大體積混凝土溫控分析及防裂技術措施

先杰 上海三航奔騰海洋工程有限公司

大體積混凝土溫度裂縫的控制關鍵在于如何進行溫差控制，然而大體積混凝土的溫控措施繁多且復雜。本文通過一個工程實例，介紹大體積混凝土溫控分析及防裂技術措施。

1.大體積混凝土規范中的定義

在《大體積混凝土施工標準》中規定，“混凝土結構物實體最小尺寸不小于1M的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土”。

2.大體積混凝土溫升分析

2.1 水泥水化熱分析

大體積混凝土溫升的主要因素來自于水化熱。工程中常用的方法是通過混凝土絕熱溫升進行分析。

水泥水化熱的速率與周圍所處環境的溫度有聯系。經研究發現，當養護溫度高時，水泥水化熱效率也隨之變大。養護溫度的提高不能影響水化放熱的總量，但可以促使水泥水化放熱時間縮短。水泥水化熱和混凝土齡期之間存在的數值關系可用公式（1）表示。

式中，Q(τ)為水泥水化熱，kJ/kg；τ為齡期，d；Q0為最終水化熱，kJ/kg；n為水泥水化放熱量達到1/2時的齡期，d。

2.2 混凝土絕熱溫升分析

常用的混凝土絕熱溫升的測點方法是直接法。利用混凝土測溫計按照規范要求直接測量其溫度。這種測量方法直觀簡單，測出來的溫度可用來繪制絕熱溫升曲線。從溫升曲線上可得知影響絕熱溫升的因素主要有：混凝土材料類型、配合比和混凝土的澆筑溫度。

無法直接測定溫度，可以利用經驗公式進行推算。用公式（2）表示。

式中，W為混凝土水泥含量；c為混凝土比熱容；F為混凝土混合材用量；k為混凝土折減系數。

2.3 混凝土內部最高溫度分析

影響混凝土內部溫升的最大值、表面溫升的最大值、內表溫差的主要因素是控制好混凝土的入模溫度。入模溫度的大小決定了混凝土水化熱反應的溫度基礎值。

用ANSYS軟件進行混凝土澆筑的仿真分析，可以模擬出混凝土的澆筑過程。分析混凝土配合比和結構尺寸大小，混凝土入模溫度控制在5℃到28℃之間。利用Midas Civil軟件建立混凝土實體模型，讓混凝土表面進行散熱，在散熱過程中不采取布置冷水管的措施，保持施工溫度在20℃左右。利用澆筑的不同混凝土入模溫度來分析混凝土內部及表面的溫度變化情況。混凝土不同入模溫度與內部溫升的關系，詳見圖1、圖2所示。

圖2 入模溫度-內部最高溫曲線

由圖1、圖2可知，混凝土不同入模溫度與混凝土絕熱溫升的最大值有關，二者基本呈線性關系。由圖2可知，混凝土絕熱溫升越大，入模溫度對混凝土結構內部溫升的影響程度也隨之增大，混凝土入模溫度和絕熱溫升最大值二者呈斜率為1的線性關系。

3.溫控技術應用

3.1 工程概況

位于浙江省紹興市的曹娥江某船閘與航道工程，船閘主體采用塢式結構，基本為大體積混凝土，船閘主體總長223.5m，其中上閘首長度31m，下閘首27.5m，閘室165m，有效寬度23m，上、下游引航道各300m。閘首底板結構底板長31m，寬43m，厚3m，閘室底板結構單段長15m，寬23m，厚2m。設施工寬縫將其分為三段，中板尺寸最大，寬度為16m。

3.2 溫控技術措施

為控制大體積混凝土施工質量，防止混凝土開裂，本工程主要從以下幾個方面采取措施：

3.2.1 降低水化熱溫升

做好配合比設計。選用低水化熱水泥，通過大摻加粉煤灰摻合料，將粉煤灰的摻量維持在25%～30%，可以減少水泥的使用量。當采用非泵送混凝土時，實驗結果顯示將坍落度控制在10±20cm，可以降低水泥的用量。同時施工時摻加緩凝劑，減緩混凝土水化熱溫升，進一步降低混凝土內部最高溫度。

3.2.2 降低混凝土入模溫度

原材料堆場采用封閉遮蓋，以便控制原材料的溫度。有條件的用井水加冰拌和，從而降低拌和料的溫度。在混凝土運輸過程中可以采取遮陽措施防止混凝土溫升。

3.2.3 減小混凝土內外溫差

大體積混凝土裂縫的主要因素是混凝土內外溫度的差值，也就是內外溫差。本工程采用塑料薄膜包覆保濕，土工布覆蓋保溫，彩條布覆蓋保濕防水等措施。保溫層厚度與層數須經計算確定，通過監測驗證，再推廣。在冷天施工時，要推遲拆模時間，防止混凝土受冷擊，在混凝土拆除模板后要及時養護來控制內外溫差。

3.2.4 減小約束應力

為減少約束力可以設置施工縫。施工縫的設置，要滿足現行規范要求。對于大體積混凝土施工縫位置要通過溫度應力計算來確定。控制間歇期，分層澆筑的間歇期要控制在7天以內。

3.2.5 提高混凝土施工質量

澆筑的分層厚度、澆筑方向及次序的安排，要提前制定好方案，并進行方案論證。確保混凝土施工質量滿足要求。提前與商混拌合站溝通確定，保證混凝土供應能力，合理安排混凝土生產，精心組織施工，提高生產管理精細化水平，確保混凝土整體施工質量。

3.3 溫控監測

3.3.1 監測方法

大體積混凝土溫度監測通過預埋測溫探頭，持續間斷測溫，進行溫度監測。測溫探頭呈矩形網格布置，豎向設置3道測溫點，底板各面測溫點距離混凝土面25cm布置。埋設時用扎絲固定鋼筋或架立筋，再調試測溫設備，同時澆筑過程中應盡量減少探頭附近的振搗。測溫線、測溫點布置相對位置圖可參見圖3。

圖3 測溫線及測溫點布置圖

3.3.2 監測頻率

混凝土澆筑完成后要按規范規定監測。在混凝土澆注后3天內，每2小時測一次。混凝土澆注后第4天到14天之間，每4小時需要測一次，監測不少于20天。當混凝土內外溫差小于15℃時，應停止測溫。混凝土監測溫度變化曲線圖如圖4所示。

圖4 下閘首東邊板溫度變化曲線圖

3.4 溫控成果

通過溫控措施以及溫控監測，監測結果顯示，混凝土的內外溫差≤25℃，混凝土最高溫度≤70℃，且溫度下降率≤2℃/d，溫控技術措施較好。

保濕保溫養護覆蓋層拆除后，對大體積混凝土外觀質量進行檢查，其外觀無裂縫，且細小龜裂同樣稀少，外觀質量較好，該現象表明通過保濕保溫養護對大體積混凝土具有良好的防裂效果。

4.小結

本文通過一個工程實例，分析了大體積混凝土結構水化熱效應及絕熱溫升。并提出相應的溫控措施，分析了控制混凝土溫控質量的措施及溫控監測方法。經項目實踐證明，大體積混凝土通過減少水化熱，并通過保濕保溫養護可達到溫控效果。