水利工程大体积混凝土温控防裂技术

姜 峰

(葫芦岛市绥中县大风口水库管理处，辽宁 绥中 125200)

0 引 言

目前，对于大体积混凝土世界各国尚未形成统一的定义，我国现行标准规定：预计会因胶凝材料水化引起温度变化、收缩而产生有害裂缝或实体结构尺寸不低于1m的大体量混凝土，称为大体积混凝土。施工过程中因水泥用量较多，水化热较大使得浇筑混凝土的内部温度发生剧烈变化，加之受外界环境与温度影响导致混凝土结构极易开裂，对大体积混凝土结构的安全稳定和耐久性产生极为不利的影响，其服役寿命明显缩短[1-4]。在已建工程中，因大体积混凝土出现温度裂缝而对结构整体的耐久性和安全性造成威胁的案例较多[5-7]。

考虑到其体积大、抗拉强度低、易受环境约束、热传导性差等特点，若彻底杜绝混凝土裂缝的出现难度极大。实质上，造成混凝土开裂的根本原因是温度应力。所以，为最大程度的减少混凝土结构因温度应力而产生的有害裂缝，应采取有效的防裂技术及温度控制措施，从而延长结构的服役寿命以及保证工程施工质量。

1 温度裂缝的产生

1.1 温度裂缝的影响因素

混凝土收缩变形与结构约束、环境温度、水泥水化热等为引发温度裂缝以及影响大体积混凝土温度应力的主要因素，具体如下：

1)混凝土收缩变形与外部约束。大体积混凝土因温度变化而引起的变形会受外部约束条件的限制，并产生相应的温度应力，从而增加混凝土开裂的概率。此外，大体积混凝土温度裂缝的产生还受其自身收缩变形的影响。混凝土结构中20%的水分用于水泥水化，其他水分主要用于蒸发。若混凝土外部约束限制了因水分蒸发而产生的收缩变形，就很容易出现裂缝。一般地，要充分考虑温度应力受混凝土收缩的影响，计算温度裂缝时以产生相同温度变形的温度值换算混凝土收缩值，即确定“当量收缩温差”。

2)环境温度。施工过程中大体积混凝土对环境温度非常敏感，环境温度的变化很容易引起裂缝。在环境温度差异较大的不同地理区域或不同季节浇筑大体积混凝土时，一般内外温差受环境温度变化的影响极为显著，混凝土内部过高的温度与较高的环境温度密切相关。例如，混凝土内部的温度在夏季时甚至可达60℃-65℃，其内外温差受环境温度突然下降而进一步加大，并显著增大温度应力，致使温度裂缝的出现。所以，极端温度(严寒、酷热等)条件下极易产生温度裂缝，为降低大体积混凝土内外温差有必要采取合理的温控措施[8]。

3)水泥水化热。温度裂缝的形成在很大程度上取决于水泥水化热，混凝土内部温度因水化产生大量的水化热而急剧增大，该部分可引起20℃-30℃的温升。大体积混凝土的半径超过2.5m，其内部基本达到绝热状态，然而混凝土表面因与空气直接接触具有更低的温度、更快的散热速度；同时，从散热速率的角度混凝土各部位也存在差异，因内外温度梯度较大及分布极不均匀致使大体积混凝土产生裂缝。总体而言，因内部温度较高致使大体积混凝土存在较大的内部膨胀率，从而导致结构表面拉应力和结构内部压应力的形成，当混凝土自身可承受的极限低于表面拉应力时就会产生温度裂缝。

1.2 温度裂缝的危害

考虑到温度变化为产生混凝土温度裂缝的关键因素，且时间与温度相关，所以温度裂缝存在时间属性。混凝土温度变化速率较慢时所产生的温度应力逐渐松弛，若混凝土抗拉强度超过最终的温度应力就不会产生裂缝。另外，材料的特性与温度裂缝相关，若材料存在较好的韧性、较高的弹性模量，则不一定会产生温度裂缝。大体积混凝土开始出现裂缝时，若未采取有效的修护措施，则很可能导致裂缝的进一步扩展，并发展形成深层或贯穿裂缝，使得机构应力分布发生改变，在影响整体结构外观的同时危害其耐久性、安全性，甚至造成经济损失和人员伤亡[9]。

2 温控裂缝的技术措施

2.1 优化配比设计

从混凝土拌合物的成分入手采取有效的防裂举措和温度控制措施，合理选择外加剂的用量与种类、骨料级配与类型、水泥种类等。另外，还要结合工程实际情况对混凝土配合比进行优化设计。

1)合理选择外加剂。在达到强度和和易性要求的情况下，可将大体积混凝土掺入必要的化学外加剂与矿物掺合料。其中，常用的有缓凝剂、膨胀剂、减水剂和防水剂等化学外加剂，比较常见的有烧黏土、矿渣及粉煤灰等矿物掺合料。实际上，对大体积混凝土温度的控制主要有高效减水剂与粉煤灰双掺技术。掺入粉煤灰能够明显减少早期水化热，以及显著改善拌合物工作性。研究表明，按水泥质量的15%掺入粉煤灰能够减少约15%的水化热，且随粉煤灰掺量的提高水泥的水化热呈减少趋势。然而，掺入过量的粉煤灰会促进混凝土收缩变形、降低结构早期强度，所以应通过试验确定粉煤灰的最佳掺量。在确保强度和混凝土坍落度的基础上，掺入减水剂能够减少拌合水用量，发挥塑性、减水及降低水化热的功效。另外，通过掺入适量的膨胀剂可以补偿混凝土的收缩变形，以产生的微膨胀作用减缓混凝土的收缩过程，充分发挥结构的抗压及抗拉强度，在减少混凝土水化热的条件下增大结构密实度。实践表明，新型膨胀剂纳米MgO存在内部孔隙填充多、分布均匀的优点，在大体积混凝土中具有广泛适用性；从成本控制出发，纳米Mg O与轻烧Mg O的复掺能够产生更安全、更大的膨胀，为混凝土收缩补偿提供更加有利的条件。

2)选择水泥及骨料。通过减少水泥用量、优先选用低热水泥等措施可以有效控制水泥水化的放热量，每减少或增加单位用量的水泥，就会降低或升高1℃的混凝土绝热温度。另外，应选用含泥量较低、热膨胀系数小及连续级配的骨料配制大体积混凝土，砂、石的含泥量一般不超过1%。采用连续级配的骨料配置混凝土拌合物时，其所占体积比较高且和易性较好，该条件下可以减少水泥用量并保证混凝土强度，从而发挥间接减少水化放热量的功能。粗骨料最大粒径要充分考虑施工工艺条件和实际配合比设计要求来确定，细骨料的细读模数以2.6-2.9为宜，应选用优质粗砂与中砂，且在符合施工要求的情况下尽量降低砂率。

2.2 改善施工工艺

改善施工工艺可以有效降低混凝土内外温差，合理控制结构内部最高温度以达到减少温度裂缝的目的。其中，浇筑振捣工艺的实施、特定的温度控制措施以及浇筑方式的选择等为合理的施工工艺技术，具体如下：

1)优化浇筑振捣工艺。为进一步增加浆体与骨料的黏结面积、排除粗骨料周围的空隙，以实现增大混凝土结构密实度以及减少其内部微裂缝的目标，可以采取二次振捣工艺。针对加紧混凝土，考虑到钢筋附近易出现较大的温度梯度而增加裂缝产生的可能性，所以在施工过程中要对加紧位置加强压实、振捣，从而减少形成初始裂缝的概率。浇筑完成后，利用标尺、铁辊、木抹子等对混凝土刮平、碾压和压实抹光处理，从而保证施工质量及减少裂缝的产生[10]。

2)内外温差及浇筑温度控制措施。目前，调节混凝土浇筑时的内外温差、控制混凝土浇筑温度、出仓以及物进温度等为合理有效的温度控制施工措施。当浇筑大体积混凝土的环境温度较高时，特别是炎热的夏季应实施有效的降低浇筑温度、拌合物进出仓温度的措施。例如，适当的对原材料堆场进行遮阳，利用气冷法或水冷法等对混凝土拌合之前的骨料预先冷却，必要时还可加冰水拌合。此外，还要尽量加快仓储速度、羧酸拌合物运输时间，采取循环水冷却、覆盖隔热等措施处理混凝土泵送管道；同时，对浇筑时间合理安排，选择夜间或适宜的季节浇筑。为降低浇筑过程中混凝土内部的温度可以采用预埋水管冷却法，对于混凝土表面的养护也可利用冷却水管内的循环水实现，以此降低内外温差。

3)浇筑方法的合理选择。根据浇筑体量较大的特点可以选用薄层浇筑技术，该过程要遵循“分段定点、循序推进、斜坡自流、一次到顶、薄层浇筑”的原则。将大体量混凝土拌合物利用薄层浇筑技术逐层分解浇筑，有利于加快内部热量向外的散发、增大混凝土散热面以及工程施工，在一定程度上减少出现温度裂缝的概率以及混凝土温度应力。实际工程中，要合理选择分层浇筑的时间间隔，若间隔过长则新浇筑层受下层混凝土的约束力增加，两层之间极易形成垂直的裂缝；若间隔过短则容易导致下层温升过高，即下层混凝土散热不充分加剧裂缝的形成。以下层混凝土被覆盖之前的最高温升值大于其被新浇筑层覆盖引起的温度升高幅度为原则，合理的确定间隔时间。然而，对结构厚度较大且工期较紧的工程也可选用一次性浇筑技术，但具有较高的温控要求，必须配合有效、合理的温控措施。

2.3 合理安排养护

1)后期养护。浇筑完毕后，为降低内外温差还要加强后期的养护，其中蓄水法与保温法为常用的方法。蓄水法主要是对混凝土利用蓄水的方式养护，以防止出现龟裂的现象，应按照实际温控要求合理计算蓄水深度。保温法是将泡沫海绵、草袋、湿砂、塑料膜、草袋等保温隔热材料覆盖至混凝土浇筑体周围和表面，以防止因温度快速下降而引起表层开裂的方法。保温隔热材料的选择应考虑现场实际情况，并及时调整覆盖厚度以降低温度应力。

2)后期温度监测。通过实时监控大体积混凝土的内部与表面温度，为及时采取有效的温控措施提供参考，对于其内外温度的变化还可利用仿真模拟技术预测。在保证表面与内部温差符合要求的基础上，温度监测工作还可用于后期养护安全温度的确定。实际工程中测温点的布设还要考虑设计要求，对测温次数与时间严格控制，做好温度监测记录，并结合测温数据实施有效的措施控制内外温差、调节散热速率，如升降冷却水循环速率及增减表面覆盖保温材料等，以防止温度裂缝的形成和有效降低温度应力。

3 结 论

大体积混凝土防裂技术与温度控制属于一项综合性的复杂问题，其涉及到的影响因素较多。其中，水泥水化热为产生温度应力和温度裂缝的主因，而混凝土自身收缩、外部约束及环境温度的变化也对裂缝的产生较大的影响。对此，应从诱发温度裂缝产生的各因素入手采取大体积混凝土防裂技术和温度控制措施，合理安排温度监测及养护、改善施工工艺、进一步优化配合比设计及原材料选择等环节，通过温控措施的及时调整保障最终的施工质量，最大程度的避免或减少温度裂缝的形成。