大体积水工混凝土温度应力及裂缝控制

胡星，鄢煜川

（1.中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省鄱阳湖水利枢纽建设办公室，江西 南昌 330046）

1 大体积水工混凝土的特性

混凝土属于脆性材料，当其受到来自外界或者来自自身内部的收缩力时很可能会有裂缝产生。由于混凝土自身具有的水化热的特性，通常会造成混凝土内部产生高温。在温度较高时混凝土的弹性模量会下降，混凝土不会产生大的变形。随着大体积水工混凝土内部温度下降弹性模量增大，相应地会发生较大的变形。当混凝土变形的程度超出其最大受拉能力，裂缝就会在混凝土结构中形成。

2 大体积水工混凝土裂缝成因

2.1 混凝土水化热

混凝土水化热是指在水工大体积混凝土进行浇筑操作时，水和水泥的搅拌混合有大量的热量产生。而且混凝土中水泥量的增多会造成水化热的增高，如果热量不能迅速散发到外界就会滞留在内部致使其内部温度增加。而在混凝土外部，因为水分的蒸发散热致使外部温度下降，因此混凝土内部和外部会形成较大的温度差异。在这种温差作用之下，外部遇冷收缩形成的应力和内部温度过高膨胀形成的应力会产生相互作用导致裂缝在混凝土中产生。

2.2 外界温度改变

在各种影响水工大体积施工过程的因素中，外界的温度是当中影响作用较大的一个。因为外界温度的改变会对混凝土内部和外部结构之间的温度差异造成影响，进而可能会威胁到混凝土的施工质量。在浇灌过程中，混凝土结构外部的温度降低到一定水平，可以造成混凝土结构温度不均匀，混凝土会因为无法承受因此形成的温度应力而形成裂缝；而如果外界温度上升到一定程度，会不利于浇筑时混凝土内部的散热致使混凝土内部热量集聚形成温差，这也会使形成温度裂缝的概率上升。

2.3 混凝土收缩

混凝土在经历搅拌之后会硬化和体积缩小，与水泥自身的特性有关。比如钢筋和混凝土模板拉应力的产生，裂缝会在拉应力的大小大过混凝土的最大承受能力时在混凝土中形成。另外，不同收缩原因会造成混凝土形成不同的收缩类型，比如自收缩、干裂纹和温度收缩等。其中自收缩的形成是因为水泥和水在搅拌之后发生了泥浆反应，因此形成了C-S-H凝胶并吸收超过半数的水泥浆体，最终会导致混凝土的体积缩小8%左右。

2.4 混凝土荷载过重

虽然大体积混凝土结构能够承受较大的压力，但是如果承受过重的负荷也会造成裂缝的产生。其主要原因是因为过重压力的承担造成混凝土发生了变形，这与混凝土结构的设计有较大的关联。所以在进行混凝土结构的设计时，如果构建的模型脱离实际而且计算过于理想化，很容易造成实际结构状态与设想不相符，而且混凝土模型中存在的内力会导致裂缝产生。

3 温度应力及力学性能

混凝土抗拉强度与时间的关系式为：

式（1）中：t 是指混凝土的龄期，ft（t）代表龄期为t 的混凝土抗拉强度，其随时间的变化趋势如图1所示。

图1 混凝土抗拉强度变化图

另外，混凝土的弹性模量与龄期的关系可以表示为：

式（2）中：Ec是指龄期为二十八天的混凝土弹性模量。在混凝土温度下降过程中，由于龄期的累计增长，其弹性模量会同时上升，处于各个龄期的混凝土温度应力的计算公式如下：

图2 温度应力和抗拉强度变化关系图

从上述的规律分析可以发现，伴随着温度的降低，混凝土的温度应力会反之增高，其抗拉强度则会随着龄期增长逐渐变大，而且增长的规律呈现出初期增长变化速度快而后期变化速度较小的特征。因此，在实际施工中可以对大体积水工混凝土在龄期达到28 d前进行验算，评估混凝土是否可以抵抗温度应力带来的压力，确保形成的温度应力的大小水平低于混凝土的抗拉强度水平。

4 实例分析

4.1 工程概况

某新建泄洪水闸为3 孔，闸底板和闸墩设计为整体结构，泄洪水闸上游混凝土厚度3.50 m，中部最大厚度6.50 m，下游厚度2.50 m，采用C30混凝土进行施工浇筑。

4.2 模型参数与结果分析

考虑到温度场计算的合理和计算时间的要求，建模时兼顾水闸结构和基岩的尺寸，以该水闸闸墩及底板结构为原型进行仿真分析，有限元网格及计算坐标系如图3所示。

图3 闸墩有限元剖分图

在不同工况下，使用ANSYS 软件对闸墩混凝土温度应力进行仿真分析，得到底板中心点和仓面点、闸墩中心点和仓面点温度历时曲线分别如图4、图5所示。

图4 底板中心点和仓面点温度历时曲线图

图5 闸墩中心点和仓面点温度历时曲线图

由图4、图5可知，在没有任何表面保温和内部冷却措施的情况下，闸墩强约束区（底板附近）内部点最高温48.95℃，闸墩内部点最高温51.80℃，在浇筑后约3.50 d 出现。底板和闸墩的最大内外温差都在第4 天出现，底板为28.16℃闸墩为28.12℃。在这样的内外温差之下，若不采取温控措施，则不论在早龄期的闸墩表面还是晚龄期的内部，均存在较大的开裂。因此必须进行早期表面保温，降低内外温差，并配合内部水管冷却，此举可降低内外温差。

4.3 拟采温控措施

4.3.1 原材料选择

首先，选取的凝胶材料应具有低水化热的特性。在开展混凝土的配制时，选取水化热较低的水泥能够有效缓解混凝土浇筑中出现的温差过大的状况。挑选掺合料时，则应该选择类似粉煤灰类的组成成分均匀且性能较为均衡的材料；其次，配制混凝土时必须要使用高质量、优性能的减水剂，因为好的减水剂能够在提升混凝土的性能、改善和易性的同时做到很大程度地节约各项原材料在混凝土配置中的投入量；再次，挑选的骨料需有合适的级配且清洁、坚硬。其中，天然砂以及人工砂细度模数的范围分别要处于2.10～2.90以及2.30～2.70。而对于粗骨料，通畅选择的级配是四级配，其最大颗粒直径是150 mm。粗骨料在投入使用前需要清洗泥沙并除去表面存在的水分，粗细骨料两者的含泥量通常都把控1%以下。

4.3.2 浇筑温度控制

混凝土浇筑时温度的上升很容易对混凝土的各项性能造成破坏。可以采取以下三种措施：第一，在混凝土中铺设冷水管，这样能够有效控制浇筑时混凝土的温度；第二，可以利用喷雾器在混凝土浇筑施工过程中进行喷雾，喷雾的出现能够造成低温小气候的产生，进而能够有效降低混凝土的外部温度；第三，可以在施工过程中设置遮阳棚，以避免外部阳光过度曝晒沙石使其表面温度升高。在实际的施工中，具体的操作步骤是先将冷水管埋设在混凝土中，然后冷水应该在进行混凝土浇筑操作时注入，管道内的液体在运动过程中可以吸收很多热量。另外，埋设水管内引入的冷水最好是取自深层的地下水（地下水温度低），抽水时最好要使用两台以上的水泵同时运作。

4.3.3 温度裂缝控制

大体积混凝土浇筑需要确保浇筑顺序、方向等的正确性，混凝土浇筑完成后需要做好养护，把控好湿度以及温度，确保混凝土表面在养护阶段始终保持湿润。养护期间外部环境出现温度过低的情况，需要使用具有保温性能的外罩覆盖在混凝土表面；养护期间外部环境过高，则应该使用土工布遮蔽混凝土结构外部，同时要定期洒水来控制温度。如果混凝土结构内部铺设有冷水管，则需要保证管内冷水的持续供应，定期检测冷水管道进出口的温度，监控温度水平。

5 结论

在实际的水工大体积混凝土施工中，采取必要的温控措施对于减少混凝土裂缝产生来说是十分重要的。应该合理科学地设计水工大体积建筑的结构，选取最佳的施工材料，严格监测把控混凝土的温度，保证施工各环节操作的规范化，做好水利建设工程质量的保障工作。