大体积混凝土的温控防裂技术

李荣荣 朱久权

（中交三航局第二工程有限公司）

0 前言

大体积混凝土结构是现代化建设过程中广泛采用的一种结构形式，特别是在港口及其它沿海建设项目、大坝及桥梁建设等实际工程中发挥重要作用。目前世界各国对大体积混凝土的定义尚不统一，我国现行国家标准GB50496—2018《大体积混凝土施工标准》中规定大体积混凝土为混凝土结构物实体最小尺寸不小于1m 的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土[1]。大体积混凝土在施工过程中由于水泥用量较多，浇筑混凝土的内部温度会因水泥水化产生的大量水化热而剧烈变化，再加上外界环境温度的影响，这使得混凝土结构极易开裂，从而严重破坏大体积混凝土结构的整体性、稳定性、耐久性和安全性，缩短其使用寿命[2-4]。在我国已建的大体积混凝土工程中，存在不少由于出现温度裂缝进而威胁混凝土结构整体安全性和耐久性的案例。观音阁水库是我国北方第一座大型碾压混凝土重力坝，于1990 年开始建设，1995 年其主体结构基本完工。五年的施工期间一共监测到402 条裂缝，最大裂缝深度长达6m，对大坝的抗渗性能造成严重破坏；而于2000 年建成的江垭碾压混凝土坝，在坝体蓄水期间监测到12 条裂缝产生，其中最深的一条裂缝直达廊道[5-6]。一方面，上述这些裂缝的产生直接影响到大体积混凝土结构的应力分布，而裂缝扩展则会进一步破坏混凝土结构的长期性能；另一方面，裂缝的后期修复费用较高，且修复后的效果通常也只是暂时的[7]。

基于大体积混凝土体积较大、热传导性差、抗拉强度低、容易受约束条件及外界环境影响等特点，完全避免裂缝的产生极为困难。追根溯源，温度应力是造成大体积混凝土开裂的主要原因[7-10]。因此，在实际工程中需要采取有效的温度控制和防裂技术措施，以最小化由温度应力引起的混凝土结构中有害裂缝的产生，从而保障大体积混凝土结构的施工质量，并延长其服役寿命。

1 温度裂缝的产生及发展

大体积混凝土结构在施工和运营期间易于出现温度裂缝。一方面，混凝土结构的内外温差会促进温度应力和应变的产生；另一方面，该应力和应变又受到混凝土结构的外部约束及其自身收缩变形的阻碍。当温度应力和应变突破阻碍，超过混凝土的抗拉极限时，即会出现温度裂缝[11-12]。根据深度，大体积混凝土结构中的裂缝通常分为表层裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝。表层裂缝分布在混凝土结构表面，深度较浅且外荷载作用下不扩展的表层裂缝通常不影响整体结构的使用；深层裂缝是表层裂缝由于应力集中进一步扩展所致，对混凝土整体结构的稳定性具有一定的危害；贯穿裂缝由深层裂缝发展而成，贯穿整个混凝土结构，严重危害混凝土结构的整体安全性和耐久性[11]。

1.1 温度裂缝的影响因素

影响大体积混凝土温度应力并引发温度裂缝的主要因素包括水泥水化热、环境温度、结构约束及混凝土收缩变形[13-16]等。

1.1.1 水泥水化热

水泥水化热是引发温度裂缝的一个重要因素。水泥水化作用产生的大量水化热导致混凝土内部温度急剧上升，实际工程中该温升一般达到20℃～30℃甚至更高[4]，半径大于2.5m 的大体积混凝土内部基本处于绝热状态[17]；但是由于与空气直接接触，混凝土表面散热更快、温度更低；此外，大体积混凝土各部位的散热速率也不尽相同，这导致大体积混凝土内外温度分布极不均匀，温度梯度较大[4]。通常来讲，大体积混凝土较高的内部温度使得其内部膨胀率较大，进而导致结构内部压应力以及结构表面拉应力的产生，当表面拉应力超过混凝土本身可承受的极限时，就会出现温度裂缝。

1.1.2 环境温度

除了水泥水化热的影响外，大体积混凝土在施工过程中对环境温度非常敏感，极易因环境温度的变化出现温度裂缝。在不同季节或不同地理区域等环境温度差异较大的情况下进行大体积混凝土的浇筑时，一般环境温度的变化对大体积混凝土的内外温差具有显著影响[11]。较高的环境温度可间接导致混凝土过高的内部温度。例如，在夏季的高温条件下，混凝土的内部温度可达到60℃～65℃[12]，而当环境温度突然下降时，大体积混凝土的内外温差将进一步加剧，导致温度应力增大，从而促进温度裂缝的产生。因此在酷热、严寒等极端温度条件下，环境温度变化更容易导致大体积混凝土温度裂缝的产生，此时采取合理温控措施降低混凝土内外温差是十分必要的。

1.1.3 外部约束及混凝土收缩变形

外部约束条件会限制由于温度变化引起的大体积混凝土的变形，进而导致温度应力的出现，提高混凝土开裂的可能性。另外，大体积混凝土本身的收缩变形也会影响温度裂缝的产生。在混凝土结构中，80%的水将被蒸发，水泥水化只需要约20%的水分[2]。如果由水分蒸发引起的混凝土的收缩变形受到外部约束的限制，则易产生裂缝。由混凝土的收缩变形引起的温度应力通常是不可忽略的，因此在温度裂缝计算中，应将混凝土收缩值换算成引起相同温度变形所需的温度值，即为“收缩当量温差”[11]。

1.2 温度裂缝的特点及危害

首先，温度裂缝是由于混凝土温度变化而产生的，而温度与时间有关，因此温度裂缝具有时间性。如果混凝土的温度变形速率较慢，产生的温度应力将逐渐松弛，最终温度应力不足以超过混凝土的抗拉强度，就可能不出现裂缝[18]。其次，温度裂缝还与材料特性有关，若材料弹性模量较高、韧性较好，则温度裂缝也不一定出现[11]。就大体积混凝土而言，当开始出现表层裂缝时，若没有即时修护，不仅影响整体结构外观，后期可能发生裂缝扩展，逐渐演变成深层裂缝和贯穿裂缝，从而改变混凝土结构的应力分布，进一步危害其整体结构安全及耐久性能，造成巨大的社会经济损失[18]。

2 温控防裂基本措施

2.1 优化材料选择及配比设计

在对大体积混凝土进行温度控制和防裂举措时，可以从混凝土拌合物的成分入手，合理选择水泥的种类、骨料的类型和级配、外加剂的种类和用量等。同时，根据实际工程需要，优化大体积混凝土的配合比。

2.1.1 水泥及骨料的选择

为了控制水泥水化的放热量，应优先选择低热水泥，并尽量减少水泥的用量[19]。水泥的单位用量每增加或减少l0kg，混凝土的绝热温度将升高或降低1℃[4]。此外，大体积混凝土的配制应选择连续级配、热膨胀系数小、含泥量较低（一般来说，砂、石的含泥量应控制在1%以内）的骨料[20]。这主要是因为采用连续级配的骨料和易性更好，且其在混凝土拌合物中所占体积比相对较高，因此可以在确保混凝土强度的条件下减少水泥用量，起到间接控制水泥水化放热量的作用。对于粗骨料，应根据实际配合比设计要求和施工工艺条件确定粗骨料最大粒径；对于细骨料，应选择优质中砂和粗砂，细度模数应控制在2.6～2.9，并在满足各方面施工要求的条件下减小砂率[21]。

2.1.2 外加剂的选择

在满足大体积混凝土施工和易性和强度的条件下，可以掺加必要的矿物掺合料和化学外加剂。其中，矿物掺合料包括粉煤灰、矿渣、烧黏土等[22-24]，化学外加剂包括防水剂、膨胀剂、减水剂、缓凝剂等。在实际工程中，通常采用粉煤灰和高效减水剂双掺技术进行大体积混凝土的温度控制[25-26]。粉煤灰的掺入可以改善混凝土拌合物的工作性，同时显著降低其早期水化热。实验表明，掺加15%（与水泥的质量比）的粉煤灰可以使水化热降低约15%，且水泥的水化热随着粉煤灰掺量的增加而逐渐降低[4]。但粉煤灰掺量过多会降低混凝土早期强度、促进混凝土的收缩变形，因此实际应用中的粉煤灰最佳掺量应通过试验进行确定。减水剂具有减水和增塑的功能，可以在保证混凝土坍落度和强度的条件下，减少拌合水用量，从而在一定程度上降低水化热[26]。此外，为了补偿混凝土的收缩变形，可以掺入适量的膨胀剂以引起混凝土的微膨胀，或者延缓混凝土自身的收缩过程，使其抗拉强度及抗压强度得到充分发展[4]，从而在降低水化热的基础上增强混凝土结构的致密性。另有研究表明，纳米MgO 作为一种新型膨胀剂，具有分布均匀、填充内部孔隙较多等优点，可以用于大体积混凝土中；而从控制原材料成本的角度考虑，轻烧MgO 和纳米MgO 的复掺可以使混凝土产生更大、更安全的膨胀，从而更有利于大体积混凝土的收缩补偿[27，28]。

2.2 改善施工工艺

改善大体积混凝土的施工工艺，可以有效控制结构内部的最高温度，并降低混凝土内外温差，从而达到减少温度裂缝的目的。合理的施工工艺技术包括浇筑方法的选择、特定的温度控制施工措施，以及浇筑振捣工艺的实施等方面。

2.2.1 合理选择浇筑方法

为了有效降低大体积混凝土的内外温差，针对大体积混凝土浇筑体量较大的特点，应该采用薄层浇筑技术，遵循“分段定点、斜坡自流、薄层浇筑、循序推进、一次到顶”的原则[29]。采用薄层浇筑技术将大体量的混凝土拌合物逐层分解浇筑，不仅便于施工，而且增大了混凝土散热面积，加速了结构内部热量向外散发的速率，从而可以在一定程度上降低温度应力，减小温度裂缝出现的可能性。值得注意的是，采用分层浇筑时应合理选择间隔时间。如果间隔时间过长，下层混凝土对新浇筑层的约束作用将增大，因此在两层接缝面上容易产生垂直裂缝；间隔时间过短则不利于下层混凝土的充分散热，甚至导致下层温升过高，加剧裂缝的产生[4，30]。合适的间隔时间应使得由于新浇筑层覆盖引起的下层混凝土的温度升高幅度小于其被覆盖之前的最高温升值。但对于工期较紧且结构厚度较大的工程，也可以采用一次性浇筑技术，但其对施工过程的温度控制要求较高，需要配合采取一些合理、有效的温度控制施工措施。

2.2.2 控制浇筑温度及内外温差措施

合理有效的温度控制施工措施包括控制混凝土拌合物进、出仓库的温度和浇筑温度，以及调节混凝土浇筑时的内外温差等。当环境温度较高，尤其在炎热夏季进行大体积混凝土的浇筑时，应采取相应措施降低混凝土拌合物的进仓、出仓温度及浇筑温度。例如，对砂石等原材料堆场进行适当的遮阳处理，在拌合混凝土之前采用水冷法或气冷法等预先冷却骨料，甚至加冰水搅拌等。同时，应尽可能缩短混凝土拌合物的运输时间、加快仓储速度，并对混凝土泵送管道采取覆盖隔热、循环水冷却等措施[11-12，30]。此外，应该合理安排浇筑时间，宜选择环境温度适宜的季节或夜间。在浇筑过程中，可以采用预埋水管冷却法降低混凝土的内部温度，也可将冷却水管内的循环水用于混凝土的表面养护，从而进一步降低混凝土的内外温差[4，31]。

2.2.3 改进浇筑振捣工艺

为了进一步排除粗骨料周围的空隙、增大骨料与浆体的粘结面积，从而达到减少混凝土内部微裂缝、提高混凝土结构密实度的目的，可在混凝土初凝之前进行二次振捣。对于加筋的大体积混凝土，鉴于钢筋附近容易产生较大的温度梯度，增加裂缝出现的可能性，因此在施工过程中，应加强钢筋所在位置的振捣、压实，以消除初始裂缝[29]。浇筑完成后，混凝土表面应根据标高用长标尺刮平，并用铁辊滚动碾压数次，再使用木抹子将混凝土表面压实抹光，以提高施工质量、减少表面裂缝[29]。

2.3 合理安排后期养护及温度监测

2.3.1 后期保温保湿养护

大体积混凝土浇注完毕后需要通过加强后期保温保湿养护措施来降低混凝土的内外温差，常用的方法包括保温法和蓄水法[32]。保温法是在混凝土浇注体的表面和周围覆盖保温隔热材料（如塑料膜、湿砂、锯末、草袋、泡沫海绵等），防止表层温度骤降引起开裂[32]。在采用保温法时，应根据现场实际情况选择合适的保温隔热材料，并及时调整保温隔热材料的覆盖厚度，从而有效降低温度应力。对于大体积混凝土地下工程，混凝土脱模后应及时回填坑洞，利用地下土层充当保温材料覆盖在混凝土的表面，起到保温和保湿的作用。蓄水法是采用蓄水的方式进行混凝土的保温保湿养护，可以防止混凝土表面发生龟裂，蓄水深度需要根据实际温度控制要求进行计算[4，32-33]。

2.3.2 后期温度监测

在实际工程中，为了能够及时采取措施控制大体积混凝土的内外温差，对其内部和表面温度进行监控，并采取一定的仿真模拟技术预测内外温度变化是十分必要的。温度监测工作在确保混凝土内部和表面温差满足施工要求（GB50496—2018《大体积混凝土施工标准》中规定混凝土浇筑体里表温差不宜大于25℃）的同时，也可以用来确定结束后期养护的安全温度[30，34]。实际工程中，应根据设计要求预先布置测温点，严格控制测温时间和测温次数，并做好记录，同时根据测温数据采取措施调节混凝土散热速率、控制内外温差，比如增减表面覆盖的保温材料、升降冷却水循环速率等，从而有效降低温度应力、防止温度裂缝的产生。

3 结论

大体积混凝土的温度控制和防裂技术一直是一个复杂的问题，受到诸多因素的影响。水泥水化热是影响大体积混凝土温度应力，引发温度裂缝的主要因素，而环境温度的变化、外部约束及混凝土自身收缩等也是导致温度裂缝产生的重要原因。大体积混凝土的温度控制和防裂技术措施应该从诱发温度裂缝产生的各种因素入手，进一步优化原材料选择及配合比设计、改善施工工艺、合理安排养护及温度监测等各个环节，并根据现场实际情况及时调整温控措施，以减少或避免温度裂缝的出现、强力保障最终的施工质量。