水利工程大体积混凝土温控措施研究

水利工程大体积混凝土温控措施研究

郭亚南

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摘要:通过对混凝土现有防裂技术和温控措施的总结分析，从温度监测、施工过程、原材料优选、后期养护及配合比设计等角度，探究了产生温度裂缝的原因以及防控对策，可为水利工程混凝土浇筑及其温控裂缝控制提供参考。

关键词:温度控制;防裂技术;大体积混凝土;水利工程

0引言

目前，对于大体积混凝土世界各国尚未形成统一的定义，我国现行标准规定:预计会因胶凝材料水化引起温度变化、收缩而产生有害裂缝或实体结构尺寸不低于1m的大体量混凝土，称为大体积混凝土。施工过程中因水泥用量较多，水化热较大使得浇筑混凝土的内部温度发生剧烈变化，加之受外界环境与温度影响导致混凝土结构极易开裂，对大体积混凝土结构的安全稳定和耐久性产生极为不利的影响，其服役寿命明显缩短。在已建工程中，因大体积混凝土出现温度裂缝而对结构整体的耐久性和安全性造成威胁的案例较多。

1温度裂缝的产生原理

混凝土材料具有热胀冷缩的特性，当外界环境或混凝土内部温度发生变化时，混凝土容易产生形变。在混凝土热胀冷缩过程中受到边界条件的约束，其内部就会产生温度应力。当该应力超过允许值，就会产生裂缝，一般称其为温度裂缝，其主要特征是会随着温度变化而合拢或者继续扩张。对于水利工程中常见的大体积混凝土，因其体积较大，构件内部与环境之间不易进行热量交换，故温度裂缝是水利工程中比较常见的问题。大体积混凝土裂缝分为贯通裂缝和表面裂缝两种，其中贯通裂缝是因为混凝土强度到达某种程度后，产生的形变和失水致使其体积收缩变形。在此过程中混凝土构件受到地基等其他边界条件的约束后，由于自身抗拉强度有限，产生的拉应力超过标准后进而产生贯通裂缝。而表面裂缝是因为混凝土表面和内部的散热条件不同，外部因与大气接触且散热面大，散热较快，内部因其不易与大气环境接触，水化热产生的热量较为集中，热量不易散发，故内部温度较高。在该情形下，混凝土内部会因内外温差产生压应力，同时表面产生拉应力。当其表面产生的拉应力超过自身抗拉强度时，就会产生表面裂缝。在水利工程中混凝土产生的表面裂缝和贯通裂缝都属于有害裂缝，需要及时进行修复处理，否则会影响工程质量[1]。

2温控裂缝的技术措施

2.1优化配比设计

从混凝土拌合物的成分入手采取有效的防裂举措和温度控制措施，合理选择外加剂的用量与种类、骨料级配与类型、水泥种类等。另外，还要结合工程实际情况对混凝土配合比进行优化设计。1)合理选择外加剂。在达到强度和和易性要求的情况下，可将大体积混凝土掺入必要的化学外加剂与矿物掺合料。其中，常用的有缓凝剂、膨胀剂、减水剂和防水剂等化学外加剂，比较常见的有烧黏土、矿渣及粉煤灰等矿物掺合料。实际上，对大体积混凝土温度的控制主要有高效减水剂与粉煤灰双掺技术。掺入粉煤灰能够明显减少早期水化热，以及显著改善拌合物工作性。研究表明，按水泥质量的15%掺入粉煤灰能够减少约15%的水化热，且随粉煤灰掺量的提高水泥的水化热呈减少趋势。然而，掺入过量的粉煤灰会促进混凝土收缩变形、降低结构早期强度，所以应通过试验确定粉煤灰的最佳掺量。在确保强度和混凝土坍落度的基础上，掺入减水剂能够减少拌合水用量，发挥塑性、减水及降低水化热的功效。另外，通过掺入适量的膨胀剂可以补偿混凝土的收缩变形，以产生的微膨胀作用减缓混凝土的收缩过程，充分发挥结构的抗压及抗拉强度，在减少混凝土水化热的条件下增大结构密实度。实践表明，新型膨胀剂纳米MgO存在内部孔隙填充多、分布均匀的优点，在大体积混凝土中具有广泛适用性;从成本控制出发，纳米MgO与轻烧MgO的复掺能够产生更安全、更大的膨胀，为混凝土收缩补偿提供更加有利的条件。2)选择水泥及骨料。通过减少水泥用量、优先选用低热水泥等措施可以有效控制水泥水化的放热量，每减少或增加单位用量的水泥，就会降低或升高1℃的混凝土绝热温度。另外，应选用含泥量较低、热膨胀系数小及连续级配的骨料配制大体积混凝土，砂、石的含泥量一般不超过1%。采用连续级配的骨料配置混凝土拌合物时，其所占体积比较高且和易性较好，该条件下可以减少水泥用量并保证混凝土强度，从而发挥间接减少水化放热量的功能。粗骨料最大粒径要充分考虑施工工艺条件和实际配合比设计要求来确定，细骨料的细读模数以2.6－2.9为宜，应选用优质粗砂与中砂，且在符合施工要求的情况下尽量降低砂率[2]。

2.2合理安排养护

1)后期养护。浇筑完毕后，为降低内外温差还要加强后期的养护，其中蓄水法与保温法为常用的方法。蓄水法主要是对混凝土利用蓄水的方式养护，以防止出现龟裂的现象，应按照实际温控要求合理计算蓄水深度。保温法是将泡沫海绵、草袋、湿砂、塑料膜、草袋等保温隔热材料覆盖至混凝土浇筑体周围和表面，以防止因温度快速下降而引起表层开裂的方法。保温隔热材料的选择应考虑现场实际情况，并及时调整覆盖厚度以降低温度应力。2)后期温度监测。通过实时监控大体积混凝土的内部与表面温度，为及时采取有效的温控措施提供参考，对于其内外温度的变化还可利用仿真模拟技术预测。在保证表面与内部温差符合要求的基础上，温度监测工作还可用于后期养护安全温度的确定。实际工程中测温点的布设还要考虑设计要求，对测温次数与时间严格控制，做好温度监测记录，并结合测温数据实施有效的措施控制内外温差、调节散热速率，如升降冷却水循环速率及增减表面覆盖保温材料等，以防止温度裂缝的形成和有效降低温度应力。

2.2改善施工工艺

改善施工工艺可以有效降低混凝土内外温差，合理控制结构内部最高温度以达到减少温度裂缝的目的。其中，浇筑振捣工艺的实施、特定的温度控制措施以及浇筑方式的选择等为合理的施工工艺技术，例如优化浇筑振捣工艺。为进一步增加浆体与骨料的黏结面积、排除粗骨料周围的空隙，以实现增大混凝土结构密实度以及减少其内部微裂缝的目标，可以采取二次振捣工艺。针对加紧混凝土，考虑到钢筋附近易出现较大的温度梯度而增加裂缝产生的可能性，所以在施工过程中要对加紧位置加强压实、振捣，从而减少形成初始裂缝的概率。浇筑完成后，利用标尺、铁辊、木抹子等对混凝土刮平、碾压和压实抹光处理，从而保证施工质量及减少裂缝的产生［3］。

结语

混凝土温度应力是影响建筑物安全的重要因素，国内外因温控措施不当导致后期水利工程中产生温度裂缝进而影响工程安全的事例也比较多。为避免水利工程建设过程中大体积混凝土出现温度裂缝，影响工程质量，应该从工程建设全过程着手，认真把控每一个环节的温度控制，严格按照设计要求执行，采取控制混凝土粗细骨料温度、控制出机口温度和浇注温度、优化混凝土配合比等措施，在后期通水冷却和养护过程中也需严格控制温度，从而避免产生温度裂缝，保证工程质量。

参考文献

[1]罗宇呈.大体积混凝土施工温控技术及应用效果[J].河北水利,2022(11):44-45,47.

[2]石江涛.青居水电站闸坝底板大体积混凝土材料性能及温度控制研究[D].成都:四川大学,2003.

[3]高杰.福州琅岐闽江大桥承台大体积混凝土水化热分析与温控研究[D].重庆:重庆交通大学,2015.