浅析大体积混凝土冬季施工养护

朱 艳 纪红松 王莉娟

一、前言

水利工程建设项目中，由于大体积混凝土断面尺寸大，水泥用量多，水泥水化后，释放的水化热较集中。由于大体积混凝土构件较厚，截面核心部位与表面散热速度不均，易形成一定的温差，随着温差应力的加大，裂缝产生的可能性加大。因此如何降低水化温度值，并保证其散热均匀，是大体积混凝土养护必须考虑的技术关键。本文以山东济宁市某水闸施工为例，对大体积混凝土冬季施工养护技术措施进行探讨，旨在为今后类似工程项目提供借鉴。

二、工程概述

山东省济宁市某水闸闸底板面积25m×29.75m，厚度分别为4m 与2m，为两种尺寸组合成的复合式筏板型基础，一次性浇筑混凝土2300m³左右，属于大体积混凝土。由于冬季施工气温较低（平均温度5℃），经混凝土热工计算，最大绝热值52℃，表面温度为9.7℃，温差值42.3℃，若养护不得法，极有可能产生构件裂缝。

依据热工计算结果，有针对性地编制了养护方案，通过实施，取得了良好的效果。具体养护方案为:（1）构件体内设置导散热装置。在混凝土浇筑前埋设冷却管，进行循环过水，带走水化热的部分热量，起到导热与散热作用；（2）表面层保温装置。在外部环境气温极低情况下（最低温度达-5℃），用塑料膜与草袋（稻草）覆盖表面，既起到保温保湿作用，也起到减少内外部温差应力值的作用；（3）构件体内测温装置。在混凝土体内埋设测温装置，施工期间，及时掌握构件体内温度的变化，为调节温差提供实时数据；（4）方案实施效果。经查阅资料，4m 厚底板的表面温度为20℃左右，截面中间层温度39.5℃左右，构件体截面层上的温差小于20℃。

三、养护的依据及机理分析

（一）水化徐变过程

根据现场监测资料显示，大体积混凝土浇筑3d 绝热值上升最快，达到55℃～52℃左右，持续至5～7d 时间，水化热值在50℃～45℃，以后逐步衰跌在40℃～30℃之间，随着散热不断进行，构件内外部温度慢慢平衡。混凝土14～28d 后基本达到硬结，弹性模量很大，不再会形成温差应力，也基本上不会引起裂缝。因此水化热最大值一般出现在3～5d，这也是大体积混凝土易发生裂缝的危险期。

（二）变形与变化的规律

外约束力越小，发生裂缝的机率就越小，反之发生裂缝机率就越大。由于水泥水化热作用，中心温度最高，与外界接触的表面相对温度低，尤其冬季施工气温下降到0℃以下，就会形成较大的温差，引起外约束力的增强，其外约束应力会给构件带来裂缝破坏，这是养护须解决的课题。

（三）外界约束力的削减

只有通过减少混凝土内外温差，延缓收缩和散热时间（即使后期缓慢地降温），对构件的中心位置的水化热进行有序的导热、散热，降低中心位置水化热的峰值；同时在混凝土表面通过保温，获得必要的强度来抵抗温度应力，同时降低变形变化的速度（即使缓慢地收缩），充分发挥材料的徐变松弛特性，从而有效地削减约束应力，避免裂缝的出现。

（四）养护手段的选择

优先考虑在混凝土构件内，埋设导热和散热装置，在裸露表面覆盖保温。实践证明，这是大体积混凝土冬季施工养护的最佳方案。

四、养护各环节的布置

（一）冷却装置的布设

1.布置形式。混凝土厚度4m 布置3 层冷却管，厚度2m 布置2 层。底层管可布设在基础向上50cm处，中层管布置于截面中心位置。2m 厚底板顶层管布置在顶面向下50cm 处，4m 厚底板顶层管布置在顶板向下20cm 处。冷却管水平距离80cm，每层冷却水管呈弓字型直线布设。进出水孔伸出底板面150cm，接头部分采用胶带缠裹，防止漏水，使用完毕后灌浆封孔，露出底板面部分切除。

2.布置具体要求。（1）冷却管采用壁厚2mm、直径30mm 的薄壁钢管；（2）每层水管垂直进出口要错开1.5m，进出口需引出混凝土表面1.5m，且进水口要有调节流量的水阀和测流量设备，冷却管接头采用软管接头；（3）水管与钢筋骨架和架立钢筋绑扎牢固，防止水管变形和脱落而发生堵漏水；（4）水管网安装完成后，将进出水管口与进出水总管、水泵接通进行通水试验，要求水管畅通且不漏水。

（二）测温装置的布设

1.布置形式。在混凝土浇筑时分层放置传感器，并用引线引出。每一个测温点位由三根钢管组成，测温管间距200mm 左右，并呈三角形布置，分别在三个不同深度进行测温。厚度4m 三个深度分为:距基础底500mm，距中间1500mm，距表面500mm；厚度2m 三个深度分为:距基础底和表面各250m，距中间1000mm。一个测温点处预埋不同的测温线，用于底板基础的表面、中间和底部的混凝土温度测试。

2.测温具体要求。混凝土浇筑完成终凝后，派专人进行测温，并做好记录。测温时将煤油灌入钢管内，静置2min，再用测温计进行大体积混凝土内部测温。测温从混凝土浇筑终凝3h 开始，每2h 测温一次。降温结束后，各部位温差均进入安全范围时（△T ＜25℃），可撤除保温措施。

（三）表层保温设施的布设

1.覆盖材料的选择及基本做法。保温养护方法大多采用表面覆盖10m×5m 草垫，厚度5cm，外加厚20cm 的稻草，首先在混凝土表面垫一层塑料薄膜，后铺设一层土工布，再铺设草垫（稻草）。经查阅当时测温记录，外部气温为3℃时，混凝土表层温度为21℃，其效果较为显著。

2.计算原理及基本公式。对混凝土表层面覆盖，应根据实时气温及覆盖材料，进行覆盖厚度计算。其理论计算，参考江正荣《建筑施工手册》进行计算；计算根据热交换原理，假定混凝土中心温度向上表面散热，等于混凝土表面保温材料补充的发热量，因而按以下公式计算:

D=0.5hλi（Tb-Ta）K/λ（Tmax-Tb）=0.5×4×0.14×（20-5）×0.26/2.3（51.98-20）=14.9cm

式中：D—保温层厚度，m；h—大体积混凝土底板厚度，4m；Tmax—混凝土内部中心最大温度值，51.98℃；Tb—混凝土表面温度，20℃（3～5 天内温度经验值）；Ta—大气温度，5℃；λ—混凝土导热系数，2.3W/m·K；λi—混凝土表面先垫铺塑料膜后加稻草材料覆盖导热系数，0.14；K—折减系数，取0.26。

五、结论

大体积混凝土浇筑后达到初凝时，就应该采用工程性养护手段，利用冷却管输水循环冷却，可带走部分水化热，起到导热与散热作用。一般水化热温度值可降低到10℃左右。冬季施工还应做好混凝土表层覆盖，不仅起到表面层的保温，也可减少冬季施工水养护带来的冻融破坏，覆盖后的表面，能产生水蒸汽，使表面保持湿润状态。同时最重要的是通过保温，起到了调节构件内外温差的作用，大大减小了温差应力值。运用埋设的测温装置，可实时掌握内外部温度状况，调节温差。综上所述，利用这样的综合养护方法，可充分发挥混凝土强度的潜力和松弛的作用，有利于水泥作用顺利进行和弹性模量的增长。工程实践证明，合适的保温养护方法，对防止混凝土基础出现有害深进或贯穿性深度收缩裂缝效果良好■