大体积混凝土热工计算及裂控措施分析

纪红松 朱 艳 夏修迪

一、概述

在大中型水利工程项目中，水闸（涵）底板大部分属于典型的大体积混凝土构件。由于施工初期水泥水化热释放较为集中，温升较快，而构件截面内散热不均，形成了内外温差，易使混凝土构件由表及里出现裂缝，若不加以重视和控制，会影响结构安全。山东省济宁市某在建水闸底板构件施工期为冬季，通过对混凝土热工计算制定了抗裂养护方案，将温差应力值控制在20℃左右，较好地解决了构件内外温差过大的问题。本文以该工程为例，对大体积混凝土的热工计算及裂控措施进行分析和研究。

二、工程简述

某水闸工程底板面积为25m×30m，厚度分别为4m 和2m。该结构为C30 钢筋混凝土，抗渗等级W4，抗冻等级F50；抗裂材料由高效微膨胀组分、合成纤维、保水组分等多种材料复合构成，限制膨胀率满足规范《混凝土膨胀剂》（GB23439-2009）指标要求；构件一次性浇筑混凝土2300m³左右。

三、裂缝成因分析

（一）裂缝变形的普遍性

大体积混凝土构件施工中裂缝变形具有普遍性。水工建筑物施工期呈现的表层裂缝宽度在0.1～0.2mm 之间属微缝，这种裂缝经过一定时间的养护可以自愈。若出现大于0.2～0.3mm 的贯穿缝，则会影响结构使用，形成渗透。

（二）裂缝产生的规律

构件厚度越大，水泥用量越多，形成的裂缝机率就越大；构件截面中心部位绝热值最大可达50℃左右，大于底部和表层面绝热值，而截面内外温差大于25℃时，就易形成裂缝。

（三）裂缝产生的原因

引起裂缝的原因主要有：荷载自身收缩过大、过快，材料配置不当；施工操作不当，养护不到位；水泥水化产生的绝热值过大，构件内部热量积聚不易散发，而外部散热较快，且适逢冬季施工时表面温度低于内部温度，诱发温差应力过大产生裂缝。

四、热工计算

（一）热工计算的必要性

水化热的大小，与混凝土中水泥的品种和用量有关，而水泥水化后释放的水化热状态，与表面裂缝和贯穿裂缝的产生紧密关联，直接影响到建筑物整体使用安全。因此在大体积混凝土浇筑前应通过热工计算，估算截面内外部可能产生的最大水化热温升值与温差值，便于在施工中制定切实可行的技术方案，为裂控做好充分准备。

（二）热工计算

1.计算依据及基本参数

计算根据《建筑施工手册》（简称《手册》），闸底板混凝土厚度为4m（2m），强度等级为C30，属大体积混凝土，应对底板混凝土进行热工计算，施工配合比见表1。砂子含水率5%，石子含水率5%；搅拌棚内温度10℃，平均环境温度10℃；采用混凝土罐车运输，从混凝土出站到工地所需时间约30 分钟；材料温度值采用估算简易值。

表1 C30 混凝土施工配合比表（单位：kg）

2.混凝土拌合物温度计算

混凝土材料拌合温度表见表2。

表2 混凝土材料拌合温度表

T0=（CsTsms+CgTgmg+CcTcmc+CwTwmw+CfTfmf+CpTpmp+CwTsWs+CwTgWg）/（Csms+Cgmg+Ccmc+Cwmw+Cfmf+Cpmp+CwWs+CwWg）≈9.7℃

式中：T0—混凝土拌合物温度（℃）；Ts、Tg、Tc、Tw、Tf、Tp—砂子、石子、水泥、拌和用水、粉煤灰、膨胀剂的温度（℃）；mc、ms、mg、mp、mf、mw—水泥、砂子、石子、膨胀剂、粉煤灰和水的重量（kg）；Ws、Wg—砂子、石子中游离水的重量（kg）；Cc、Cs、Cg、Cp、Cf、Cw—水泥、砂子、石子、膨胀剂、粉煤灰及水的比热容[kJ/（kg·K）]。

经计算，拌合物运输到浇筑时温度约为8.117℃，混凝土最高绝热温升为57.1℃，混凝土的内部最高温度为51.98℃大于25℃，混凝土表面最高温度为9.82℃，内外侧最高温度差为42.16℃。

五、热工计算成果的分析

（一）温差应力的形成

通过以上热工理论计算，混凝土浇筑后，在绝热状态下温升值较大，内外侧温度差为42.16℃大于25℃，此时产生的温差应力要大于混凝土允许拉应力，使混凝土由表向内开裂，易形成贯通缝。

（二）理论绝热值与实测值比较

根据资料，现场核心部位实测的最高温度为49.8℃，计算值51.98℃。因此理论计算值与实测值基本接近，可作为配置导热与散热装置的依据。

（三）不同厚度绝热值数据不尽相同

复合式底板分为4m 与2m，其核心部位的现场实测温度值有所不同，以3 天测温最高值为例，4m底板测温值为49.8℃，2m 底板测温值为43.2℃。因此底板厚度不同，导热、散热装置间距与数量的布置应做相应调整。

（四）构件施工后综合养护的必要性

经计算，构件核心温度值与表层温度值相差42.16℃，需在混凝土内部预埋冷却水管，降低水化绝热值。冬季施工温度低，构件表层面散热快，应进行保温，减少截面内外温差值，避免裂缝产生。

六、控裂措施

（一）优化材料配置

（1）大体积混凝土中各种材料的掺量应通过配合比设计，并进行现场调试。要明确混凝土的初、终凝时间，混凝土3d、7d、28d 的收缩率，所选用外加剂的种类和技术要求，以及施工中控制的坍落度。（2）尽量减少水泥用量，选用低、中热化水泥，C30 混凝土水泥用量控制在300～350kg/m³以内。（3）混凝土收缩主要是浆体收缩，可降低混凝土浆量体积，增加粗集料用量。骨料可使混凝土比单纯的水泥浆具有更高的体积稳定性和更好的耐久性，骨料越大混凝土收缩率越小，对防止大体积混凝土表层龟裂有较好预防作用。

（二）添加外加剂

用减水剂来减少用水量；适当掺入磨细粉煤炭；掺加优质高效抗裂膨胀剂及掺加纤维材料，优化混凝土配合比，防止裂缝的发生和发展。

（三）对大体积混凝土进行养护

在混凝土体内布置导水管，输水循环冷却。4m厚底板可布置3 道导水管，分上中下布置；2m 厚底板布置二道，分下中二道。以4m 底板的实测数据为例，降温后核心部位温度为39.5℃，底板以下部位为37℃。顶面部采用塑料膜与稻草覆盖，进行保温保湿。经实测温度为25℃，温差值均控制在20℃左右，保证了大体积混凝土构件整体施工质量。

（四）对大体积混凝土内外温度进行监测

在构件内部布置测温感应装置，加强对混凝土内部水化热温度进行跟踪测量监控，不断进行内部导热和降温，确保内外温差得到有效控制■