热；坍落度取120±30mm，降低对模板的冲击力。

经过厂家实验室的试配以及第三方检测单位检测，最终确定配合比，详见表1。

表1 底板配合设计

4.3 温控方案设计

4.3.1温度计算[2]

(1)胶凝材料水化热总量

Q=KQ0

(1)

式中，K—不同掺量掺合料水化热调整系数；Q0—每千克水泥水化热量，采用普通硅酸盐水泥，28d水化热为375KJ/kg。

K=K1+K2-1

(2)

式中，K1—粉煤灰掺量对应的水化热调整系数；K2—矿粉掺量对应的水化热调整系数。

根据配合比计算：K1=0.9508，K2=0.9623，求得K=0.913，求得Q=342.4kJ/kg。

(2)混凝土绝热温升计算

假定在无任何散热条件和热损耗的情况下，即水泥水化热全部变成混凝土的温升，可按下式计算：

T(t)=Th(1-e-mt)

(3)

式中，m—与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，其值为0.3～0.5，本章取0.4；t—混凝土龄期，d，正常取值t为无穷大；Th—混凝土绝热最高温升值，℃，即全部水化热转化为混凝土的温升，上升的最高温度值，按下式计算：

Th=(WQ)/(Cρ)

(4)

式中，W—每立方米混凝土的胶凝材料用量，kg/m3；C—混凝土的比热，一般为0.92～1.0kJ/(kg·℃)，本章取0.96kJ/(kg·℃)；ρ—混凝土的重力密度，取2400kg/m3。

混凝土最大水化热升温值，即最终升温值为Tmax=350×342.4/(0.96×2400)=52.01℃。

(3)混凝土各龄期内部实际温度计算

由于散热边界条件较复杂，难以精确地计算，在实际工程中一般可按下式近似估算:

T(t)=Tj+Tmaxζ(t)

(5)

式中，T(t)—t龄期混凝土中心计算温度，℃；Tj—混凝土浇筑温度，取22℃；ζ(t)—t龄期温降系数，因浇筑块厚度与混凝土龄期而异[12]。

(4)混凝土表面温度及内外温差计算

混凝土表面温度受外界气温、养护方法、结构厚度及混凝土本身性能等许多因素的影响，可用下式近似估算：

T2(t)=Tq+4h′(H-h′)[T1(t)-Tq]/H2

(6)

式中，T2(t)—混凝土表面温度，℃；Tq—施工期大气平均温度，取22℃；H—混凝土计算厚度，m，由于一面为地基基础，按照单面散热，H=h+h′；h′—混凝土虚厚度，m，可按下式计算：

h′=Kλ/β

(7)

式中，λ—导热系数，可取2.33W/(m·K)；K—计算折减系数，可取0.67；β—混凝土表面模板及保温层等的传热系数，W/(m2·K)，β可按下式计算：

β=1(∑δi/λi+1/βq)

(8)

式中，δi—各保温材料厚度，m；λ—各保温材料导热系数，W/(m·K)；βq—空气的传热系数，取23W/(m2·K)。

本工程保温材料为一层0.001m厚度塑料薄膜，加两层共计0.01m厚度的土工布。

计算得出β=8.06，h′=0.19m。

由以上计算墩墙的温升变化，见表2、表3和表4。

表2 1.8m厚底板的温升变化

表3 2.3m厚底板的温升变化

表4 3.1m厚底板的温升变化

按照规范要求，控制大体积混凝土的内外温差小于25℃，由表2—4计算数据可知，在1.8、2.3m厚的混凝土中心与表层温差均小于25℃，3.1m厚的底板在前9天内大于25℃。

环境温度越低，对应的内外温差越大，浇筑时间在4—5月份，环境温度适中，可减少大体积混凝土的开裂概率，若出现低温，可在混凝土表面再增加保温措施。

4.3.2冷凝水管布设

大体积混凝土温控和裂缝控制研究和实践证明[13- 18]，布设冷却水管是施工期常用且有效的温控措施，对冷凝水管布设设计、通水流量、速率、通水温度、时间以及停水温度做了大量的数字仿真模拟，取得了一些成就，为实际工程应用提供有力的参考。

按照朱伯芳提出的“小温差早冷却缓慢冷却”冷却通水思路[18]，防止温度梯度突变[14]，混凝土的温差控制在规范要求的范围内。实践证明[17]，通水流量越大，通水水温越低及通水时间越长均使冷却效果越好，水管附近较闸底板表面冷却效果显著。在早期升温阶段，表面选择较小的保温力度，对提高后期混凝土表面的抗裂性能有利；在后期降温阶段，提高降温速率对混凝土后期的防裂越有利[13]。对于停水时的温度[13]，根据混凝土绝热温度的过程，估算停水后的温度反弹量，同时考虑混凝土内部的抗裂安全度。但同时降温速率过小会导致后期产生较大的拉应力，降温速率过大则会使得停水时的拉应力过大[17]，保证在不产生超出混凝土承受的强度范围内，来控制降温速率，以达到防裂的目的。

南门港水闸在“小温差早冷却缓慢冷却”的冷却通水思路下，通过温度计算，对通水冷却的水管进行设计；布设测温单元，分析混凝土温度的变化趋势，及时调控水温、流量、流速及通水时间，减少通水温度与混凝土温度的温差，调整外表面保温措施，并延长通水时间，降低龄期峰值；控制降温速率，使得最高温差小于规范允许值，防止拉裂，同时控制冷却水进出及与混凝土温差值，预防水管附近裂缝的产生；根据以往经验及实测温度变化情况，现场外界条件和温度条件，综合确定停水时间。

根据4.3.1节温度计算分析，对消力池Ⅰ段底板加厚段布设两层冷却水管，1.8m段布设一层冷却水管；对于消力池Ⅱ段的底板，因仅在最边上0.5m的宽度范围内为3.1m厚，其他部位为1.8m厚，此段不设置冷水管，另外考虑闸室底板长度和宽度较大，对该断底板设置冷却水管，以保证闸底板的浇筑质量。闸室底板冷却水管分三段布置，其中两侧冷却水管长度均为223.9m，中间段冷却水管长度为223.8m，冷却水管采用高强度尼龙管，管外径为40mm。消力池Ⅰ段底板冷却水管对称分两段布置，靠内河侧冷却水管长度为177.5m，外河侧冷却水管长度为177.5m。靠内河侧的3.1m厚段的冷却水管采用钢管，管外径为48mm，壁厚2.0mm，靠外侧的冷却水管采用高强度尼龙管，管外径为40mm。其他部位浇筑控制措施，采取保温措施，延长侧模拆除的时间，不设置冷凝水管。闸底板及消力池Ⅰ段底板冷凝水管布设具体如图2—5所示。

图2 闸底板冷凝水管布设平面图(单位：mm)

混凝土温度与水温之差不应超过25℃，管中水的流速宜为0.6～0.7m/s，水流方向应每24h调换1次，应控制冷却水的流量，保证降温速率不大于15℃/d，温度梯度不大于2℃/m。

图3 闸底板冷凝水管布设剖面图(单位：mm)

图4 消力池Ⅰ段底板冷凝水管布设平面图(单位：mm)

图5 消力池Ⅰ段冷凝水管布设断面图(单位：mm)

4.3.3温度监测

根据底板的结构形态、厚度、冷却水管布设方案，布置测温单元，实时跟踪，分析数据及温度变化趋势，及时调整温控措施，调控冷凝水通水，减少内外温差，减缓温度变化速率，防控有害裂缝的产生。闸室底板在2.3m厚度的齿坎四个脚各设置预埋一组测温传感器，1.8m厚度分别设置4组测温传感器；消力池Ⅰ段底板在加厚段第一排和第二排中间布设两组测温传感器，在1.8m厚段布设两组测温传感器。各组布设剖面图如图6—7所示。

图6 闸室底板段测温点布设剖面图(单位：mm)

图7 消力池Ⅰ段底板测温点布设剖面图(单位：)

在温升初期温度变化较快，在浇筑后6h内每1h测一次，后续3d内每2h测一次，后续7d内个每4h测一次，以后数据读取时间可适当延长，根据实测的温控数据分析，在上述采取的温控措施下，通过测温情况，调控冷凝水管的流量、流速、通水时间、通水温度、停水时间及表面保温措施，混凝土内外温差均控制在25℃以内，大体积混凝土的温度控制效果良好。

4.3.4混凝土养护

大体积混凝土底板保温采用一层塑料薄膜，保水保湿，加两层土工布保温；同时延迟拆模时间，根据测温情况决定拆模时间，侧模7天后拆模，拆模后及时覆盖养护，预防表面龟裂裂缝。如果外界气温较高，表层采取洒水养护，养护时间不少于14d。

5 结语

在深入剖析大体积混凝土温度裂缝产生的原因和机理的基础上，通过多种温控防裂措施，从前期混凝土的浇筑方案设计、配合比设计、冷凝水管布置设计，过程中的浇筑控制、通水冷却、温度监测措施，到后期养护及拆模，全过程进行防控，保证了混凝土内外温差控制在25℃以内，减少了温度应力叠加，避免产生裂缝，实现了大体积混凝土底板一次性浇筑成型。浇筑不设置施工缝，不仅工效高，节约了工期，而且结构整体性和防渗性好。该工程已进行通水验收，实体和外观质量均被评为优良，以上温控防裂措施效果明显，对大体积混凝土一次性浇筑成型温控防裂具有很好的借鉴意义。