夏季大体积混凝土墙体温控防裂的研究与应用

杨 帅，刘长武，杨玉广，吴振勇

（德州市水利局，山东 德州 253000）

随着社会经济的进步和建设工程的发展，大体积混凝土因其具有良好的强度、耐久性、能源效率和成本效益等优势，被广泛应用于水利、工民建及桥梁等工程建设领域，并常见于坝体、底板基础、桥墩等结构，而在竖向墙体结构却很少应用。竖向墙体结构往往具有高厚比大、稳定性差，易跑模、无缝施工困难，易产生温度裂缝等诸多施工难点，施工控制难度相对其他大体积混凝土结构更大。温度裂缝控制是诸多难点中尤为关键的问题，也是众多工程建设领域学者重点研究的课题。在大体积混凝土结构中，温度控制的主要目标是防止混凝土中心和表面之间因温差而引起的裂缝。为了实现这一目标，研究人员探索了各种温度控制方法，大致可归纳为被动控制和主动控制。被动控制是使用低热水泥、粉煤灰、矿渣和其他辅助胶凝材料。这些材料可以降低混凝土养护初期的发热量，从而降低大体积混凝土内部温升[1，2]。主动控制使用冷却管道、冷却系统和PCM 材料。在大体积混凝土体中嵌入冷却管道，通入冷却水循环，从而降低混凝土的温升。冷却系统，如风冷和水冷系统，用来冷却混凝土块的表面。PCM 可以在养护过程中吸收和释放热量，从而保持混凝土的恒定温度[3-5]。除上述控制措施外，研究者还探索了利用数值模型模拟大体积混凝土结构中的温度分布，这些模型可用于混凝土体温升的预测和温控系统的优化设计[6-9]。

有不少学者对竖向墙体这种非常规大体积混凝土结构展开探讨。研究发现，墙体结构因其高厚比大的独特性，施工过程控制和后期养护显得尤为重要[10-14]。与此同时，鲜有学者聚焦高温天气条件下大体积混凝土的研究，从现有文献来看，谢国财等[15]、王东等[16]的研究表明，夏季高温季节会使混凝土水分散失和表面干缩加快，防止裂缝难度增大。

1 工程概况

本文以丁东水库向第四水厂供水泵站为研究对象。本工程主要建筑物为吸水池、主厂房、副厂房等。其中，吸水池池底标高12.6 m，池顶标高26 m，高差13.4 m，周长59.1 m，顶部拉梁4道，截面0.5 m×0.7 m，梁净跨8.5 m，顶部内侧设计有0.5 m×0.2 m 混凝土顶板，混凝土强度等级C30，抗冻等级F150，抗渗等级W4，属于大体积混凝土结构。施工正值夏季最热的8 月，根据本地区温度检测数据，温度20～35 ℃，环境湿度70%～80%，因其结构重度大、振捣困难且天气温度高易产生温度裂缝，需有针对性进行裂缝控制。

2 混凝土配合比的确定

研究发现[17-19]，大体积混凝土除应满足所要求的混凝土力学性能及施工性能外，还应控制水化热过高导致的病害。有些大体积混凝土设计强度等级不是很高，可带来以下优势。

（1）减少热裂缝的发生。大体积混凝土在浇筑和养护期间会发生热变形，因此需要控制其温度。中低强度等级混凝土具有较低的热发生率和热变形能力，可以降低混凝土内外温差，减少热裂缝的发生。

（2）增加混凝土的可塑性。中低强度等级混凝土中的石子较小，沙子较多，水胶比较大，具有较好的可塑性，有利于混凝土的施工和养护。

（3）降低混凝土的成本。中低强度等级混凝土的材料成本较低，可以降低大体积混凝土结构的总成本。

总的来说，使用中低强度等级混凝土主要目的是解决大体积混凝土结构的温度变形、收缩开裂等问题，同时也有利于施工和降低成本。在设计配合比时，首选低水化热和低收缩性的水泥品种，3、7 d水化热应低于250、280 kJ/kg。其次骨料的选择对混凝土收缩起着重要的作用，细骨料选用细度模数2.3以上、含泥量低于3%、吸水率低的中砂为宜；粗骨料应选用连续级配，粒径5.0～31.5 mm，含泥量低于1%，砂率在38%～45%。最后应控制用水量和外加剂的掺量，用水量不大于170 kg/m3，使用减水剂后可减少20%～40%的用水量，满足水胶比不大于0.45的要求。

进水池施工正值夏季高温天气，在这种极端温度条件下，大体积混凝土浇筑后的特性会受到显著不利影响。因此，通过优化混凝土配合比，适当提高水胶比，增加流动性，有利于混凝土的充填和密实，可以在一定程度上减少施工难度。大体积混凝土竖向墙体结构设计配合比，详见表1。

表1 混凝土配合比

3 模板的选择

在高温天气下，选择适当的混凝土模板是确保大体积混凝土浇筑质量的一个关键因素。

（1）选择具有较高耐热性能的模板材料，如钢模板或耐火木模板等，这些模板能够承受高温下混凝土的热膨胀和收缩。

（2）选择具有较好防粘性能的模板材料，这样可以减少模板与混凝土表面之间的摩擦力，从而减少模板拆卸时对混凝土表面的影响。

（3）选择导热系数大的模板材料。不同类型的模板因其材质不同，热学性能存在差异，这种差异会影响混凝土内外温差和降温速率。查阅相关资料发现[20]，木模板和钢模板导热系数分别为0.84、163.3 kJ/（m·h·℃），相应的等效表面热交换系数分别为33.75 、82.64 kJ/（m2·h·℃）。提高导热性能，能够更快地散热，减少热量积累，有助于保持混凝土的温度在适宜范围内，防止混凝土产生开裂或其他损坏。

（4）选用结构稳定性好的模板。模板作为混凝土浇筑成形的模壳和支架，在整个施工过程中都应保持结构的形状和尺寸不变，尤其是对精度要求非常高的建筑结构来说非常重要。

由此可见，针对本工程大体积混凝土竖向墙体结构夏季高温施工来说，使用钢模板除了具有较好的结构稳定性外，更利于混凝土内部热量快速散出，减少热裂缝发生。钢模板类型，如图1所示。

图1 钢模板结构示意

4 松模、拆模时间的确定

为确保在混凝土浇筑过程中模板及支撑体系稳定性，混凝土浇筑采用由下向上分层浇筑，每层浇筑厚度为60 cm。设置2 台泵车，前期浇筑速度要快，每台泵车浇筑速度为40 m³/h。在浇筑到第6层即高度3.6 m 后，降低浇筑速度为30 m³/h。此时距离第一批浇筑时间约2.7 h，第一批混凝土开始初凝，按此浇筑速度，可保证每浇筑一批、底部初凝一批，预计13 h全部浇筑完成。

一般来说，大体积混凝土的松模时间应该在混凝土达到足够强度和稳定性的前提下，尽可能地缩短模板与混凝土之间的约束时间，以避免过早或过晚松模对混凝土结构产生不利影响。模板过早松离，混凝土可能会因为失去约束而出现变形、开裂等问题，从而降低混凝土的强度和稳定性；而过晚可能会导致混凝土内部的收缩应力受到限制，从而导致混凝土表面出现裂缝或缺陷。因此，松模时间应选在大体积混凝土内部温度到达峰值后开始下降前[21]。为了确定松模时间，在竖向墙体结构高度方向从下到上依次布置电子测温探头，用于实时监测结构内部中心点温度。墙体测温点布置，如图2所示。

图2 墙体测温点布置

竖向墙体结构内部温度变化情况，如图3 所示。混凝土浇筑42 h后达到温度峰值，维持约6 h后开始降温，因此大体积混凝土墙体结构松模时间选在浇筑后第2 天进行，拆模时间选在结构内外温差变化不多、其表面温度趋于环境温度的第7天进行。

图3 墙体内部实测温度数据

5 墙体养护

5.1 带模养护

松模时间确定后，应松动模板对拉螺栓，使模板与墙体表面之间留有5 mm左右空隙，形成从上到下的流水通道，洒水的频率和用量应根据气温、湿度和混凝土的类型等因素进行调整。一般来说，洒水频率应为3～4 次/d，用量控制在墙体基础积水能及时排出为宜，保证混凝土表面长时间湿润。总之，采用带模养护更有利于墙体的保温保湿，避免墙体与外部环境直接接触致使表面温度陡降、内外温差过大，进而造成温度裂缝。

5.2 喷淋养护

拆模完成后，需要对大体积混凝土墙体表面进行喷淋加湿处理。本工程研制一种新型喷淋装置，如图4 所示。沿墙体顶部四周内外两侧布设喷淋管，喷淋管外径为25 mm，每500 mm 安装1 组喷淋头，通过调节管可以灵活改变喷洒方向，确保喷淋水能够在墙体表面均匀散射开，并且相邻的喷射范围有一定的重合，避免漏喷。

图4 喷淋装置结构示意

采用喷淋系统养护，可以降低混凝土表面温度，减缓混凝土后期水化反应速度，使混凝土内部的水化反应更加充分，从而减少混凝土表面开裂风险，提高混凝土的强度和耐久性。同时，该喷淋系统解决了竖向结构人工洒水养护连续性差、不均匀的难题，实现了养护的持续性，降低了施工成本，节约了施工用水，达到了绿色施工目的。

6 结语

丁东水库向第四水厂供水泵站进水池属于大体积混凝土竖向墙体结构，需满足抗渗抗冻要求，同时施工正值本地区夏季高温天气，温控防裂是非常重要的问题。为避免温度裂缝，确保混凝土浇筑质量，从混凝土配合比、模板选择、松拆模时间及后期养护等方面提出温控防裂措施，最大限度减小了大体积混凝土温差影响，保证了混凝土竖向墙体结构的质量和安全。