大體積混凝土溫控分析及防裂技術(shù)措施

先杰 上海三航奔騰海洋工程有限公司

大體積混凝土溫度裂縫的控制關(guān)鍵在于如何進行溫差控制，然而大體積混凝土的溫控措施繁多且復(fù)雜。本文通過一個工程實例，介紹大體積混凝土溫控分析及防裂技術(shù)措施。

1.大體積混凝土規(guī)范中的定義

在《大體積混凝土施工標準》中規(guī)定，“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”。

2.大體積混凝土溫升分析

2.1 水泥水化熱分析

大體積混凝土溫升的主要因素來自于水化熱。工程中常用的方法是通過混凝土絕熱溫升進行分析。

水泥水化熱的速率與周圍所處環(huán)境的溫度有聯(lián)系。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當養(yǎng)護溫度高時，水泥水化熱效率也隨之變大。養(yǎng)護溫度的提高不能影響水化放熱的總量，但可以促使水泥水化放熱時間縮短。水泥水化熱和混凝土齡期之間存在的數(shù)值關(guān)系可用公式（1）表示。

式中，Q(τ)為水泥水化熱，kJ/kg；τ為齡期，d；Q0為最終水化熱，kJ/kg；n為水泥水化放熱量達到1/2時的齡期，d。

2.2 混凝土絕熱溫升分析

常用的混凝土絕熱溫升的測點方法是直接法。利用混凝土測溫計按照規(guī)范要求直接測量其溫度。這種測量方法直觀簡單，測出來的溫度可用來繪制絕熱溫升曲線。從溫升曲線上可得知影響絕熱溫升的因素主要有：混凝土材料類型、配合比和混凝土的澆筑溫度。

無法直接測定溫度，可以利用經(jīng)驗公式進行推算。用公式（2）表示。

式中，W為混凝土水泥含量；c為混凝土比熱容；F為混凝土混合材用量；k為混凝土折減系數(shù)。

2.3 混凝土內(nèi)部最高溫度分析

影響混凝土內(nèi)部溫升的最大值、表面溫升的最大值、內(nèi)表溫差的主要因素是控制好混凝土的入模溫度。入模溫度的大小決定了混凝土水化熱反應(yīng)的溫度基礎(chǔ)值。

用ANSYS軟件進行混凝土澆筑的仿真分析，可以模擬出混凝土的澆筑過程。分析混凝土配合比和結(jié)構(gòu)尺寸大小，混凝土入模溫度控制在5℃到28℃之間。利用Midas Civil軟件建立混凝土實體模型，讓混凝土表面進行散熱，在散熱過程中不采取布置冷水管的措施，保持施工溫度在20℃左右。利用澆筑的不同混凝土入模溫度來分析混凝土內(nèi)部及表面的溫度變化情況。混凝土不同入模溫度與內(nèi)部溫升的關(guān)系，詳見圖1、圖2所示。

圖2 入模溫度-內(nèi)部最高溫曲線

由圖1、圖2可知，混凝土不同入模溫度與混凝土絕熱溫升的最大值有關(guān)，二者基本呈線性關(guān)系。由圖2可知，混凝土絕熱溫升越大，入模溫度對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升的影響程度也隨之增大，混凝土入模溫度和絕熱溫升最大值二者呈斜率為1的線性關(guān)系。

3.溫控技術(shù)應(yīng)用

3.1 工程概況

位于浙江省紹興市的曹娥江某船閘與航道工程，船閘主體采用塢式結(jié)構(gòu)，基本為大體積混凝土，船閘主體總長223.5m，其中上閘首長度31m，下閘首27.5m，閘室165m，有效寬度23m，上、下游引航道各300m。閘首底板結(jié)構(gòu)底板長31m，寬43m，厚3m，閘室底板結(jié)構(gòu)單段長15m，寬23m，厚2m。設(shè)施工寬縫將其分為三段，中板尺寸最大，寬度為16m。

3.2 溫控技術(shù)措施

為控制大體積混凝土施工質(zhì)量，防止混凝土開裂，本工程主要從以下幾個方面采取措施：

3.2.1 降低水化熱溫升

做好配合比設(shè)計。選用低水化熱水泥，通過大摻加粉煤灰摻合料，將粉煤灰的摻量維持在25%～30%，可以減少水泥的使用量。當采用非泵送混凝土?xí)r，實驗結(jié)果顯示將坍落度控制在10±20cm，可以降低水泥的用量。同時施工時摻加緩凝劑，減緩混凝土水化熱溫升，進一步降低混凝土內(nèi)部最高溫度。

3.2.2 降低混凝土入模溫度

原材料堆場采用封閉遮蓋，以便控制原材料的溫度。有條件的用井水加冰拌和，從而降低拌和料的溫度。在混凝土運輸過程中可以采取遮陽措施防止混凝土溫升。

3.2.3 減小混凝土內(nèi)外溫差

大體積混凝土裂縫的主要因素是混凝土內(nèi)外溫度的差值，也就是內(nèi)外溫差。本工程采用塑料薄膜包覆保濕，土工布覆蓋保溫，彩條布覆蓋保濕防水等措施。保溫層厚度與層數(shù)須經(jīng)計算確定，通過監(jiān)測驗證，再推廣。在冷天施工時，要推遲拆模時間，防止混凝土受冷擊，在混凝土拆除模板后要及時養(yǎng)護來控制內(nèi)外溫差。

3.2.4 減小約束應(yīng)力

為減少約束力可以設(shè)置施工縫。施工縫的設(shè)置，要滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。對于大體積混凝土施工縫位置要通過溫度應(yīng)力計算來確定?？刂崎g歇期，分層澆筑的間歇期要控制在7天以內(nèi)。

3.2.5 提高混凝土施工質(zhì)量

澆筑的分層厚度、澆筑方向及次序的安排，要提前制定好方案，并進行方案論證。確?；炷潦┕べ|(zhì)量滿足要求。提前與商混拌合站溝通確定，保證混凝土供應(yīng)能力，合理安排混凝土生產(chǎn)，精心組織施工，提高生產(chǎn)管理精細化水平，確保混凝土整體施工質(zhì)量。

3.3 溫控監(jiān)測

3.3.1 監(jiān)測方法

大體積混凝土溫度監(jiān)測通過預(yù)埋測溫探頭，持續(xù)間斷測溫，進行溫度監(jiān)測。測溫探頭呈矩形網(wǎng)格布置，豎向設(shè)置3道測溫點，底板各面測溫點距離混凝土面25cm布置。埋設(shè)時用扎絲固定鋼筋或架立筋，再調(diào)試測溫設(shè)備，同時澆筑過程中應(yīng)盡量減少探頭附近的振搗。測溫線、測溫點布置相對位置圖可參見圖3。

圖3 測溫線及測溫點布置圖

3.3.2 監(jiān)測頻率

混凝土澆筑完成后要按規(guī)范規(guī)定監(jiān)測。在混凝土澆注后3天內(nèi)，每2小時測一次。混凝土澆注后第4天到14天之間，每4小時需要測一次，監(jiān)測不少于20天。當混凝土內(nèi)外溫差小于15℃時，應(yīng)停止測溫?；炷帘O(jiān)測溫度變化曲線圖如圖4所示。

圖4 下閘首東邊板溫度變化曲線圖

3.4 溫控成果

通過溫控措施以及溫控監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示，混凝土的內(nèi)外溫差≤25℃，混凝土最高溫度≤70℃，且溫度下降率≤2℃/d，溫控技術(shù)措施較好。

保濕保溫養(yǎng)護覆蓋層拆除后，對大體積混凝土外觀質(zhì)量進行檢查，其外觀無裂縫，且細小龜裂同樣稀少，外觀質(zhì)量較好，該現(xiàn)象表明通過保濕保溫養(yǎng)護對大體積混凝土具有良好的防裂效果。

4.小結(jié)

本文通過一個工程實例，分析了大體積混凝土結(jié)構(gòu)水化熱效應(yīng)及絕熱溫升。并提出相應(yīng)的溫控措施，分析了控制混凝土溫控質(zhì)量的措施及溫控監(jiān)測方法。經(jīng)項目實踐證明，大體積混凝土通過減少水化熱，并通過保濕保溫養(yǎng)護可達到溫控效果。