大體積混凝土的溫控防裂技術(shù)

李榮榮 朱久權(quán)

（中交三航局第二工程有限公司）

0 前言

大體積混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代化建設(shè)過程中廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式，特別是在港口及其它沿海建設(shè)項目、大壩及橋梁建設(shè)等實際工程中發(fā)揮重要作用。目前世界各國對大體積混凝土的定義尚不統(tǒng)一，我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定大體積混凝土為混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸不小于1m 的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土[1]。大體積混凝土在施工過程中由于水泥用量較多，澆筑混凝土的內(nèi)部溫度會因水泥水化產(chǎn)生的大量水化熱而劇烈變化，再加上外界環(huán)境溫度的影響，這使得混凝土結(jié)構(gòu)極易開裂，從而嚴(yán)重破壞大體積混凝土結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性、耐久性和安全性，縮短其使用壽命[2-4]。在我國已建的大體積混凝土工程中，存在不少由于出現(xiàn)溫度裂縫進(jìn)而威脅混凝土結(jié)構(gòu)整體安全性和耐久性的案例。觀音閣水庫是我國北方第一座大型碾壓混凝土重力壩，于1990 年開始建設(shè)，1995 年其主體結(jié)構(gòu)基本完工。五年的施工期間一共監(jiān)測到402 條裂縫，最大裂縫深度長達(dá)6m，對大壩的抗?jié)B性能造成嚴(yán)重破壞；而于2000 年建成的江埡碾壓混凝土壩，在壩體蓄水期間監(jiān)測到12 條裂縫產(chǎn)生，其中最深的一條裂縫直達(dá)廊道[5-6]。一方面，上述這些裂縫的產(chǎn)生直接影響到大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，而裂縫擴(kuò)展則會進(jìn)一步破壞混凝土結(jié)構(gòu)的長期性能；另一方面，裂縫的后期修復(fù)費(fèi)用較高，且修復(fù)后的效果通常也只是暫時的[7]。

基于大體積混凝土體積較大、熱傳導(dǎo)性差、抗拉強(qiáng)度低、容易受約束條件及外界環(huán)境影響等特點(diǎn)，完全避免裂縫的產(chǎn)生極為困難。追根溯源，溫度應(yīng)力是造成大體積混凝土開裂的主要原因[7-10]。因此，在實際工程中需要采取有效的溫度控制和防裂技術(shù)措施，以最小化由溫度應(yīng)力引起的混凝土結(jié)構(gòu)中有害裂縫的產(chǎn)生，從而保障大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，并延長其服役壽命。

1 溫度裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工和運(yùn)營期間易于出現(xiàn)溫度裂縫。一方面，混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差會促進(jìn)溫度應(yīng)力和應(yīng)變的產(chǎn)生；另一方面，該應(yīng)力和應(yīng)變又受到混凝土結(jié)構(gòu)的外部約束及其自身收縮變形的阻礙。當(dāng)溫度應(yīng)力和應(yīng)變突破阻礙，超過混凝土的抗拉極限時，即會出現(xiàn)溫度裂縫[11-12]。根據(jù)深度，大體積混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫通常分為表層裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫。表層裂縫分布在混凝土結(jié)構(gòu)表面，深度較淺且外荷載作用下不擴(kuò)展的表層裂縫通常不影響整體結(jié)構(gòu)的使用；深層裂縫是表層裂縫由于應(yīng)力集中進(jìn)一步擴(kuò)展所致，對混凝土整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有一定的危害；貫穿裂縫由深層裂縫發(fā)展而成，貫穿整個混凝土結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重危害混凝土結(jié)構(gòu)的整體安全性和耐久性[11]。

1.1 溫度裂縫的影響因素

影響大體積混凝土溫度應(yīng)力并引發(fā)溫度裂縫的主要因素包括水泥水化熱、環(huán)境溫度、結(jié)構(gòu)約束及混凝土收縮變形[13-16]等。

1.1.1 水泥水化熱

水泥水化熱是引發(fā)溫度裂縫的一個重要因素。水泥水化作用產(chǎn)生的大量水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，實際工程中該溫升一般達(dá)到20℃～30℃甚至更高[4]，半徑大于2.5m 的大體積混凝土內(nèi)部基本處于絕熱狀態(tài)[17]；但是由于與空氣直接接觸，混凝土表面散熱更快、溫度更低；此外，大體積混凝土各部位的散熱速率也不盡相同，這導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)外溫度分布極不均勻，溫度梯度較大[4]。通常來講，大體積混凝土較高的內(nèi)部溫度使得其內(nèi)部膨脹率較大，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部壓應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力的產(chǎn)生，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過混凝土本身可承受的極限時，就會出現(xiàn)溫度裂縫。

1.1.2 環(huán)境溫度

除了水泥水化熱的影響外，大體積混凝土在施工過程中對環(huán)境溫度非常敏感，極易因環(huán)境溫度的變化出現(xiàn)溫度裂縫。在不同季節(jié)或不同地理區(qū)域等環(huán)境溫度差異較大的情況下進(jìn)行大體積混凝土的澆筑時，一般環(huán)境溫度的變化對大體積混凝土的內(nèi)外溫差具有顯著影響[11]。較高的環(huán)境溫度可間接導(dǎo)致混凝土過高的內(nèi)部溫度。例如，在夏季的高溫條件下，混凝土的內(nèi)部溫度可達(dá)到60℃～65℃[12]，而當(dāng)環(huán)境溫度突然下降時，大體積混凝土的內(nèi)外溫差將進(jìn)一步加劇，導(dǎo)致溫度應(yīng)力增大，從而促進(jìn)溫度裂縫的產(chǎn)生。因此在酷熱、嚴(yán)寒等極端溫度條件下，環(huán)境溫度變化更容易導(dǎo)致大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生，此時采取合理溫控措施降低混凝土內(nèi)外溫差是十分必要的。

1.1.3 外部約束及混凝土收縮變形

外部約束條件會限制由于溫度變化引起的大體積混凝土的變形，進(jìn)而導(dǎo)致溫度應(yīng)力的出現(xiàn)，提高混凝土開裂的可能性。另外，大體積混凝土本身的收縮變形也會影響溫度裂縫的產(chǎn)生。在混凝土結(jié)構(gòu)中，80%的水將被蒸發(fā)，水泥水化只需要約20%的水分[2]。如果由水分蒸發(fā)引起的混凝土的收縮變形受到外部約束的限制，則易產(chǎn)生裂縫。由混凝土的收縮變形引起的溫度應(yīng)力通常是不可忽略的，因此在溫度裂縫計算中，應(yīng)將混凝土收縮值換算成引起相同溫度變形所需的溫度值，即為“收縮當(dāng)量溫差”[11]。

1.2 溫度裂縫的特點(diǎn)及危害

首先，溫度裂縫是由于混凝土溫度變化而產(chǎn)生的，而溫度與時間有關(guān)，因此溫度裂縫具有時間性。如果混凝土的溫度變形速率較慢，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力將逐漸松弛，最終溫度應(yīng)力不足以超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，就可能不出現(xiàn)裂縫[18]。其次，溫度裂縫還與材料特性有關(guān)，若材料彈性模量較高、韌性較好，則溫度裂縫也不一定出現(xiàn)[11]。就大體積混凝土而言，當(dāng)開始出現(xiàn)表層裂縫時，若沒有即時修護(hù)，不僅影響整體結(jié)構(gòu)外觀，后期可能發(fā)生裂縫擴(kuò)展，逐漸演變成深層裂縫和貫穿裂縫，從而改變混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布，進(jìn)一步危害其整體結(jié)構(gòu)安全及耐久性能，造成巨大的社會經(jīng)濟(jì)損失[18]。

2 溫控防裂基本措施

2.1 優(yōu)化材料選擇及配比設(shè)計

在對大體積混凝土進(jìn)行溫度控制和防裂舉措時，可以從混凝土拌合物的成分入手，合理選擇水泥的種類、骨料的類型和級配、外加劑的種類和用量等。同時，根據(jù)實際工程需要，優(yōu)化大體積混凝土的配合比。

2.1.1 水泥及骨料的選擇

為了控制水泥水化的放熱量，應(yīng)優(yōu)先選擇低熱水泥，并盡量減少水泥的用量[19]。水泥的單位用量每增加或減少l0kg，混凝土的絕熱溫度將升高或降低1℃[4]。此外，大體積混凝土的配制應(yīng)選擇連續(xù)級配、熱膨脹系數(shù)小、含泥量較低（一般來說，砂、石的含泥量應(yīng)控制在1%以內(nèi)）的骨料[20]。這主要是因為采用連續(xù)級配的骨料和易性更好，且其在混凝土拌合物中所占體積比相對較高，因此可以在確保混凝土強(qiáng)度的條件下減少水泥用量，起到間接控制水泥水化放熱量的作用。對于粗骨料，應(yīng)根據(jù)實際配合比設(shè)計要求和施工工藝條件確定粗骨料最大粒徑；對于細(xì)骨料，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)中砂和粗砂，細(xì)度模數(shù)應(yīng)控制在2.6～2.9，并在滿足各方面施工要求的條件下減小砂率[21]。

2.1.2 外加劑的選擇

在滿足大體積混凝土施工和易性和強(qiáng)度的條件下，可以摻加必要的礦物摻合料和化學(xué)外加劑。其中，礦物摻合料包括粉煤灰、礦渣、燒黏土等[22-24]，化學(xué)外加劑包括防水劑、膨脹劑、減水劑、緩凝劑等。在實際工程中，通常采用粉煤灰和高效減水劑雙摻技術(shù)進(jìn)行大體積混凝土的溫度控制[25-26]。粉煤灰的摻入可以改善混凝土拌合物的工作性，同時顯著降低其早期水化熱。實驗表明，摻加15%（與水泥的質(zhì)量比）的粉煤灰可以使水化熱降低約15%，且水泥的水化熱隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸降低[4]。但粉煤灰摻量過多會降低混凝土早期強(qiáng)度、促進(jìn)混凝土的收縮變形，因此實際應(yīng)用中的粉煤灰最佳摻量應(yīng)通過試驗進(jìn)行確定。減水劑具有減水和增塑的功能，可以在保證混凝土坍落度和強(qiáng)度的條件下，減少拌合水用量，從而在一定程度上降低水化熱[26]。此外，為了補(bǔ)償混凝土的收縮變形，可以摻入適量的膨脹劑以引起混凝土的微膨脹，或者延緩混凝土自身的收縮過程，使其抗拉強(qiáng)度及抗壓強(qiáng)度得到充分發(fā)展[4]，從而在降低水化熱的基礎(chǔ)上增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的致密性。另有研究表明，納米MgO 作為一種新型膨脹劑，具有分布均勻、填充內(nèi)部孔隙較多等優(yōu)點(diǎn)，可以用于大體積混凝土中；而從控制原材料成本的角度考慮，輕燒MgO 和納米MgO 的復(fù)摻可以使混凝土產(chǎn)生更大、更安全的膨脹，從而更有利于大體積混凝土的收縮補(bǔ)償[27，28]。

2.2 改善施工工藝

改善大體積混凝土的施工工藝，可以有效控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最高溫度，并降低混凝土內(nèi)外溫差，從而達(dá)到減少溫度裂縫的目的。合理的施工工藝技術(shù)包括澆筑方法的選擇、特定的溫度控制施工措施，以及澆筑振搗工藝的實施等方面。

2.2.1 合理選擇澆筑方法

為了有效降低大體積混凝土的內(nèi)外溫差，針對大體積混凝土澆筑體量較大的特點(diǎn)，應(yīng)該采用薄層澆筑技術(shù)，遵循“分段定點(diǎn)、斜坡自流、薄層澆筑、循序推進(jìn)、一次到頂”的原則[29]。采用薄層澆筑技術(shù)將大體量的混凝土拌合物逐層分解澆筑，不僅便于施工，而且增大了混凝土散熱面積，加速了結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量向外散發(fā)的速率，從而可以在一定程度上降低溫度應(yīng)力，減小溫度裂縫出現(xiàn)的可能性。值得注意的是，采用分層澆筑時應(yīng)合理選擇間隔時間。如果間隔時間過長，下層混凝土對新澆筑層的約束作用將增大，因此在兩層接縫面上容易產(chǎn)生垂直裂縫；間隔時間過短則不利于下層混凝土的充分散熱，甚至導(dǎo)致下層溫升過高，加劇裂縫的產(chǎn)生[4，30]。合適的間隔時間應(yīng)使得由于新澆筑層覆蓋引起的下層混凝土的溫度升高幅度小于其被覆蓋之前的最高溫升值。但對于工期較緊且結(jié)構(gòu)厚度較大的工程，也可以采用一次性澆筑技術(shù)，但其對施工過程的溫度控制要求較高，需要配合采取一些合理、有效的溫度控制施工措施。

2.2.2 控制澆筑溫度及內(nèi)外溫差措施

合理有效的溫度控制施工措施包括控制混凝土拌合物進(jìn)、出倉庫的溫度和澆筑溫度，以及調(diào)節(jié)混凝土澆筑時的內(nèi)外溫差等。當(dāng)環(huán)境溫度較高，尤其在炎熱夏季進(jìn)行大體積混凝土的澆筑時，應(yīng)采取相應(yīng)措施降低混凝土拌合物的進(jìn)倉、出倉溫度及澆筑溫度。例如，對砂石等原材料堆場進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼陉柼幚恚诎韬匣炷林安捎盟浞ɑ驓饫浞ǖ阮A(yù)先冷卻骨料，甚至加冰水?dāng)嚢璧取Ｍ瑫r，應(yīng)盡可能縮短混凝土拌合物的運(yùn)輸時間、加快倉儲速度，并對混凝土泵送管道采取覆蓋隔熱、循環(huán)水冷卻等措施[11-12，30]。此外，應(yīng)該合理安排澆筑時間，宜選擇環(huán)境溫度適宜的季節(jié)或夜間。在澆筑過程中，可以采用預(yù)埋水管冷卻法降低混凝土的內(nèi)部溫度，也可將冷卻水管內(nèi)的循環(huán)水用于混凝土的表面養(yǎng)護(hù)，從而進(jìn)一步降低混凝土的內(nèi)外溫差[4，31]。

2.2.3 改進(jìn)澆筑振搗工藝

為了進(jìn)一步排除粗骨料周圍的空隙、增大骨料與漿體的粘結(jié)面積，從而達(dá)到減少混凝土內(nèi)部微裂縫、提高混凝土結(jié)構(gòu)密實度的目的，可在混凝土初凝之前進(jìn)行二次振搗。對于加筋的大體積混凝土，鑒于鋼筋附近容易產(chǎn)生較大的溫度梯度，增加裂縫出現(xiàn)的可能性，因此在施工過程中，應(yīng)加強(qiáng)鋼筋所在位置的振搗、壓實，以消除初始裂縫[29]。澆筑完成后，混凝土表面應(yīng)根據(jù)標(biāo)高用長標(biāo)尺刮平，并用鐵輥滾動碾壓數(shù)次，再使用木抹子將混凝土表面壓實抹光，以提高施工質(zhì)量、減少表面裂縫[29]。

2.3 合理安排后期養(yǎng)護(hù)及溫度監(jiān)測

2.3.1 后期保溫保濕養(yǎng)護(hù)

大體積混凝土澆注完畢后需要通過加強(qiáng)后期保溫保濕養(yǎng)護(hù)措施來降低混凝土的內(nèi)外溫差，常用的方法包括保溫法和蓄水法[32]。保溫法是在混凝土澆注體的表面和周圍覆蓋保溫隔熱材料（如塑料膜、濕砂、鋸末、草袋、泡沫海綿等），防止表層溫度驟降引起開裂[32]。在采用保溫法時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇合適的保溫隔熱材料，并及時調(diào)整保溫隔熱材料的覆蓋厚度，從而有效降低溫度應(yīng)力。對于大體積混凝土地下工程，混凝土脫模后應(yīng)及時回填坑洞，利用地下土層充當(dāng)保溫材料覆蓋在混凝土的表面，起到保溫和保濕的作用。蓄水法是采用蓄水的方式進(jìn)行混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，可以防止混凝土表面發(fā)生龜裂，蓄水深度需要根據(jù)實際溫度控制要求進(jìn)行計算[4，32-33]。

2.3.2 后期溫度監(jiān)測

在實際工程中，為了能夠及時采取措施控制大體積混凝土的內(nèi)外溫差，對其內(nèi)部和表面溫度進(jìn)行監(jiān)控，并采取一定的仿真模擬技術(shù)預(yù)測內(nèi)外溫度變化是十分必要的。溫度監(jiān)測工作在確?；炷羶?nèi)部和表面溫差滿足施工要求（GB50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃）的同時，也可以用來確定結(jié)束后期養(yǎng)護(hù)的安全溫度[30，34]。實際工程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求預(yù)先布置測溫點(diǎn)，嚴(yán)格控制測溫時間和測溫次數(shù)，并做好記錄，同時根據(jù)測溫數(shù)據(jù)采取措施調(diào)節(jié)混凝土散熱速率、控制內(nèi)外溫差，比如增減表面覆蓋的保溫材料、升降冷卻水循環(huán)速率等，從而有效降低溫度應(yīng)力、防止溫度裂縫的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

大體積混凝土的溫度控制和防裂技術(shù)一直是一個復(fù)雜的問題，受到諸多因素的影響。水泥水化熱是影響大體積混凝土溫度應(yīng)力，引發(fā)溫度裂縫的主要因素，而環(huán)境溫度的變化、外部約束及混凝土自身收縮等也是導(dǎo)致溫度裂縫產(chǎn)生的重要原因。大體積混凝土的溫度控制和防裂技術(shù)措施應(yīng)該從誘發(fā)溫度裂縫產(chǎn)生的各種因素入手，進(jìn)一步優(yōu)化原材料選擇及配合比設(shè)計、改善施工工藝、合理安排養(yǎng)護(hù)及溫度監(jiān)測等各個環(huán)節(jié)，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況及時調(diào)整溫控措施，以減少或避免溫度裂縫的出現(xiàn)、強(qiáng)力保障最終的施工質(zhì)量。