大体积混凝土浇筑及温控措施

张博

摘要：随着土木工程大规模建设，混凝土开裂问题已成为影响结构耐久性的重要因素，而温度应力是导致大体积混凝土开裂最为普遍的原因。

关键词：大体积混凝土；温控措施

1 大体积混凝土结构特点

大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑后，由于水泥的水化热，内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压应力并不大；但在日后温度逐渐降低时，混凝土弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。另外，大体积混凝土通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年四季中气温和水温的变化也能在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。

混凝土是脆性材料，抗拉强度只是抗压的1/10左右，拉伸变形能也很小。当温度下降时，混凝土所受的拉应变超过其抗拉应变的能力就会产生开裂。

由于大体积混凝土有以上的自身结构特点，国内外工程经验表明，要防止大体积混凝土出现危害性裂缝，需要精心设计、精心施工。

2 大体积混凝土温度裂缝的形成和发展

混凝土浇筑后，由于水泥在水化凝结过程中，要散发大量的水化热，因此使混凝土体积膨胀，待达到最高温度后，随着热量向外部介质散发，混凝土温度下降，体积随之收缩。

由于混凝土浇筑在基岩或混凝土上，它们的初始温度条件不同，物理力学性能也有差别。混凝土的温度变形，在基岩面上受到基岩约束而产生应力。

在基岩部位，混凝土的收缩受基岩约束，将产生很大的拉应力，如果超过混凝土的极限抗拉强度，将出现基础贯穿裂缝。在脱离基岩约束部位，如果混凝土的最高温度与外部介质的温差过大，内部热的混凝土约束，外部冷混凝土的收缩，即内部温度场呈非线性分布，也可能出现深层裂缝或表面裂缝。最可能和最危险的情况，是早期的表面裂缝成为薄弱点，在继续降温过中继续发展，形成具有破坏性的深层裂缝。

混凝土表面裂缝多数发生在浇筑初期，初期的表面温度骤降是引起表面裂缝的主要原因。当日平均气温在2-4d内连续下降6-9 时℃，未满28d龄期的混凝土在暴露表面，可能产生裂缝。因为气温骤降在混凝土表层形成很陡的温度梯度，而混凝土为热量的不良导体，这时内部混凝土仍处于高温降段，严重限制表面混凝土的急剧收缩，使混凝土的徐变不能发挥作用。龄期3-5d的混凝土拆模使表层混凝土突然暴露在较冷的空气中，也相当于一次气温骤降。因此，拆模后必须立即进行保温。

美国混凝土学会杂志（A.C.I）的资料统计：“一个缓慢的降温，混凝土承受的数值（可考虑在几个星期内发生的）比陡降甚至可以大3-4倍，由于很缓慢的降温，徐变作用大约可以减小混凝土的变形量2/3左右”。因此，气温骤降，很容易在混凝土表层产生裂缝，如果这些裂缝是出现在基岩附近。受基岩约束作用，将在这些裂缝的部位形成應力集中，逐步发展成基础贯穿裂缝。如果这些裂缝出现在脱离基础约束范围以外，在经历一个比较长降温过程以后，内部温度仍较高，混凝土内部形成非线性温度场，从而使裂缝向纵深发展，形成深层裂缝。要避免以上两种严重危害性裂缝的产生，首先要防止表面裂缝，实施表面保护，降低混凝土表面与内部的温差，同时必须保护混凝土的早期抗拉强度，使之具有一定的抗裂能力。

综上所述，减少约束条件，降低混凝土水化热温升，加强内部降温和表面保温养护是防止或减少混凝土出现严重危害性裂缝的主要措施。

3 温控措施

3.1 温度场及应力场仿真计算

在施工前可采用大型有限元程序对大体积混凝土进行温度场及应力场仿真计算，计算能模拟混凝土实际施工过程，可以考虑混凝土分层浇筑方式，入仓温度、施工间歇期、混凝土水化热的散发规律，混凝土的自身体积变形及徐变影响等复杂因素。根据程序计算结果，可制定混凝土在施工期不产生温度裂缝的标准，如混凝土内部最高温度、混凝土内表最高温差、混凝土最大降温速率等指标。供施工单位作为施工组织设计的依据。

3.2 配合比设计

改善混凝土材料本身抗裂性能首先研究混凝土各组分对抗裂性能的影响，通过对混凝土各组分的品质与质量选择，最佳掺量、最佳组合、最佳配合比等参数的确定，达到提高混凝土材料自身抗裂能力和变形性能的目的。同时提出以抗裂为核心，全面改善混凝土各种物理力学性能的配合比优化设计方法，以适应大体积混凝土的温控要求。

为使大体积混凝土具有良好的抗侵蚀性、体积稳定性和抗裂性能，混凝土配合比设计的基本原则如下：

1、混凝土水泥可选用矿渣硅酸盐水泥。该类型水泥具有水化热低后期强度增长高的特点，有利于大体积混凝土温控。

2、选用坚固耐久、级配、粒形良好的洁净骨料，级配优良碎石。

3、应在规范允许范围内尽量掺加粉煤灰等矿物掺合料，以减少水泥用量，降低混凝土的水化热温升。

4、外加剂可选用缓凝高效减水剂，这样能有效降低每方混凝土用水量，从而降低混凝土的水化热温升。使用缓凝减水剂能大大延缓水泥水化热温峰出现时间，对控制混凝土早期裂缝有重要意义。

3.3 混凝土浇筑温度控制

3.3.1 混凝土浇筑温度控制

混凝土出搅拌机后，经泵管输送、平仓、振捣等过程后5-10cm处的温度为混凝土浇筑温度。在每次开盘之前，通过测水泥、粉煤灰、砂、石水的温度，估算出出机温度，并依据出机温度估计浇筑温度。在标准要求范围内，尽量降低混凝土的浇筑温度。降低混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要。相同混凝土，入模温度高的温升值要比入模温度低的大许多。混凝土的入模温度应视气温而调整。在混凝土浇筑之前，通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，可以估算浇筑温度。若浇筑温度不在控制要求内，则应采取相应措施。

水泥入场温度不应超过50℃，否则应采取措施，如要求水泥厂家在水泥出厂前放置一段时间，或采取多次倒运的方法降低水泥使用温度。

3.3.2 通水冷却

根据混凝土内部温度分布特征，在每层混凝土中埋设冷却水管，冷却水管可采用φ48mm的薄壁钢管，其水平间距为0.9m，冷却水管距混凝土表面大于0.8m，每根冷却水管长度不超过200m，冷却水管进出水口集中布置，以利于统一管理。冷却水管使用前进行了压水试验，防止管道漏水、阻水。混凝土浇筑到各层冷却水管标高后即开始通水，各层混凝土峰值过后即停止通水，通水时间根据测温结果确定。待主通水冷却全部结束后，采用同标号水泥浆或砂浆封堵冷却水管。

3.3.3保温及养护

混凝土养护包括温度和湿度两个方面。结构表层混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度养护。因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微观结构。目前工程界普遍存在的问题是湿养护不足，对混凝土质量影响很大。浇筑混凝土前在模板侧面吊挂麻袋保温，拆模后立即用两层土工布、一层彩条布和四层麻袋覆盖保温，四个角应适量增加麻袋，并在大体积混凝土四周搭设保温棚，棚内安装碘钨灯以增加棚内温度。混凝土终凝后用中膜覆盖混凝土顶面，然后用土工布或麻袋覆盖混凝土顶面，与此同时还应采取洒水养护，防止混凝土出现裂缝。

3.3.4 现场温度监测

根据温控计算成果，为做到信息化施工，真实反映各层混凝土的温控效果，以便出现异常情况及时采取有效措施，可在大体积混凝土中布设温度测点。在检测混凝土温度变化的同时，还对气温、冷却水管进出口水温、混凝土的出机温度、入仓温度、浇筑温度等进行监测。

各项监测项目在浇筑混凝土后立即进行，连续不断。混凝土的温度监测，在升温阶段每隔2h巡回监测各点温度一次。到达峰值后每隔4h监测一次，持续5天，之后转为每天测2次，随着混凝土温度变化减小，逐渐延长监测间隔时间，直至温度变化基本稳定结束。