水利工程中大體積混凝土溫控防裂措施研究

關鍵詞： 大體積混凝土 溫度控制 防裂 大壩 溫度裂縫

中圖分類號： TV544 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0158-04

隨著工程技術發(fā)展，我國大體積建筑建造能力不斷提升。就水利工程而言，我國大壩數量位居全世界第一，200 m 級以上高壩數量同樣為世界第一。因混凝土材料價格低廉、原料豐富、生產工藝簡單及自身抗壓強度高、耐久性好等特點，被廣泛應用于各大型水利工程中。

在大體積混凝土施工過程中，因建筑物尺寸較大，混凝土內部在水化熱條件下產生的劇烈溫度變化導致因溫度應力破壞產生的裂縫，會對建筑物整體造成影響。因此，在水利工程建設過程中，需要對大體積混凝土進行全澆筑過程的溫度控制，避免因溫度應力產生裂縫，提高施工質量[1-3]。

1 工程概況

本文以某水利工程為背景，此工程位于陜西省境內，所屬地區(qū)屬大陸性季風氣候，暖濕氣流受山體阻擋不易入侵，全年基本為西北干旱寒冷氣流控制。壩址右岸所屬縣域多年平均降水量為527.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 412 mm，多年平均氣溫為12.7 ℃，極端最高氣溫為40.4 ℃，極端最低氣溫為-20.0 ℃，最大凍土深度為35 cm，最大風速為21.3 m/s。左岸所屬縣域多年平均降水量為585.8 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 536.2 mm，多年平均氣溫為10.4 ℃，極端最高氣溫為39.4 ℃，極端最低氣溫為-21.0 ℃，最大凍土深度為61 cm，最大風速為25.3 m/s，壩址區(qū)多年氣象資料如表1所示。

2 溫度裂縫的產生原理

混凝土材料具有熱脹冷縮的特性，當外界環(huán)境或混凝土內部溫度發(fā)生變化時，混凝土容易產生形變。在混凝土熱脹冷縮過程中受到邊界條件的約束，其內部就會產生溫度應力。當該應力超過允許值，就會產生裂縫，一般稱其為溫度裂縫，其主要特征是會隨著溫度變化而合攏或者繼續(xù)擴張。

對于水利工程中常見的大體積混凝土，因其體積較大，構件內部與環(huán)境之間不易進行熱量交換，故溫度裂縫是水利工程中比較常見的問題。

大體積混凝土裂縫分為貫通裂縫和表面裂縫兩種，其中貫通裂縫是因為混凝土強度到達某種程度后，產生的形變和失水致使其體積收縮變形。在此過程中混凝土構件受到地基等其他邊界條件的約束后，由于自身抗拉強度有限，產生的拉應力超過標準后進而產生貫通裂縫。而表面裂縫是因為混凝土表面和內部的散熱條件不同，外部因與大氣接觸且散熱面大，散熱較快，內部因其不易與大氣環(huán)境接觸，水化熱產生的熱量較為集中，熱量不易散發(fā)，故內部溫度較高。在該情形下，混凝土內部會因內外溫差產生壓應力，同時表面產生拉應力。當其表面產生的拉應力超過自身抗拉強度時，就會產生表面裂縫。在水利工程中混凝土產生的表面裂縫和貫通裂縫都屬于有害裂縫，需要及時進行修復處理，否則會影響工程質量[4-6]。

3 大體積混凝土溫度裂縫的影響因素

混凝土溫度裂縫的成因復雜，與水泥種類、外加劑、水泥用量、施工工藝、摻合料、環(huán)境溫度、骨料溫度以及后期養(yǎng)護措施等有關[7-9]。

3.1 水泥用量的影響

通過工程實踐和多項研究表明，水泥用量過多或過少都會對混凝土質量產生一定的影響。水泥用量過多，在施工過程中，尤其是大體積混凝土工程中，水泥在水化熱條件下釋放出大量熱量會導致構件內外溫差過大而產生的溫度裂縫，從而影響工程質量。水泥用量過少，會降低混凝土的強度，致使混凝土構件抗?jié)B性、抗蝕性等性能變差，達不到設計質量要求，進一步降低工程質量。

3.2 摻合料的影響

工程中，為了節(jié)約水泥用量，改善混凝土性能等加入的天然或人造的材料，統(tǒng)稱摻合料。以粉煤灰為例，低鈣粉煤灰是當前國內外用量最大、適用范圍最廣的混凝土摻合料，其可節(jié)約水泥用量，減少混凝土水化熱，從而減少溫度裂縫的產生。

3.3 環(huán)境溫度的影響

環(huán)境溫度的改變會影響混凝土裂縫的產生，外界溫度驟降，導致構件表面溫度下降，容易在表面產生收縮裂縫。又因混凝土內部在水化熱條件下溫度較高，熱脹冷縮導致內部體積膨脹，加之構件表面在環(huán)境低溫的影響下收縮變形，從而導致混凝土內部產生大量裂縫。

3.4 混凝土澆筑溫度的影響

混凝土的澆筑溫度直接影響溫度應力，通過降低出機口溫度和入倉溫度等可以降低混凝土的澆筑溫度。在澆筑過程中，盡可能地降低混凝土澆筑溫度，可以減少裂縫的產生。

3.5 養(yǎng)護措施的影響

混凝土澆筑完成后，需要對其進行養(yǎng)護，若養(yǎng)護不當同樣會導致混凝土開裂。一般情況下，在混凝土澆筑完成后即需開始養(yǎng)護，表面應覆蓋保溫材料，且養(yǎng)護時間不宜少于設計齡期。低溫季節(jié)和高溫季節(jié)養(yǎng)護用水水溫過低或過高、氣溫驟降時表面保護措施不到位、拆模時間過早、保溫材料選取不當導致無法起到保溫作用等，都會導致已經澆筑完成的混凝土構件表面產生裂縫。

4 溫度控制措施

4.1 混凝土材料控制

完善相應監(jiān)督制度，保障水泥的生產質量和穩(wěn)定性，嚴格按照合同條款控制各項指標，水泥運送至工地的入場或入罐溫度不應高于65 ℃，嚴格控制進場粉煤灰的品質?？刂瞥善妨蟼}骨料的溫度和含水率，例如：料倉應搭設遮陽棚，粗骨料可采取噴霧降溫，細骨料料倉的數量和容積應足夠細骨料脫水輪換使用。

4.2 控制澆筑溫度

以該工程為例，一般季節(jié)（除低溫季節(jié)）的澆筑月份，混凝土出機口溫度按6～7 ℃控制，低溫季節(jié)澆筑月份，建議混凝土出機口溫度按8～10 ℃控制。一般季節(jié)（除低溫季節(jié)）要求對混凝土骨料采用一次、二次風冷等措施進行預冷，并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出機口溫度，拌和樓骨料一次風冷和二次風冷應從嚴控制，低溫季節(jié)要求對混凝土骨料采取加熱措施，或采取溫水拌和，拌和水溫不宜超過60 ℃。應根據骨料的實際含水量變化情況及時調整混凝土用水量、水溫和加冰量，確?；炷脸鰴C口溫度與坍落度滿足要求。應采取多種措施縮短混凝土運輸時間，避免混凝土運輸車輛在混凝土供料線長時間等候，盡量減少轉運次數。混凝土運輸車必須設置防曬、防雨設備，運輸混凝土時，應對運輸設備與車輛等采取保溫措施，以減少運輸過程中高溫季節(jié)混凝土運輸時的溫度上升和低溫季節(jié)的溫度下降。

4.3 優(yōu)化混凝土配合比

混凝土配合比設計及施工過程中，需要滿足和易性、施工勻質性以及強度、抗?jié)B抗凍、極限拉伸等指標。在保障混凝土強度及流動性的條件下，優(yōu)選骨料級配，摻用粉煤灰、外加劑等，盡量減少水泥用量，以降低混凝土絕熱溫升，同時應加強施工管理，提高施工工藝，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。

4.4 混凝土養(yǎng)護

混凝土養(yǎng)護包括施工層面、上下游表面、橫縫面、孔口及閘墩等已澆筑的混凝土表面。一般應在澆筑完畢即開始進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不宜少于設計齡期。養(yǎng)護應保持連續(xù)性，不得采用時干時濕的養(yǎng)護方法，混凝土收倉后，即開始采用噴霧法保濕養(yǎng)護。倉面應及時覆蓋保溫材料等措施保溫保濕，且應避免倉面積水?；炷琉B(yǎng)護水應為清潔水，避免污染混凝土面。模板與混凝土表面在模板拆除之前及拆除期間均應保持濕潤狀態(tài)[10]。

4.5 混凝土表面保護

混凝土表面保護范圍應為混凝土澆筑層面、上下游表面、橫縫面、孔口、廊道等各暴露面，在氣溫驟降期間，應重視基礎約束區(qū)、上下游面、孔口區(qū)及其他重要結構部位的表面保護，尤其應重視寒潮沖擊。在材料的選擇上應選取便于施工且保溫效果好的保溫材料，保溫材料的防火等級不應低于B1 級。在壩體上下游面拆模后應立即進行消缺與保溫，并在拆模后3～5 d 內完成保溫施工。當氣溫驟降時，28 d 齡期內的混凝土表面（頂面、側面）應及時進行保溫處理[11-13]。

4.6 混凝土通水冷卻

為滿足混凝土冷卻水的溫度變化要求，現(xiàn)場應設置不同水溫的多套冷卻系統(tǒng)，同時應設置能精確調整供水流量的可靠設備。澆筑層厚較厚時，應在坯層中間加鋪一層或兩層冷卻水管。冷卻水管應垂直于水流方向布設，冷卻水應保持干凈，無泥漿和巖屑。在混凝土澆筑過程中應注意避免水管受損、折斷、碰壞和堵塞等，大壩外冷卻供水管需包裹保溫材料，冷卻水管進口水溫與供水系統(tǒng)出口水溫之間不宜超過1 ℃。大壩各部位混凝土均應進行初期通水，其目的是削減混凝土水化熱溫升，控制各部位混凝土最高溫度不超過其容許最高溫度。為減少后期冷卻降溫壓力，在初期通水冷卻和后期通水冷卻之間，增加中期通水冷卻措施，以削減壩體內外溫差，改善施工期溫度狀態(tài)，減少后期冷卻降溫產生的溫度應力。若中期冷卻已達到目標溫度，可采取間歇性通水或水管悶溫進行混凝土控溫。混凝土后期通水冷卻在中期通水冷卻結束、混凝土齡期大于90 d 后開始進行，壩體混凝土與冷卻水之間的溫差不應超過10 ℃[14]。

4.7 其他措施

雨季施工時，應及時關注天氣情況，對混凝土骨料的含水率要增加測量頻率，根據含水率測量結果及時調整拌和用水量。低溫季節(jié)雪天、中雨及以上降雨量天氣不得新開混凝土澆筑倉面，小雨天氣進行澆筑時，應適當減少混凝土拌和用水量。在混凝土澆筑期間突發(fā)大雨、暴雪等極端天氣時，應及時停止進料。

5 結語

混凝土溫度應力是影響建筑物安全的重要因素，國內外因溫控措施不當導致后期水利工程中產生溫度裂縫進而影響工程安全的事例也比較多。為避免水利工程建設過程中大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，影響工程質量，應該從工程建設全過程著手，認真把控每一個環(huán)節(jié)的溫度控制，嚴格按照設計要求執(zhí)行，采取控制混凝土粗細骨料溫度、控制出機口溫度和澆注溫度、優(yōu)化混凝土配合比等措施，在后期通水冷卻和養(yǎng)護過程中也需嚴格控制溫度，從而避免產生溫度裂縫，保證工程質量。