大体积混凝土温度控制措施分析

 摘要 ：在大体积混凝土工程中, 为了防止温度裂缝的产生或把裂缝控制在某个界限内, 必须进行温度控制。一般要选用合适的原料和外加剂，控制混凝土的温升，延缓混凝土的降温速率；选择合理的施工工艺，采取相应的降温与养护措施，及时进行安全监测，避免出现裂缝，以保证混凝土结构的施工质量。在此对大体积混凝土温度控制措施进行了探讨。

关键词：大体积混凝土，温度裂缝，温度控制，水化热      

  随着我国各项基础设施建设的加快和城市建设的发展, 大体积混凝土已经愈来愈广泛地应用于大型设备基础、桥梁工程、水利工程等方面。这种大体积 混凝土具有体积大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高等特点, 在设计和施工中除了必须满足强度、刚度、整体性和耐久性的要求外, 还必须控制温度变形裂缝的开展, 保证结构的整体性和建筑物的安全。因此控制温度应力和温度变形裂缝的扩展, 是大体积混凝土设计和施工中的一个重要课题。

大体积混凝土的温度裂缝的产生原因

 大体积混凝凝土施工阶段产生的温度裂缝，时期内部矛盾发展的结果，一方面是混凝土内外温差产生应力和应变，另一方面是结构的外约束和混凝土各质点间的内约束阻止这种应变，一旦温度应力超过混凝土所能承受的抗拉强度，就会产生裂缝。

1、水泥水化热

  在混凝土结构浇筑初期，水泥水化热引起温升，且结构表面 自然散热。因此，在浇筑后的 3 d ～ 5 d，混凝土内部达到最高温 度。混凝土结构自身的导热性能差，且大体积混凝土由于体积巨大，本身不易散热，水泥水化现象会使得大量的热聚集在混凝土内部，使得混凝土内部迅速升温。而混凝土外露表面容易散发热 量，这就使得混凝土结构温度内高外低，且温差很大，形成温度应力。当产生的温度应力( 一般是拉应力) 超过混凝土当时的抗拉强度时，就会形成表面裂缝

2、外界气温变化

大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温度和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温差梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。

大体积混凝土的温度控制措施

针对大体积混凝土温度裂缝成因, 可从以下几方面制定温控防裂措施。

一、温度控制标准

 混凝土温度控制的原则是：（1）尽量降低混凝土的温升、延缓最高温度出现时间；（2）降低降温速率；（3）降低混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间的温差以及控制混凝土表面和气温之间的差值。温度控制的方法和制度需根据气温（季节）、混凝土内部温度、结构尺寸、约束情况、混凝土配合比等具体条件确定。

二、混凝土的配置及原料的选择

1、 使用水化热低的水泥

 由于矿物成分及掺合料数量不同, 水泥的水化热差异较大。铝酸三钙和硅酸三钙含量高的, 水化热较高,掺合料多 的水泥水化热较低。因此选用低水化热或中水化热的水泥品种配制混凝土。不宜使用早强型水泥。采取到货前先临 时贮存散热的方法, 确保混凝土搅拌时水泥温度尽可能较低。 

2、 使用微膨胀水泥

 使用微膨胀水泥的目的是在混凝土降温收缩时膨胀,补偿收缩, 防止裂缝。但目前使用的微膨胀水泥, 大多膨胀过早, 即混凝土升温时膨胀, 降温时已膨胀完毕, 也开始收 缩, 只能使升温的压应力稍有增大, 补偿收缩的作用不大。 所以应该使用后膨胀的微膨胀水泥。

3、控制砂、石的含泥量

 严格控制砂的含泥量使之不大于3% ; 石子的含泥量, 使之不大于 1% , 精心设计、选择混凝土成分配合如尽可 能采用粒径较大、质量优良、级配良好的石子。粒径越大、级配良好, 骨料的孔隙率和表面积越小, 用水量减少, 水泥用量 也少。在选择细骨料时, 其细度模数宜在 26~ 29。工程实践证明, 采用平均粒径较大的中粗砂, 比采用细砂每方混凝土中可减少用水量 20~ 25kg, 水泥相应减少 28~ 35kg, 从而 降低混凝土的干缩,减少水化热, 对混凝上的裂缝控制有重要作用。

4、采用线胀系数小的骨料

 混凝土由水泥浆和骨料组成, 其线胀系数为水泥浆和骨料线胀系数的加权 (占混凝土的体积 )平均值。骨料的线胀系数因母岩种类而异。不同岩石的线胀系数差异很大。大体积混凝土中的骨料体积占 75% 以上, 采用线胀系数小的骨 料对降低混凝土的线胀系数, 从而减小温度变形的作用是十分显著的。 

5、外掺料选择 

 水泥水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。干湿和化学变化也会造成体积变化,但通常都远远小于水泥水化热产生的体积变化。因此，除采用水化热低的水泥外, 要减小温度变形, 还应千方百计地降低水泥用量, 减少水的用量。根据试验每减少10kg水泥, 其水化热将使混凝土的温度相应升降1℃。这就要求: （1）在满足结构安全的前提, 尽量降低设计要求强度。

（2）众所周知, 强度越低, 水泥用量越小。充分利用混凝土后期强度, 采用较长的设计龄期混凝 土的强度, 特别是掺加活性混合材 (矿渣、粉煤灰 )的。大体积混凝土因工程量大, 施工时间长, 有条件采用较长的设计龄期, 如 90d、180d等。折算成常规龄期 28d的设计强度就可降低, 从而减小水泥用量。

（3）掺加粉煤灰: 粉煤灰的水化热远小于水泥, 7d约为水泥1/3, 28d约为水泥的1/20掺加粉煤灰减小水泥用量可有效降低水化热。大体积混凝土的强度通常要求较低, 允许参加较多的粉煤灰。另外, 优质粉煤灰的需水性小, 有减水作用, 可降低混凝土的单位用水量和水泥用量; 还可减小混凝土的自身体积收缩, 有的还略有膨胀, 有利于防裂。掺粉煤灰还能抑制碱骨料反应并防止因此产生的裂缝。 （4）掺减水剂: 掺减水剂可有效地降低混凝土的单位用水量, 从而降低水泥用量。缓凝型减水剂还有抑制水泥水化作用, 可降低水化温升, 有利于防裂。大体积混凝土中掺加的减水剂主要是木质素磺酸钙, 它对水泥颗粒有明显的分散效 应, 可有效地增加混凝土拌合物的流动性, 且能使水泥水化较充分, 提高混凝土的强度。若保持混凝土的强度不变, 可节约水泥 10% 。从而可降低水化热, 同时可明显延缓水化热 释放速度, 热峰也相应推迟。

三、混凝土浇筑温度的控制

  降低混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要。相同混凝土，入模温度高的温升值要比入模温度低的大许多。混凝土的入模温度应视气温而调整。在炎热气候下不应超过28℃，冬季不应低于5℃。在混凝土浇筑之前，通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，可以估算浇筑温度。若浇筑温度不在控制要求内，则应采取相措施。

1、在高温季节、高温时段浇筑的措施

（1）除水泥水化温升外, 混凝土本身的温度也是造成体积变化的原因, 有条件的应尽量避免在夏季浇筑。若无法做到, 则应避免在午间高温时浇筑。

（2）高温季节施工时, 设混凝土搅拌用水池 (箱 ), 拌和混凝土时, 拌和水内可以加冰屑 (可降低 3~ 4 )和冷却骨料 (可降低 10以上 ), 降低搅拌用水的温度。

（3）高温天气时, 砂、石子堆场的上方设遮阳棚或在料堆上覆 盖遮阳布, 降低其含水率和料堆温度。同时提高骨料堆料高度, 当堆料高度大于 6m 时, 骨料的温度接近月平均气温。

（4）向混凝土运输车的罐体上喷洒冷水、在混凝土泵管上裹覆湿麻袋片控制混凝土入模前的温度。

（5）预埋钢管, 通冷却水: 如果绝热温升很高, 有可能因温度应力过大而导致温度裂缝时, 浇灌前, 在结构内部预埋 一定数量的钢管 (借助钢筋固定 ), 除在结构中心布置钢管 外, 其余钢管的位置和间距根据结构形式和尺寸确定 (温控 措施圆满完成后用高标号灌浆料将钢管灌堵密实 )。大体积 混凝土浇灌完毕后, 根据测温所得的数据, 向预埋的管内通 以一定温度的冷却水, 应保证冷却水温度和混凝土温度之差不大于 25 , 利用循环水带走水化热; 冷却水的流量应控制, 保证降温速率不大于 15 /d, 温度梯度不大于 2 /m。尽管这种方法需要增加一些成本, 却是降低大体积混凝土水化 热温最为有效的措施。

（6）可采用表面流水冷却, 也有较好效果。

2、冬季施工如日平均气温低于5℃时，为防止混凝土受冻，可采取拌和水加热及运输过程的保温等措施。

3、控制混凝土浇筑间歇期、分层厚度

 各层混凝土浇筑间歇期应控制在7天左右，最长不得超过10天。为降低老混凝土的约束，需做到薄层、短间歇、连续施工。如因故间歇期较长，应根据实际情况在充分验算的基础上对上层混凝土层厚进行调整。

四、浇筑后混凝土的保温养护及温差监测

 保温效果的好坏对大体积混凝土温度裂缝控制至关重要。保温养护采用在混凝土表面覆盖草垫、素土的养护方法。养护安排专人进行，养护时间5天。

 自施工开始就派专人对混凝土测温并做好详细记录，以便随时了解混凝土内外温差变化。

 承台测温点共布设9个，分上中下三层，沿着基础的高度，分布于基础周边，中间及肋部。测温点具体埋设位置见专项施工方案（作业指导书）。混凝土浇筑完毕后即开始测温。在混凝土温度上升阶段每2-4h测一次，温度下降阶段每8h测一次，同时应测大气温度，以便掌握基础内部温度场的情况，控制砼内外温差在25℃以内。根据监测结果，如果砼内部升温较快，砼内部与表面温度之差有可能超过控制值时，在混凝土外表面增加保温层。

 当昼夜温差较大或天气预报有暴雨袭击时，现场准备足够的保温材料，并根据气温变化趋势以及砼内部温度监测结果及时调整保温层厚度。

 当砼内部与表面温度之差不超过20℃，且砼表面与环境温度之差也不超过20℃，逐层拆除保温层。当砼内部与环境温度之差接近内部与表面温差控制值时，则全部撤掉保温层。

五、做好表面隔热保护

 大体积混凝土的裂缝, 特别是表面裂缝, 主要是由于内外温差过大产生的浇筑后, 水泥水化使混凝土温度升高, 表面易散热温度较低, 内部不易散热温度较高, 相对地表面收 缩内部膨胀, 表面收缩受内部约束产生拉应力。但通常这种 拉应力较小, 不至于超过混凝土抗拉强度而产生裂缝。只有同时遇冷空气袭击。或过水或过分通风散热、使表面降温过大时才会发生裂缝 (浇筑后 5~ 20d最易发生 )。表面隔热保护防止表面降温过大,减小内外温差, 是防裂的有效措施。 

1、不拆模保温蓄热养护

 大体积混凝土浇灌完成后应适时地予以保温保湿养护 (在混凝土内外温差不大于 25 的情况下, 过早地保温覆盖不利于混凝土散热 )。养护材料的选择、维护层数以及拆除时间等应严格根据测温和理论计算结果而定。

2、不拆模保温蓄热及混凝土表面蓄水养护

 对于筏板式基础等大体积混凝土结构, 混凝土浇灌完毕后, 除在模板表面裹覆保温保湿材料养护外, 可以通过在基础表面的四周砌筑砖围堰而后在其内蓄水的方法来养护混凝土, 但应根据测温情况严格控制水温, 确保蓄水的温度和混凝土的温度之差小于或等于 25C', 以免混凝土内外温差过 大而导致裂缝出现。

六、控制混凝土入模温度

混凝土的入模温度指混凝土运输至浇筑时的温度。冬期施工时，砼的入模温度不宜低于5℃。夏季施工时，混凝土的入模温度不宜高于30℃。

夏季施工砼入模温度的控制：

（1）原材料温度控制。混凝土拌制前测定砂、碎石、水泥等原材料的温度，露天堆放的砂石应进行覆盖，避免阳光曝晒。拌合用水应在混凝土开盘前的1小时从深井抽取地下水，蓄水池在夏天搭建凉棚，避免阳光直射。拌制时，优先采用进场时间较长的水泥及粉煤灰，尽可能降低水泥及粉煤灰在生产过程中存留的余热。

（2）采用砼搅拌运输车运输砼。运输车储运罐装混凝土前用水冲洗降温，并在砼搅拌运输车罐顶设置棉纱降温刷，及时浇水使降温刷保持湿润，在罐车行走转动过程中，使罐车周边湿润，蒸发水汽降低温度，并尽量缩短运输时间。运输混凝土过程中宜慢速搅拌混凝土，不得在运输过程加水搅拌。

（3）施工时，要做好充分准备，备足施工机械，创造好连续浇筑的条件。砼从搅拌机到入模的时间及浇筑时间要尽量缩短。同时，为避免高温时段，浇筑应多选择在夜间施工。

冬期施工砼入模温度的控制：

（1）冬期施工时，设置骨料暖棚，将骨料进行密封保存，暖棚内设置加热设施。粗细骨料拌和前先置于暖棚内升温。暖棚外的骨料使用帆布进行覆盖。配制一台锅炉，通过蒸汽对搅拌用水进行加热，以保证混凝土的入模温度不低于5℃。

（2）砼的浇筑时间有条件时应尽量选择在白天温度较高的时间进行。

（3）砼拌制好后，及时运往浇筑地点，在运输过程中，罐车表面采用棉被覆盖保温。运输道路和施工现场及时清扫积雪，保证道路通畅，必要时运输车辆加防滑链。

七、养护

 混凝土养护包括湿度和温度两个方面。结构表层混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度养护。因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微观结构。目前工程界普遍存在的问题是湿养护不足，对混凝土质量影响很大。湿养护时间应视混凝土材料的不同组成和具体环境条件而定。对于低水胶比又掺用掺和料的混凝土，潮湿养护尤其重要。湿养护的同时，还要控制混凝土的温度变化。根据季节不同采取保温和散热的综合措施，保证混凝土内表温差及气温与混凝土表面的温差在控制范围内。

八、加强施工质量控制

 工程实践证明, 大体积混凝土裂缝的出现与其质量的不均匀性有很大关系, 混凝土强度不均匀, 裂缝总是从最弱处开始出现, 当混凝土质量控制不严, 混凝土强度离散系数大时, 出现裂缝的机率就大。加强施工管理,提高施工质量, 必 须从混凝土的原材料质量控制做起。科学进行配合比设计, 施工中严格按照施工规范操作,特别要加强混凝土的振捣和养护, 确保混凝土的质量, 以减少混凝土裂缝的发生。

结论 ：

对于大体积混凝土而言, 温度控制措施的成败将直接决定大体积混凝土结构质量的优劣, 而一旦大体积混凝土浇灌 完毕, 除冷却水降温的措施外, 其它的措施都是被动的、非高 效的。所以利用理论公式进行提前预测和计算以及因此而 积极地采取主动温度控制措施就显得尤为重要。