大坝大体积混凝土温度控制技术

马世强

（潍坊潍临水利建筑基础处理有限公司，山东 潍坊 262600）

0 引言

水工建筑物是水利水电工程项目建设的重点，其质量直接影响工程项目稳定运行。其中，水工建筑物混凝土结构开裂问题则是长期困扰工程建设的一个关键性问题[1]。尤其是随着工程建设需求及建设水平不断发展，大体积混凝土结构的广泛应用，其结构裂缝问题受到了更广泛地关注。在水坝大体积混凝土结构施工中，为有效避免混凝土裂缝出现影响大坝结构整体性与安全性，就必须要重视混凝土温度控制技术的有效应用，从大坝大体积混凝土工程建设阶段加强对混凝土开裂的预防和控制，从而保证大坝大体积混凝土施工质量，维护水利工程项目运行稳定与安全[2]。

1 工程概况

某水库为一座大（二）型水利水电枢纽工程，位于山东省境内淮河流域一支流体系，发挥综合利用功能，为当地防洪、灌溉发挥重要作用。水库大坝控制流域面积520km3，汛限水位为158.2m，设计水位为165.8m，校核洪水位为170.6m，设计总库容为3.05亿m3，星历库容为1.91亿m3。水库枢纽工程中，主要大体积混凝土工程位置为拉河大坝，其属于双支墩肋墩坝，构成包括双支墩共12个，单支墩以及重力坝坝段共包括3个。坝顶长度为302m，坝高最高82.3m，坝顶高程202m，坝顶宽度4m。拦河坝为混凝土大坝，材料采用C30，根据大坝结构分类，其属于大体积混凝土，在实际施工过程中，混凝土浇筑期间会产生大量的水化热，并且不容易消散，随之会出现非常大的温度应力，从而导致其出现裂缝，严重影响坝体结构稳定性。因此，针对其采取有效的温控防裂技术，对工程顺利实施具有重要意义。

该水利枢纽工程根据地理位置划分，气候为亚热带湿润季风区，全年的降雨量较为适中，季节区分明显，春季气候多变，秋季较短，冬季寒冷且雨雪天气较少。该地区历年平均气温在16.2℃左右，夏季历史最高气温为39.7℃，冬季历史最低气温为零下14.5℃。年降水量约为1000mm，集中在6—8月份，平均相对湿度77%，年均无霜期229天，年日照时间约2000h。

2 混凝土温度控制主要措施

2.1 温控防裂主要措施

在该工程中，在大体积混凝土浇筑过程中采取的主要温控防裂措施有以下7点：1）降低混凝土浇筑温度。在实际施工前，需要对相关材料进行降温，使石料预冷，从而确保混凝土浇筑时，在出机口不会处于高温的状态，从而达到降温效果。对大体积砼主要采取3种降温措施：一是搭建凉棚，对除砂子外的材料进行喷水雾降温，或采用风冷措施对骨料进行预冷，同时须注意若采取水冷措施，还需要对骨料进行脱水，稳定其含水量，拌合过程中可采用深层地下水；二是避免使用刚入库高温水泥直接进行混凝土生产；三是最好选择在夜间、清晨或阴天等时段进行施工[3]。2）运输保温。在混凝土运输中，在运输罐车外层包括棉帆布保温，减少运输过程中的低温季节温度损失和高温季节温度倒灌。3）通水冷却。需要设置冷却水管，通常都位于进水流道，从而对混凝土进行通水冷却。在实际应用中，水管直径32mm，厚度2mm的HDPE材料。浇筑层厚度低于2m中间需要布置一层冷却水管，进水口温度应保持在14℃左右，水流速度保持在0.8m/s左右，流量在1.66m3/s左右。4）加强混凝土材料把控。在选择凝胶材料时，尽可能选择粗颗粒水泥材料，从而加强大体积混凝土内水化热过渡的稳定性，增强其自身强度及抗裂性能。如果水泥水化热较低，其强度应与混凝土设计强度相匹配，对受河水冲刷或抗冻等级要求较高的部位，则应当保证水泥设计较强较高。水泥的运输与存储过程需要做好相应的防水防潮措施，散装水泥需要经测温在65℃以下之后再入罐[4]。5）降低混凝土内外温差。根据“内降温、外保温”的原则，采用混凝土初期通水冷却和表面保温同时进行的方式，减少混凝土内外部的温度差值。夏季高温季节外保温保水采用5mm棉毡与2mm塑料薄膜；冬季低温季节采用5cm棉毡与2mm塑料薄膜进行保温。6）混凝土养护。根据季节变化采取相应的养护措施，在夏季，混凝土浇筑后可以对其表面进行洒水施工，达到养护的效果。在本次施工中，养护手段主要是表面流水养护，养护时间约为一个月，对于重点位置，则需要根据实际增加养护时间。当混凝土表面与外界环境的温差稳定保持在20℃以内时停止养护[5]。7）施工期观测。采用拓普瑞T3无线自动测温仪对外界温度进行观测，每小时测量一次水、外加剂、骨料温度；每2 h测量一次出机口温度、运输中温度损失、浇筑温度；浇筑完成部分内部温度通过埋设在内部的温度探头测量。要求施工人员及时反馈施工温度观测情况，根据实际调整施工方案，落实施工中温度的动态监控[6]。

2.2 合理安排砼施工顺序及进度

在砼施工过程中，对于基础约束区，要把控要设计规定时间，并且需要注意上升的均匀性和连续性，最大限度减少薄层施工时间。对于其他的位置的施工，则尽可能缩短间隔时间，上升同样需要是均匀的和连续的。

2.3 加强混凝土原料温控

要严格控制水泥入罐温度，高于65℃不得入?罐，待冷却达到温度控制要求后再入罐；加强砂子含水率控制，不能高于5%且其控制其波动幅度；成品料仓堆料高度应在6m之下，料仓应为三面封闭棚；加强对砂子外材料喷水降温，并制定脱水措施，确保骨料含水量合理；尽量优化储存条件，降低外界环境温度变化对骨料温度的影响。

2.4 控制混凝土出机口温度

控制混凝土出机口温度需要注意以下几点：一是做好成本堆料、骨料的防晒和防雨工作；二是在夏季高温天气，进行骨料预冷处理，利用地下水拌合混凝土，降低出机口温度；在冬季低温天气，若符合混凝土浇筑温度要求，则可进行自然拌合；三是系统骨料罐在进行拌合时尽可能满罐，从而保证预冷效果；四是计算确定自然拌合下混凝土出机口温度，根据工地气象情况，按照当地的月平均气温确定骨料温度、水温，根据季节差异，确定水泥、粉煤灰温度，进入搅拌机温度要控制在15℃～30℃。根据公式（1）计算得出：

式中：T0为混凝土出机口温度，℃；CS、CG、CC、CW为砂、石、水泥、水的比热，kcal/kg·℃，取值分别为0.22kcal/kg·℃、0.22kcal/kg·℃、0.2kcal/kg·℃、1.0kcal/kg·℃；qs、qG为砂、石含水量，%，取值分别为5%、2%；WS、WG、WC、WW为每立方米混凝土砂、石、水泥、水重量，kg；TS、TG、TC、TW为砂、石、水泥、水的温度，℃。

根据公式（1）分别计算夏季高温6月、7月份及冬季低温11月、12月份混凝土出机口温度，具体如表1所示。

表1 夏季高温月份与冬季低温月份混凝土出机口温度表

3 混凝土入仓温度及浇筑温度

3.1 混凝土入仓温度

θ1、θ2、θ3、θn为系数。

该工程中，系数包括θ1、θ2，取值如下：θ1为拌合下料到搅拌罐再到储料斗两次转运，为0.064；θ2=At，A为运输车混凝土容积为10m3取0.002；t取运输时间平均值15min，则θ2=0.03。

根据公式（2），该工程混凝土入仓温度如公式（3）所示。

根据公式（3）计算夏季、冬季不同月份的混凝土入仓温度如表2所示。

表2 不同月份混凝土入仓温度表

3.2 混凝土浇筑温度

混凝土浇筑温度为混凝土入仓后，经过混凝土振捣的温度，夏季高温时期混凝土浇筑温度不应当高于35℃，冬季低温时期不可低于5℃。控制混凝土浇筑温度，需要避免在高温时段开仓，减少混凝土热交换，入仓后需要立即进行振捣，完成后采取覆盖保温措施，最大限度地减少混凝土暴露时间。

混凝土浇筑温度如公式（4）所示。

式中：TP为混凝土浇筑温度，℃；t为振捣至上层砼覆盖前所用的时间，取值120min；其他符号意义同公式（3）相同。

根据公式（4）计算得出不同月份混凝土浇筑温度如表3所示。

表3 不同月份混凝土浇筑温度表

4 混凝土绝热温升与通水冷却控制

4.1 混凝土水化热绝热温升

混凝土绝热温升如公式（5）所示。

其中：

式中：Tt为混凝土t时绝热温升，℃；T0为混凝土最终绝热温升，℃；W为混凝土水泥用量，该工程取317kg/m³；F为粉煤灰掺量，该工程取72kg/m³；k为掺合料的折减系数，粉煤灰取值为 0.25～0.30；ρ为混凝土容重，该工程取2400kg/m³；C为混凝土比热，该工程取0.96kJ/kg·K；Q0为水泥水化热总量，该工程取 375 kJ/kg。m为系数，根据浇筑温度不同选择，浇筑温度为5℃～30℃，取值范围为0.295～0.406。

根据公式（5）、公式（6）计算，当t=∞时，大坝大体积混凝土施工中Tt最大值为61.45℃。

4.2 通水冷却温度控制措施

为有效解决混凝土绝热温升造成的内部温度过高的问题，控制砼施工最高温度，同时降低混凝土内外温差，改善施工期温度分布情况，该工程采取了通水冷却措施进行温控，具体分为初期、中期、后期3个冷却阶段，施工流程如图2所示。

图2 通水冷却施工流程图

4.2.1 施工准备阶段

施工准备阶段如下。一是要对冷却水管施工仓面布置设计，并按照设计完成水管布置和配套接头施工准备；二是在混凝土浇筑中，随着浇筑高程的提升设置平台，以便于对通水流量及温度进行检查；同时确保冷却水管及时接通；三是储备充足，在混凝土浇筑前进行冷却水管检查，严格按照设计要求及规范进行布设；四是定期检查进水机组运行，确保其满足水管输出水量和出水压力要求；五是在混凝土浇筑前，要检查冷却水管是否存在堵塞、渗漏等问题，同时避免在浇筑过程中发生损伤、折断，确保水管通水正常；六是加强施工人员培训，确保冷却水管布置、运行等相关人员具备相应资质，培训合格上岗。

4.2.2 初期通水冷却阶段

这一阶段主要目标是实现对浇筑的混凝土初期水泥水化热温升，从而有效控制其内外部的温差，以及降低中期通水冷却之间的温度，从而达到提高混凝土的温度应力的目标。具体措施如下：第一，在混凝土浇筑前，检查冷却水管，确保其通畅性。检查标准为0.2MPa下，水管流量大于0.9m3/h。第二，在初期通水过程中，水流方向要24h进行一次变换，通水冷却时间不应小于15d，该工程持续通水冷却25d，日降温速率保持在1.0℃/d以下。第三，夏季高温施工中，混凝土最高温出现前需要加大冷却通水流量，一般在1.5m3/h～1.8m3/h。第四，初期通水冷却20d后，进行现场温度监测数据分析，并根据监测的结果，规划后期通水冷却，直到其结果能够满足相关规范要求。通水冷却施工中，首次完成后，需要对混凝土进行闷水测温，来监测其冷却效果，确保其能够满足设计要求。

4.2.3 中期、后期通水冷却阶段

这一阶段施工，主要是为了不让前期的通水冷却工作失效，同时缩短混凝土冷却时间加快接缝灌浆时间。中期冷却和后期冷却的日降温速率保持在0.5℃/d左右，持续时间均在30d以上，通水流量在0.8m3/h～1.2m3/h。

三期通水冷却过程中，现场管理人员需要对不同气温、浇注温度、水管间距等条件下的浇筑块温度进行试验并实施全过程检测，加强对时间、温度曲线的校核，总结工程经验，为后期砼施工温度控制提供指导。

5 施工效果

该工程施工中，对大坝大体积混凝土温度控制施工效果进行了监测，通过在大坝河床、陡坡、廊道等部位布置监测点进行温度数据检测，得出结论如下：大坝大体积混凝土在浇筑后温度上升较快，通过通水冷却后，混凝土温度逐步下降，直至与环境温度接近后保持稳定；在混凝土浇筑40 h～45 h，混凝土内部温度最高，出现在远离冷却水管进出口一段；通过24h调换一次初期通水冷却水管流向，对远端部位的降温效果差异并不显著；混凝土浇筑完成后，内部温度不超过65℃，初凝后混凝土内外最大温差不超过20℃，满足大体积混凝土温度控制要求。

6 结语

大坝大体积混凝土施工的主要施工难点在于混凝土会发生水化热反应而其集中释放大量的热量，导致其内部的温度快速上升，与外部温度产生较大的温差，最终造成结构开裂，严重降低施工质量，影响大坝整体的安全和稳定。所以，在该类型的工程施工中，采取科学合理的温控措施是非常必要的，是控制混凝土温度裂缝产生的关键点。在本次施工中，控制混凝土原料温度，计算出机口、入仓、浇筑温度，根据混凝土绝热温升合理设置通水冷却方案及温控设计，从而取得良好的温度控制效果，大体积混凝土浇筑完毕后内部温度小于65℃，内外温差小于20℃，满足大体积混凝土温度控制要求，使温控施工顺利完成，从而为后期其他水利大体积混凝土温控施工提供可靠参考。