大体积混凝土的温度控制与防裂

大体积混凝土的温度控制与防裂

张波

天津市管道工程集团有限公司管道技术开发分公司  天津市 南开区  300381

摘要：混凝土坝体施工工程混凝土用量大，为了明确混凝土温度控制的技术标准、控制方法及其实现途径，应首先弄清混凝土的温度变化过程及与温度变化密切相关的裂缝问题，其次是大体积混凝土温度控制的标准，最后是大体积混凝土的温度控制措施。

关键词：大体积混凝土、温度变化、应力、应变、裂缝

1混凝土的温度变化过程及其裂缝特性：

1.1混凝土的温度变化过程：

混凝土凝固过程中，由于水泥水化，释放大量水化热，使混凝土内部温度上升。对尺寸小的结构，散热较快，温升不高，不致引起严重后果；但对大体积混凝土，最小尺寸也常在3～5m以上，而混凝土导热性能随热传导距离呈线性衰减，大部分水化热将积蓄在浇筑块内，使块内温度升达30～50℃，甚至更高。由于内外温差的存在，随着时间的推移，坝内温度逐渐下降而趋于稳定，与多年平均气温接近。大体积混凝土的温度变化过程，可分为如图1-1所示的三个阶段，即温升期、冷却期(或降温期)和稳定期。显然，混凝土内的最高温度Tmax等于混凝土浇筑入仓温度 Tp与水化热温升值 Tr之和。由 Tp到Tmax是温升期，由Tmax到稳定温度Tf是降温期，之后混凝土体内温度围绕稳定温度随外界气温略有起伏。Tmax与Tf之差称混凝土体的最大温差，记为ΔT。

图1-1大体积混凝土的温度变化过程线

很明显，要确定Tmax，须先根据水泥品种和用量，确定水泥水化热引起的温升Tr，同时还须确定混凝土的入仓温度 Tp。Tp值为

Tp=Tb+Δt

式中:Δt为混凝土出拌和机到入仓的温度变化值，℃；Tb为混凝土的拌和温度，℃。

当拌和温度与气温相近时，可取Δt=0；当气温高于拌和温度时，Δt取正值；当气温低于拌和温度，Δt取负值。Δt绝对值的大小主要取决于混凝土拌和温度与气温的差值，以及盛料容器的隔热措施、运输时间和转运次数。其值约为拌和温度与气温差绝对值的15%～40%。

1.2混凝土的温度裂缝

混凝土的温度变化过程与裂缝产生关系密切。大体积混凝土的温度变化必然引起温度变形，温度变形若受到约束，势必产生温度应力。由于混凝土的抗压强度远高于抗拉强度，在温度压应力作用下不致破坏的混凝土，当受到温度拉应力作用时，常因抗拉强度不足而产生裂缝。随着约束情况的不同，大体积混凝土温度裂缝有如下两种。

1.2.1表面裂缝

混凝土浇筑后，其内部由于水化热温升，体积膨胀，如遇寒潮，气温骤降，表层降温收缩。内胀外缩，在混凝土内部产生压应力，表层产生拉应力。各点温度应力的大小，取决于该点温度梯度的大小。在混凝土内处于内外温度平均值的点应力为零，高于平均值的点承受压应力，低于平均值的点为拉应力，如图1-2所示。

图1-2混凝土浇筑块自身约束的温度应力

（a）温度分布；（b）温度应力分布

1-拉力区；2-压力区

混凝土的抗拉强度远小于抗压强度。当表层温度拉应力超过混凝土的允许抗拉强度时，将产生裂缝，形成表面裂缝。这种裂缝多发生在浇筑块侧壁。方向不定，数量较多。由于初浇的混凝土塑性大，弹模小，限制了拉应力的增长，故这种裂缝短而浅，随着混凝土内部温度下降，外部气温回升，有重新闭合的可能。

1.2.2贯穿裂缝和深层裂缝

变形和约束是产生应力的两个必要条件。由温度变化引起温度变形是普遍存在的，有无温度应力关键在于有无约束。人们不仅把基岩视为刚性基础，也把已凝固、弹模较大的下部老混凝土视为准刚性基础。这种基础对新浇不久的混凝土产生温度变形所施加的约束作用，称为基础约束(图1-3)。这种约束在混凝土升温膨胀期引起压应力，在降温收缩时引起拉应力。当此拉应力超过混凝土的允许抗拉强度时，就会产生裂缝，称为基础约束裂缝。由于这种裂缝自基础面向上开展，严重时可能贯穿整个坝段，故又称为贯穿裂缝(图1-4)。此种裂缝切割的深度可达3～5m以上，故又称为深层裂缝。裂缝的宽度可达1～3mm，且多垂直基面向上延伸，既可能平行纵缝贯穿，也可能沿流向贯穿。

图1-3混凝土浇筑块的温度变形和基础约束应力

（a）基础约束变形（b）基础约束应力

图1-4混凝土坝温度裂缝

1-贯穿裂缝；2-深层裂缝；3-表面裂缝

新浇筑的浇筑块其内温呈均匀分布，温度为T1，由于基础对塑性混凝土的变形无约束，故无应力发生。由于温升过程时间不长，可将浇筑块温升视为绝热温升，其内温均匀上升至T2，温度发生了T2－T1的变化，记为ΔT，相应的温度应变为εT=αΔT。由于升温过程浇筑块尚处于塑性状态，变形自由，故无温度应力发生。事实上只有降温结硬的混凝土在接近基础面部分才受到刚性基础的双向约束，难以变形。冷却收缩时浇筑块对基础产生挤压，基础对混凝土则产生大小相等、方向相反的拉应力，当此拉应力大于混凝土的抗拉强度，则将引起贯穿裂缝。

因此，大体积混凝土紧靠基础产生的贯穿裂缝，无论对坝的整体受力还是防渗效果的影响比之浅层表面裂缝的危害都大得多。表面裂缝虽然可能成为深层裂缝的诱发因素，对坝的抗风化能力和耐久性有一定影响，但毕竟其深度浅，长度短（图1-4），一般不形成危害坝体安全的决定因素。

2大体积混凝土温度控制的标准

大体积混凝土温度控制要根据坝址区水文和气象资料、混凝土原材料的热、力学指标、混凝土配合比及施工条件，计算坝体温度场和应力场确定坝体混凝土温度控制标准、基础允许温差、坝体设计允许最高温度，提出坝体混凝土的分缝分块、相邻坝块坝段的高差、混凝土浇筑层厚和间歇期、混凝土浇筑温度及坝内初、中、后期通水冷却标准等温度控制措施。有条件时宜用系统分析方法确定各种措施的最优组合。高混凝土坝可采用计机仿真浇筑分析施工期各混凝土浇筑块的温度变化和温度应力分布情况，确定温度控制措施。

温度控制标准实质上就是将大体积混凝土内部和基础之间的温差控制在基础约束应力 σ小于混凝土允许抗拉强度以内，即

σ≤σp/K

式中：σp为混凝土的抗拉强度，Pa；K为安全系数，一般取1.3～1.8，工程等级高的取大值，等级低的取小值。

用基础约束应力作为控制标准为

Tp+Tr－Tf=ΔT≤(1-μ)σp/KKpREα 

    式中：Kp为混凝土的松弛系数，通常取0.5；R为约束影响系数，离基础面越远R值越小，其值除与混凝土和基础的弹性模量之比E/Er有关外，也与混凝土浇筑块高度与其边长比h/L有关。

当用混凝土的拉伸应变εp来控制，则有

Tp+Tr－Tf=ΔT≤(1-μ)εp/KKpRα

例:若取εp=1.0x10-4，R=0.6，K=1.5，Kp=0.5，μ=1/6，α=1.0x10-5时，ΔT≤18.5℃；若取εp=0.85x10-4，K=1.8，R=0.57，余同上，则得ΔT<13.8℃。

应当指出；在确定大体积混凝土温度控制标准时，须把理论分析同已建工程的经验紧密结合起来。温度控制的理论分析，忽略了不少实际因素，诸如混凝土材料的非均质性，浇筑块各向温度变化的非均匀性，骨料的性质和类型，基岩面的起伏程度和基岩的吸热作用等。基础温差ΔT的控制标准可根据现行设计标准，并结合工程的实际情况确定。

此外，考虑到下层降温冷却结硬的老混凝土对上层新浇混凝土的约束作用，通常需要对上下层混凝土的温差进行控制，要求上下层温差值不大于15～20℃。要满足以上要求，在施工中一般通过限制上层块体覆盖下层块体的间歇时间来实现。过长的间歇时间是使上下层块体温差超标的重要原因之一。

确定灌浆温度是温控的又一标准。由于坝体内部混凝土的稳定温度随具体部位而异，一般情况灌浆温度并不恰好等于稳定温度。通常在确定灌浆温度时，将坝体断面的稳定温度场进行分区，对灌浆温度进行分区处理，各区的灌浆温度取各区稳定温度的平均值。但对某些特殊部位，例如底孔周围、空腹坝的空腹顶部，灌浆后可能出现自然超冷，灌浆温度宜低于稳定温度。在严寒地区，经论证，灌浆温度可高于稳定温度一定值。

由此可见，无论灌浆温度如何定，都以稳定温度为依据，都必须首先确定坝体内的稳定温度场。坝体稳定温度场系指混凝土坝经长期散热后，浇筑时的初始温差和水化热影响趋于消失，坝内各点温度趋于稳定，基本上不再随时间有大的变化。一般当混凝土的温度变幅小于外部水温或气温变幅的10%，即可视为温度场基本稳定，坝内温度场由变温场转变为常温场—稳定温度场。

在确定灌浆温度时，为了施工方便，常对稳定温度场进行分区简化。分区时既要考虑浇筑分块和纵缝位置，也应考虑工作特征高程，如死水位、底孔高程、正常水位等，大体上取各区稳定温度的平均值作为分区灌浆温度。

3大体积混凝土的温度控制措施：

为了施工方便和温控散热要求坝体所设的纵缝，在坝体完建时应通过接缝灌浆使之结合成为整体，方能蓄水安全运行。若坝体内部的温度未达到稳定温度就进行灌浆，灌浆后坝体温度进一步下降，又会将胶结的缝重新拉开。因此，将坝体温度迅速降低到接近稳定温度的灌浆温度是接缝灌浆和坝体蓄水受益的重要前提。

大体积混凝土温控措施主要有减少混凝土的发热量、降低混凝土的入仓温度、加速混凝土的散热等。

3.1减少混凝土的发热量

3.1.1减少每立方米混凝土的水泥用量

3.1.1.1根据坝体的应力场对坝体进行分区，低应力区采用低强度的混凝土。

3.1.1.2采用低流态或无坍落度干硬性贫混凝土。

3.1.1.3改善骨料级配，增大骨料粒径，对少筋混凝土可埋放大块石，以减少每立方米混凝土的水泥用量。

3.1.1.4大量掺粉煤灰。

3.1.1.5采用减剂仅能节约水泥用量约20%，使28d龄期混凝土的发热量减少 25%～30%，且能提高混凝土早期强度和极限拉伸值。减水剂有酪木素、糖蜜、MF复合剂、JG3等。

3.1.2采用低发热量的水泥

过去采用的低热硅酸盐水泥，因早期强度低，成本高，已逐步被淘汰。当前多用中热水泥。近年已开始生产低热微膨胀水泥，它不仅水化热低，且有微膨胀作用，对降温收可以起到补偿作用，减小收缩引起的拉应力，有利于防止裂缝的发生。

3.2降低混凝土的入仓温度

3.2.1合理安排浇筑时间

在施工组织上安排春、秋季多浇;夏季早晚浇，高温时段不浇，这是最经济有效降低入仓温度的措施。

3.2.2采用加冰或加冰水拌和

混凝土拌和时，将部分拌和水改为冰屑，利用冰的低温和冰融解时吸收潜热的作用，这样，最大限度可将混凝土温度降低约20℃。规范规定加冰量不大于拌和用水量的80%。但加冰越多，拌和时间有所增长，相应会影响混凝土拌和生产能力。若采用冰水拌和或地下低温水拌和，则可避免这一弊端。

3.2.3对骨料进行预冷

3.2.3.1水冷。使粗骨料浸入循环冷却水中30～45min，或在通入拌和楼料仓的皮带机廊道、地弄或隧洞中装设喷洒冷却水的水管。喷洒冷却水皮带段的长度，由降温要求和皮带机运行速度而定。

3.2.3.2风冷。可在拌和楼料仓下部通入冷气，冷风经粗骨料的空隙，由风管返回制冷厂循环。细骨料砂难以采用冰冷，若用风冷，又由于砂的空隙小，效果不显著，故只有采用专门的风冷装置吹冷。

3.2.3.3真空气化冷却。利用真空气化吸热原理，将放入密闭容器的骨料，利用真空装置抽气并保持真空状态约半小时，使骨料中的可气化物质（水）气化降温冷却。

不具备预冷设备的工地，宜采用一些简易的预冷措施，例如在浇筑仓面上搭凉棚，料堆顶上搭凉棚，限制堆料高度，由底层经地垅取低温料，采用地下水拌和，北方地区尚可利用冰窖储冰，以备夏季混凝土拌和使用等。

3.3加速混凝土散热

3.3.1采用自然散热冷却降温

采用低块薄层浇筑可增加散热面，并适当延长散热时间，即适当增长间歇时间。在高温季节已采用预冷措施时，则应采用厚块浇筑，缩短间歇时间，防止因气温过高而热量倒流，以保持遇冷效果。

3.3.2在混凝土内预埋水管通水冷却

在混凝土内预埋蛇形冷却水管，通循环冷水进行降温冷却。水管通常采用直径 20～25mm的薄钢管或薄铝管。现在多用高密度聚乙烯（HDPE）塑料管埋入混凝土内，仅在大坝基础等部位沿用钢管，冷却结束后封孔灌浆。冷却水管布置，平面上呈蛇形，断面上呈梅花形，也可布置成棋盘形。

随着感知技术和信息技术的发展，利用数字温度测量和无线网络通讯技术，可实现智能混凝土温控系统。浇筑仓内温度由预埋的数字测温仪（如：溪洛渡大坝采用的分布式纤测温仪）采集，拌和楼出机口温度、混凝土入仓温度和浇筑温度由红外温度测量仪来集。各测温仪配备的无线网络通信终端（如GSM通信终端）利用定制的通信规约（如 SMS短信）将温度信息和测点位置传送到上层主控站，经解析后转存到大坝施工信息数据云端服务器。混凝土浇筑后，实时采集通水水温、流量、混凝土内部温度等信息。混凝土实时温控系统根据天气实况和预报、温控计划、混凝土实际温度等信息，智能调整通水量和通水温度等温控策略，实现混凝土温度的自动监测和智能控制。该技术应用于锦屏一级大坝混凝土和鲁地拉大坝导流缺口浇筑混凝土温控中，实现混凝土温度控制的预警、预报和自动控制。

4结束语：大体积混凝土施工应严格控制混凝土施工各阶段温度变化，减轻温度变化导致的温度应力，利用减少混凝土的发热量、降低混凝土的入仓温度、加速混凝土的散热等措施控制混凝土施工温度，避免温度裂纹的产生。

参考文献：

[1] 袁光裕 胡志根《水利工程施工（第6版）》中国水利水电出版社2016.2

[2] 全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会《水利水电工程管理与实务（第四版）》中国建筑工业出版社2014.4