通过对大体积混凝土产生裂缝的机理分析

现代大型桥梁施工中时常涉及到的大体积混凝土施工，大体积混凝土主要的特点是体积较大，一般实体最小尺寸大于或等于1m。由于其体积大，表面小，水泥水化热释放比较集中，内部温升比较快，当混凝土内外温差较大时，会使混凝土产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用，所以必须从根本上分析它解决它，来保证施工的质量。目前施工中相对比较准确的方法是通过计算水泥水化热所引起的混凝土的温升值与环境温度的差值大小来判别，一般来说，当其差值小于25℃时，其所产生的温度应力将会小于混凝土本身的抗拉强度，不会造成混凝土的开裂，当差值大于25℃时，其所产生的温度应力有可能大于混凝土本身的抗拉强度，造成混凝土的开裂。

104国道徐州北段扩建工程赵庄京杭运河大桥，全长594.2m，主桥采用62+100+62m现浇变截面PC连续箱梁，主墩采用实体墩，群桩基础。主墩长7米，宽3.6米，高6米，方量为142m3 ，属大体积混凝土。在施工前对墩身产生的温度进行验算分析。 混凝土温度分析计算：

一、C40 混凝土采用P.0.52.5 普通硅酸盐水泥, 其配合比为: 水: 水泥: 砂: 石子：外加剂( 单位kg) =187: 416: 737:1105: 3.33( 每立方米混凝土质量比) , 砂、石含水率分别为3%、0%, 混凝土容重为2440kg/m3。

二、2009年9月20日各种材料的温度及环境气温: 水18℃, 砂、石子23℃, 水泥25℃环境气温20℃。

( 1) 混凝土拌和温度计算: 公式T0=∑TimiCi/∑miCi

可转换为:T0=[0.9 (mcTc+msTs+mgTg) +4.2Tw(mw - Psms - Pgmg) +C1 ( PsmsTs +PgmgTg) - C2( Psms+Pgmg) ]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg) ] 式中: T0 为混凝土拌和温度

mw、mc、ms、mg—水、水泥、砂、石子单位用量( kg) Tw、Tc、Ts、Tg—水、水泥、砂、石子的温度( ℃) Ps、Pg—砂、石含水率(%)

C1、C2—水的比热容(KJ/Kg•K) 及溶解热(KJ/Kg) 当骨料温度>0℃时, C1=4.2, C2=0; 反之C1=2.1, C2=335

本工程墩身的混凝土拌和温度为: T0=[0.9( 416×25+737×23+1105×23) +4.2×18( 187- 737×3%)+4.2×3%×737×23]÷[4.2×187+0.9( 416+737+1105 ]=22.03℃ ( 2) 混凝土出机温度计算: 按公式T1=T0- 0.16( T0- Ti) 式中: T1—混凝土出机温度( ℃) T0—混凝土拌和温度( ℃) Ti—混凝土搅拌棚内温度( ℃) T1=22.03- 0.16×( 22.03- 25) =22.51℃

( 3) 混凝土浇筑温度计算: 按公式TJ=T1- ( ατn+0.032n)( T1- TQ) 式中: TJ—混凝土浇筑温度( ℃) T1—混凝土出机温度( ℃)

TQ—混凝土运送、浇筑时环境气温( ℃) τn—混凝土自开始运输至浇筑完成时间( h) n—混凝土运转次数

α—温度损失系数

实际施工过程中,τn取1/3, n 取1, α取0.25 TJ=22.51- ( 0.25×1/3+0.032×1) ×( 22.51-25) =22.80℃( 低于30℃) （4） 混凝土的绝热温升计算：Th=W0Q0/(Cρ) 式中: W0—每立方米混凝土中的水泥用量( kg/m3) ; Q0—每公斤水泥的累积最终热量(KJ/kg)

查建筑施工手册取28天硅酸盐水泥 375(KJ/kg) C—混凝土的比热容取0.97(KJ/kg•k) ρ—混凝土的质量密度( kg/m3) Th=( 416×375) /( 0.97×2440) =65.9℃

（5） 混凝土内部实际温度计算：Tm=TJ+ξTh 式中: Tj—混凝土浇筑温度; Th—混凝土最终绝热温升;

ξ—温降系数查建筑施工手册, 按混凝土浇筑厚度4m。则:ξ3取0.74,ξ6取0.73,ξ9 取0.72,ξ21 取0.37。

本工程内部实际温度: Tm(3)=22.8+0.74×65.9=71.6℃; Tm(6)=22.8+0.73×65.9=70.9℃; Tm(9)=22.8+0.72×65.9=70.2℃; Tm(21)=22.8+0.37×65.9=47.2℃。

（6） 混凝土表面温度计算：Tb(τ)=Tq+4h’(H- h’)ΔT(τ)/H2 式中: Tb(τ)—龄期τ时混凝土表面温度( ℃) Tq—龄期τ时的大气温度( ℃) H—混凝土结构的计算厚度(m)

按公式H=h+2h’计算, h—混凝土结构的实际厚度(m) h’—混凝土结构的虚厚度(m)

h’=Kλ/βK—计算折减系统K取0.666 λ—混凝土导热系数取2.33W/mK

β—模板及保温层传热系数(W/m2•K): β值按公式 β=1/( ∑δi/λi+1/βg) 计算

δi—模板及各种保温材料厚度(m)

λi—模板及各种保温材料的导热系数(W/m•K) βg—空气层传热系数可取23W/m2K

ΔT(τ)—龄期τ时,混凝土中心温度与外界气温之差(℃) ΔT(τ)=Tm(τ)- Tq

设计保护层厚度0.04m, 混凝土灌注高度为6m 则:

β=1/(0.04/0.06+1/23)=1.41 h’=Kλ/β=0.666×2.33/1.41=1.1

H=h+2h’=6.0+2×1.1=8.2(m)若Tq 取20℃, ΔT(τ)计算得：

ΔT(3)=71.6-20=51.6℃ ΔT(6)=70.9-20=50.9℃ ΔT(9)=70.2-20=50.2℃ ΔT(21)=47.2-20=27.2℃

Tb(τ)计算得： Tb(3)=20+4×1.1(8.2- 1.1)×51.6/8.22=44.0℃ Tb(6)=20+4×1.1( 8.2- 1.1)×50.9/8.22=43.6℃ Tb(9)=20+4×1.1( 8.2- 1.1)×50.2/8.22=43.3℃ Tb(21)=20+4×1.1( 8.2- 1.1)×27.2/8.22=32.6℃

（7） 混凝土内部与混凝土表面温差计算：ΔT(τ)s=Tm(τ)- Tb(τ) 本工程实际内部与混凝土表面温差为: ΔT(3)s=71.6- 44.0=27.6( ℃) ΔT(6)s=70.9- 43.6=27.3( ℃) ΔT(9)s=70.2- 43.3=26.9( ℃) ΔT(21)s=47.2- 32.6=14.6( ℃)

通过计算得出混凝土内外温差3到9天之内都高于25度，为确保混凝土不因内外温差过大导致混凝土开裂，必须进行必要的措施。最终本项目主墩墩身采用了埋设冷却管进行通水散热处理方案。同时严格控制拆模时间降低内外温差降温速率，控制降温速率在2.0℃/d以内，延长养生时间等措施。由于本工程前期对墩身大体积混凝土施工进行了温度计算，并通过计算结果预先采取相应的技术措施控制温度差值,控制裂缝的开展,做到了心中有数,科学指导施工,确保了主墩墩身的施工质量，至今未发现由温度应力产生的裂缝