大体积混凝土水化热温度控制及监测

冯太坤 余圣爱 曾玉昆 郑道林

摘要 大体积混凝土在施工过程中由于水化反应释放的水化热，可能导致温度升高，进而引起混凝土内部温度裂缝的发生。为了确保大体积混凝土结构的耐久性和安全性，文章以承台大体积混凝土为研究对象，阐述承台大体积混凝土在水化过程中所采用的温控原则及控制措施，同时，对施工全过程现场温度监测方法进行研究，为大体积混凝土结构在浇筑与养护期间温度控制和耐久性提升提供参考。

关键词 混凝土裂缝；大体积混凝土；温度控制；温度监测

中图分类号 TU755文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）05-0046-04

0 引言

大体积混凝土作为一种常用建筑结构材料，呈现出大体量、低表面系数、水泥水化热集中释放等特点。这种混凝土在施工过程中会经历温度变化和收缩，容易导致有害裂缝的产生，因此，需要采取特殊措施以保障结构安全和正常使用。大体积混凝土作为一种重要的结构形式，在高层建筑基础、大型设备基础和水利大坝等工程中得到了广泛应用。由于大体积混凝土体积大，结构复杂，其温度场研究具有重要意义[1-2]。

1 大体积混凝土产生裂缝的原因

大体积混凝土产生裂缝的原因有多种，主要包括以下三点[3]：

（1）当水泥进行水化反应时，会释放出众多的热能，导致混凝土的内部温度上升。因为大型的混凝土具有较厚的断面，这些水化反应的热能难以从其内部散去，所以，混凝土的最高温度通常会出現在浇筑完成的3～5 d。在混凝土的内外温度差异较大的情况下，可能会出现温度应力，而如果混凝土的抗压能力无法承受这种应力，那么就可能出现温度裂缝。

（2）当混凝土发生变形时，会有所限制，从而妨碍其变形。由于大体积混凝土和地基的共同施工，下层地基的限制将使得混凝土容易出现裂缝。

（3）施工期间外界气温对大体积混凝土也极为重要。随着外部温度的升高，混凝土的浇筑温度也会相应提高；而当外部温度下降，也会增加外部混凝土与内部混凝土之间的温度差异，产生温度应力，导致大体积混凝土出现裂缝。

2 大体积混凝土水化热温度控制

2.1 大体积混凝土水化热温度控制原则

大体积混凝土温度控制是确保混凝土结构质量和安全的重要方面。以下是大体积混凝土水化过程中温度控制的原则：

（1）控制混凝土入模温度以降低混凝土在水化过程中内部温度峰值。

（2）控制混凝土的最大绝热温升，延缓混凝土内部最高温度出现时间。

（3）通过保温保湿措施控制混凝土在温峰过后的降温速率。

（4）减少混凝土内外、新浇与现浇混凝土之间的温差，并控制混凝土表面与周围空气温度之差。

2.2 大体积混凝土水化热温度控制措施

该文旨在详细探讨混凝土施工过程中的关键环节，包括配比设计、浇筑、振捣、通水和养护等方面的全面控制措施[4]。这些步骤的细致执行，旨在实现对混凝土质量、内部最高温度、内表温差以及表面约束的有效管理，从而达到对温度裂缝形成及发展的精准控制目的，温控实施流程见图1。

2.2.1 配合比优化

（1）通过使用新型胶粘材料，减少水泥的使用以减少水化反应的热能。在保证混凝土的工作性能和强度的前提下，尽可能地降低胶凝材料的使用量和浆料的比例，用于增强混凝土的体积稳定性和抗裂性。

（2）挑选合适的水胶比，并且管理好最大的用水量。把混合水的最大使用量视为衡量混凝土耐久性的关键参数，这对于管理最大的水胶比例来说更具优势。因为仅仅控制水胶比例无法消除由于混凝土中浆料过多导致的收缩、水化热升高等不良效果。

（3）使用矿物掺和料和高效减水剂进行双重掺入。矿物掺和料有助于优化混凝土中微小颗粒的排列，增加了浆料和接触表面的紧凑程度；优化了混凝土的施工性能；减少了因为水泥的水化反应导致的混凝土内部的温度上升；优化了胶凝材料的成分，增加了对化学介质侵蚀的抵御能力。通过矿物掺和料和高效减水剂的联合作用，降低水泥和水的消耗，从而提升混凝土的强度和持久性。

2.2.2 浇筑温度控制

结合混凝土浇筑现场施工条件，计算出输送和浇筑混凝土时的温度变化。

若施工工期为夏季，设置遮阳棚、制冷水喷射等方法对集料进行降温，并将集料的温度控制在低于空气温度5 ℃；通过提前两周的备料和延长贮存期，可以将水泥的温度控制在≤60 ℃，粉煤灰和矿渣粉的温度控制在50 ℃以下。并采用冷水和片冰用于拌和混凝土，见图2。

依据工程实践，每添加10 kg的冰块至少可以使新浇筑的混凝土温度下降1 ℃。冰块的添加量会根据环境温度和浇筑温度的需求而变化，最大的冰块添加量应为水量的50%。应该考虑最大的冰块添加量对大型混凝土出口温度的预估。

2.2.3 埋设冷却水管

冷却水管的埋设对大体积混凝土温度控制至关重要，承台混凝土通水要求见表1，冷却水管的使用与控制如下：

（1）通过使用分水器把各个层次的水管从水箱中分离出来，并在分水器上配备适当数量的独立水阀，以便对各层水管的冷却水流量进行控制。

（2）在使用冷却水管之前，需要进行压水测试，避免管道出现泄漏或阻塞的情况。

（3）各层的冷却水管要在混凝土盖住这一层的冷却水管和振捣完成后才能通水。在温峰之后，应该减少排水，避免因混凝土快速冷却产生的温度应力积累而产生裂缝。

（4）控制进出水温度。冷却水管入水口水温与出水口水温之差≤10 ℃，并且在进出水口温差较大时，通过倒换进出水口，使混凝土均匀降温。冷却水与内部混凝土的温差不应大于25 ℃（采用大型储水箱，利用出水温度调整进水温度），降温速率控制在2 ℃/d（初期3 ℃/d）。

（5）冷却水流量根据测温结果确定。在混凝土升温阶段，进水的流量要大于0.65 m/s，并产生紊流；在降温阶段，可采用水阀门控制实现减速供水，将速度降低一半，使水流变得平缓，处于层流状态。

（6）在混凝土养护工作完毕之后，利用空气压缩机将其中的剩余水分排出并使其干燥，接着使用压浆机对水管施加与混凝土相同标号的水泥浆，以此来密封管道。

2.2.4 冷却水管智能循环控制系统

承台采用冷却水管智能循环控制系统，对冷却水管进行智能化、自动化管理。

冷却水管自动控制系统主要通过无线控制阀门、无线流量计、无线接收发送装置等组成，可根据现场需要选择在进水水箱安装加热装置，控制进水温度，系统流程见图3。

冷却水管循环控制系统主要是通过对支管水管的阀门档位进行现场调整，依据实体部件的内部温度监测数据，对各个支管流量进行个性化和精确度的调整。通过调整在温峰前能有效地压制温峰，温峰后通过水管调整，控制混凝土的降温速率不高于2 ℃/d。冷却水管智能循环控制系统逻辑见图4。

3 现场温度监测

为了确保施工品质和温度管理的有效性，获取相关的温度管理数据，从而实现信息化的建设，需对混凝土的温度进行监控。若温度管理的效果不理想，无法满足温度管理的要求，必须立即实施补救措施；如果混凝土的温度远低于温度管理的上限，则降低温度管理的力度，防止资源的浪费。

3.1 现场温度监测内容及要求

通过大体积混凝土的温度场计算，可以从理论上掌握大体积混凝土的内部温度、温度应力的演化规律，然而，由于理论计算采用的参数和计算模型与实际工程中的大体积混凝土并不相同，因此，必须对施工过程进行实时监控。温度监测内容包括混凝土温度场测量与环境体系温度测量两方面。

3.2 温度场监测

在大体积混凝土的温度控制中，温度场的监控是一项非常重要的工作。对建筑物尺度和温度场的分布特性应加以考虑，通过合理布置一定数量的温度传感器以确保监测工作的合理展开，同时确保温度测点的设置具有代表性，既要强调关键点，又要考虑整体情况，监测大块混凝土中的温度变化，以指导实施或调节温控措施，确保温度控制指标达到预期。温控监测流程见图5。

3.3 环境体系温度监测

环境体系温度测量包括环境气温、冷却水进水、出水温度。在水管进水口、出水口等关键位置布置温度传感器，测量冷却水的温度。

3.4 监测元件布置原则

施工期间，需要对混凝土的出模温度、浇筑温度、冷却水进出水温度、外界温度等进行实时监测，并对内部温度进行实时监测，并对其进行适时的调节和优化。混凝土内部温度测点的布设应遵循以下几个原则：

（1）在构件对称性的基础上，选择1/4的构件作为检测点，将监测点设在结构竖向的中部以及顶底面。

（2）根据温度场的分布情况，对测温点在高程上的间距进行了适当的调节，使其与管道之间的距离大于25 cm。

（3）在评价过程中要充分考虑温度控制指数。测温测点的设置主要有：外表测温点（布置在构件中部的短边长边的中线上5 cm）、内部测温点（设置在构件中部）。

3.5 温度监测频率及要求

混凝土温度监测频率和记录要求如下：

（1）混凝土入模温度监测：每次浇筑时监测2次。

（2）浇筑块体温度场监测：环境温度、冷却水进水、

出水温度和内部温度在升温期间每2 h测量一次，在降温过程中的第一周，每4 h测量一次，然后在一周之后，选择一天中的一个典型的温度变化周期，每天监测2～4次。特殊情况下，如大风或气温骤降期间，适当增加监测次数。

（3）温度监测持续时间：当混凝土的内部最高温度与环境温度之差连续3 d＜25 ℃时，且降温速率≤2 ℃/d、内表温差≤25 ℃时，即可终止温度监测。温度监测持续时间一般不少于14 d。

4 结束语

大体积混凝土的施工质量对结构的整体品质具有重要的影响。因此，有必要从多个方面对大体积混凝土的施工技术进行全面深入分析。该文结合大体积混凝土温度控制经验以及温度监测管理，总结出以下经验：

（1）大体积混凝土水化热温度可通过配合比优化、浇筑温度控制及冷却水管布置等方面进行控制，从而对温度裂缝形成及发展进行精准控制。

（2）采用冷却水管智能循环控制系统可对冷却水管进行智能化、自动化管理。

（3）现场温度监测工作的合理开展可确保施工品质和温度管理的有效性，从而实现信息化施工建设。

参考文献

[1]劉美菊. 市政桥梁工程大体积混凝土施工质量控制研究[J]. 工程技术研究， 2023（7）： 121-123.

[2]姚瑞. 桥梁结构承台大体积混凝土水化热温度效应研究[D]. 西安：长安大学， 2021.

[3]庄宝振. 公路桥梁大体积混凝土常见裂缝与施工控制工艺分析[J]. 中国住宅设施， 2021（10）： 127-128.

[4]游志雄. 大体积混凝土温度应力场分析与温控措施研究[D]. 重庆：重庆大学， 2019.