控制大體積混凝土水化熱危害的原材料選擇及工藝措施

王金生

(甘肅省路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，蘭州730000)

混凝土水化熱在水庫大壩、泵站、橋梁及大型設(shè)備基礎(chǔ)等大體積混凝土施工中較為常見。由于混凝土凝結(jié)、硬化過程中，水泥的水化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的水化熱，水化熱積聚在內(nèi)部不易散發(fā)，使內(nèi)部溫度上升到50℃～70℃以上。內(nèi)外溫差引起巨大的內(nèi)應(yīng)力和溫度變形，使混凝土產(chǎn)生裂縫、變形，甚至破壞，因此，水化熱對(duì)大體積混凝土工程是十分不利的［1］。

關(guān)于大體積混凝土，我國目前尚未有一個(gè)確切的定義。日本建筑學(xué)(JASS5)規(guī)定:“結(jié)構(gòu)斷面最小厚度在80 cm以上，同時(shí)水化熱引起混凝土內(nèi)部的最高溫度與外界氣溫差超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土?！泵绹炷翆W(xué)會(huì)(ACI)規(guī)定:“任何就地澆筑的大體積混凝土，其尺寸之大，必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂?！?/p>

防治水化熱的危害，一直是工程技術(shù)人員研究的課題。大量文獻(xiàn)顯示，造成大體積混凝土裂縫、變形的因素與水泥的品種和用量、內(nèi)外約束條件、外界氣溫變化、混凝土收縮變形及混凝土勻質(zhì)性等有關(guān)。

1 膠凝材料選擇

防治水化熱危害最有效的方法是優(yōu)選原材料與控制配合比，可從以下幾方面著手:

1)選用水化熱低、水化速度較慢的水泥?；炷翜囟壬咧饕怯捎谒嗨^程中釋放大量熱量所致，在絕熱條件下混凝土的溫度上升速度為［1］

式中，θ為絕熱溫升;t為時(shí)間;W為水泥用量;q為單位質(zhì)量水泥在單位時(shí)間內(nèi)放出的水化熱;c為質(zhì)量熱容;ρ為密度;Q為單位時(shí)間內(nèi)單位體積中發(fā)出的熱量。

由式(1)可見，混凝土溫度的升高不僅與水泥用量有關(guān)，還與水泥品種有關(guān)。所以，在水泥用量相同的條件下，選用水化熱低、凝結(jié)時(shí)間長的水泥，能夠有效降低水化熱。普通硅酸鹽水泥水化熱較大，不宜采用;礦渣硅酸鹽水泥與火山灰水泥水化反應(yīng)慢，水化熱低，后期強(qiáng)度高，大體積混凝土中廣泛采用［2］。

2)摻加粉煤灰。由式(1)可知，水泥用量大的混凝土產(chǎn)生的水化熱也大，特別對(duì)于高強(qiáng)度混凝土，相應(yīng)單方水泥用量較多，水化熱引起的混凝土內(nèi)部溫升較普通混凝土要大。所以，在不影響混凝土強(qiáng)度和坍落度等使用性能的前提下，在混凝土中摻入粉煤灰，來取代部分水泥，可達(dá)到降低水化熱的目的。文獻(xiàn)［3］中的試驗(yàn)表明，摻入30% ～60%粉煤灰可使水泥7 d水化熱降低約10%～50%。

3)加入緩凝劑。為了減少水化熱，降低混凝土溫度，往往希望混凝土緩凝，即延長混凝土初凝時(shí)間。試驗(yàn)表明，加入緩凝劑后，水泥的初凝時(shí)間可分別延長1～4 h不等，從而推遲混凝土放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間。由于混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨齡期的增長而增大，所以等放熱峰值出現(xiàn)時(shí)，混凝土強(qiáng)度也增大了，從而減小溫度裂縫出現(xiàn)的機(jī)率。

2 施工控制措施

大體積混凝土內(nèi)部的溫度是一個(gè)隨時(shí)間和位置而變化的瞬態(tài)溫度場，它的初期變化近似于拋物線分布，隨齡期增加逐漸趨于平緩，最后與外界氣溫趨于平衡。影響其變化的因素較多也較復(fù)雜。實(shí)際的溫度控制中，一般考慮混凝土內(nèi)部的溫度峰值與內(nèi)外溫差變化情況。混凝土內(nèi)部的溫度峰值主要受混凝土用料及配合比、散熱邊界條件、外部環(huán)境等影響，可以分為澆筑溫度、水泥水化熱溫升和混凝土散熱溫度三部分組成，相應(yīng)的溫度控制方法也主要針對(duì)這幾個(gè)部分。

2.1 降低混凝土的入模溫度

盡可能避免在高溫天氣下澆筑大體積混凝土，對(duì)水泥骨料采取預(yù)冷措施，混凝土的拌合、運(yùn)輸、澆筑過程應(yīng)盡量銜接緊密，以保持混凝土良好的和易性，澆筑完后及時(shí)做好養(yǎng)護(hù)工作。

2.2 控制內(nèi)外溫差

在澆筑塊體厚度較大的情況下盡可能采用循環(huán)冷卻水降低內(nèi)部溫度(見圖1)，外面加強(qiáng)保溫措施，如用麻袋和塑料薄膜進(jìn)行保溫和保濕。須控制混凝土中心與外表面最大溫差不高于25℃ ～30℃，以防止混凝土表面出現(xiàn)干縮裂縫。

圖1 承臺(tái)冷卻水管埋設(shè)示意(單位:m)

2.3 分層澆筑

分層澆筑混凝土，層間混凝土的間隔時(shí)間應(yīng)不大于混凝土的初凝時(shí)間，澆注上層混凝土前應(yīng)對(duì)老混凝土表面進(jìn)行清理并充分濕潤。

2.4 采取表面保溫措施

在加強(qiáng)混凝土體內(nèi)降溫措施的同時(shí)，在邊界上采用適當(dāng)?shù)谋卮胧?，如在結(jié)構(gòu)外露的混凝土表面以及模板外側(cè)覆蓋保溫材料(如草袋、鋸末、溫砂等)，控制外部混凝土與內(nèi)部混凝土之間的最大溫差不超過25 ℃ ～30 ℃［4］，以防止出現(xiàn)裂紋。

2.5 控制拆模時(shí)間

根據(jù)工程的實(shí)際情況，盡量延緩拆模時(shí)間，這樣混凝土具有一定的強(qiáng)度，可以抵抗可能產(chǎn)生的溫度應(yīng)力［5］。特別是當(dāng)橋梁承臺(tái)在冬季施工時(shí)，為防止拆模后外界溫度陡降引起溫度應(yīng)力，拆模后應(yīng)立即回土覆蓋，控制內(nèi)外溫差。

2.6 改變設(shè)計(jì)，增加混凝土體內(nèi)散熱通道

1)設(shè)置后澆縫，當(dāng)大體積混凝土平面尺寸過大時(shí)，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)置后澆縫，以減少外約束力和溫度應(yīng)力，同時(shí)也有利于散熱，降低混凝土的內(nèi)部溫度。

2)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驗(yàn)算，在滿足功能、強(qiáng)度、耐久性的前提下，改變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大混凝土的散熱面積和散熱通道，如圖2所示。

圖2 混凝土體內(nèi)預(yù)留孔道示意

2.7 導(dǎo)管排氣法，排除混凝土體內(nèi)水化熱

在混凝土中埋置導(dǎo)管(鋼管、夾布膠管、鋼絲網(wǎng)膠管及波紋管等)，降低混凝土體內(nèi)水化熱。

1)在混凝土中梅花形埋置φ50 mm的鋼管，待混凝土凝固具有一定強(qiáng)度后，拔出鋼管，用高強(qiáng)度等級(jí)細(xì)石混凝土將管孔灌實(shí)。注意，在混凝土開始硬化后，每隔1 h將鋼管轉(zhuǎn)動(dòng)一周，否則，混凝土凝固后，鋼管將拔不出來。

2)在混凝土中埋置夾布膠管或鋼絲網(wǎng)膠管，管內(nèi)充水或充氣，使管徑增大，待混凝土初凝后，放出水或空氣，抽出膠管，形成排氣通道?；炷劣不?，用高強(qiáng)度等級(jí)細(xì)石混凝土灌實(shí)。

3)將鋼波紋管埋置于混凝土內(nèi)形成排氣孔道，排除體熱，待水化反應(yīng)基本結(jié)束后，用高強(qiáng)度等級(jí)砂漿灌實(shí)，鋼波形管不需要拔出。

3 結(jié)語

本文對(duì)大體積混凝土水化熱的防治方法及施工控制措施進(jìn)行了分析，指出了預(yù)先控制水化熱危害的途徑，具有很強(qiáng)的可操作性與現(xiàn)實(shí)意義。大體積混凝土只要經(jīng)過認(rèn)真的施工組織設(shè)計(jì)、選擇合理的施工方法和合適的材料，就能有效地降低水化熱帶來的危害。上述三種方法和七種措施，在具體運(yùn)用中，要注意實(shí)際操作的可行性，具體工程具體對(duì)待，既考慮工程質(zhì)量，又要考慮工程經(jīng)濟(jì)。

［1］吳葉瑩.大體積混凝土施工期溫度裂縫計(jì)算分析［J］.鐵道建筑，2007(9):105-107.

［2］楊秋玲，馬可栓.大體積混凝土水化熱溫度場三維有限元分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，36(2):261-263.

［3］俞海勇，徐強(qiáng).粉煤灰膠凝體系水化溫升及其抗裂性能的關(guān)系［J］.混凝土，2000(11):21-23.

［4］蔡炎標(biāo)，馮炳生.崖門大橋主墩承臺(tái)大體積混凝土水化熱試驗(yàn)分析［J］.國外橋梁，2001(3):66-68.

［5］齊有章.大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制探討［J］.鐵道建筑，2006(3):97-98.