大體積混凝土水化熱分析與溫度裂縫控制

孫維東 張之偉 蘇凱 王英彬 陳瑜

（1 中國建筑第七工程局有限公司，河南 鄭州 450004；2 中建七局總承包有限公司，河南 鄭州 450000；3 河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

0 引言

隨著土木工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，對大型建筑（高層建筑、港口、大壩、大型橋梁等）的需求日益增多，大體積混凝土在土木工程施工中的應(yīng)用越來越普遍。然而，大體積混凝土施工中溫度裂縫問題一直是一個(gè)關(guān)鍵難題。由于大體積混凝土的截面尺寸較大以及導(dǎo)熱性較差的原因，澆筑過程中大量的水化熱無法釋放到結(jié)構(gòu)外部，混凝土澆筑后結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大，結(jié)構(gòu)自身將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，且該溫度應(yīng)力正好出現(xiàn)在混凝土凝固的早期，溫度應(yīng)力極易超過混凝土的極限強(qiáng)度，造成大體積混凝土結(jié)構(gòu)的早期開裂。

結(jié)構(gòu)內(nèi)部大量的水化熱以及截面尺寸較大是造成大體積混凝土溫度裂縫出現(xiàn)的根本原因。目前，大體積混凝土溫度裂縫控制措施主要是材料和施工兩個(gè)層面入手。材料包括相變材料（PCM）、水化熱調(diào)控材料；施工措施方面包括在結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管、在結(jié)構(gòu)外部設(shè)計(jì)循環(huán)蓄水裝置以及在結(jié)構(gòu)表面覆蓋保溫材料。本文將分析歸納水化熱的影響因素，探討了不同的溫度裂縫控制措施，總結(jié)大體積溫度裂縫控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，為今后大體積混凝土溫度裂縫控制的研究工作及工程應(yīng)用提供參考。

1 大體積混凝土的不同定義

目前，對于大體積混凝土的定義有很多，如表1 所示。從表1 可知，美國在對大體積混凝土進(jìn)行定義時(shí)，沒有考慮構(gòu)件的尺寸大小，僅考慮了水化熱所引起構(gòu)件的體積尺寸變化。而日本定義大體積混凝土?xí)r，不僅考慮了構(gòu)件的尺寸和水化熱的作用，也給出了具體的規(guī)范數(shù)值（最小斷面的尺寸要比800mm 大且構(gòu)件的內(nèi)外溫差在25℃以上）。相比之下，國際預(yù)應(yīng)力混凝土協(xié)會充分地考慮了材料的摻量和構(gòu)件的尺寸兩方面的影響，給出了構(gòu)件最小斷面的尺寸大于600mm，尤其是水泥的摻量大于400kg/m3的具體規(guī)定，并且提出了這類結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行針對性的降溫處理。我國《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》對于大體積混凝土的定義為：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體的最小截面尺寸應(yīng)該大于等于1m，或預(yù)計(jì)在施工過程會因水泥水化熱作用和收縮而產(chǎn)生有害裂縫，這也是在我國土木行業(yè)內(nèi)被大多數(shù)學(xué)者所認(rèn)可的一種解釋。

表1 大體積混凝土的定義

可以看出，大體積混凝土的定義是比較模糊的，各個(gè)國家有著自己的判斷標(biāo)準(zhǔn)。但從表1 中的歸納總結(jié)可知，構(gòu)件尺寸的大小還有水化熱的影響是定義大體積混凝土的關(guān)鍵點(diǎn)。我國在定義大體積混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)，提到了溫度裂縫這一觀點(diǎn)，這也與國際上提出的水化熱作用對應(yīng)起來。從大體積混凝土的定義中可知，大體積混凝土施工關(guān)鍵在如何控制結(jié)構(gòu)中的水化熱，避免溫度裂縫的出現(xiàn)，這也是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問題。

2 大體積混凝土水化熱的影響因素分析

水化熱是造成大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫的根本原因。影響大體積混凝土水化熱的因素有很多，主要包括原材料及配合比、施工方法以及施工時(shí)環(huán)境因素等。

2.1 原材料及配合比對水化熱的影響

水化熱是水泥的水化作用而放出的，原材料及配合比是影響水化熱的最為直接的一種因素，包括不同品種的水泥、不同種類或不同用量的礦物摻合料、混凝土水的不同用量（水灰比）以及部分外加劑的添加等方面?？紤]原材料及配合比的水化熱研究成為大體積混凝土設(shè)計(jì)及施工關(guān)注的重點(diǎn)，從水泥、礦物摻合料、外加劑以及水灰比等方面總結(jié)和歸納了對水化熱的影響。

賀羅[6]等結(jié)合具體工程（平塘特大橋），提出了保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上減少其每立方米混凝土水泥用量，嚴(yán)格控制水泥中鋁酸三鈣含量，有效地降低了水化熱，防止了混凝土的開裂。楊輝[7]等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，減少混凝土中水泥的用量可以降低結(jié)構(gòu)的絕熱升溫。（1m3混凝土中平均減少10kg 水泥，結(jié)構(gòu)絕熱溫度平均下降1.25℃）。王滋元[8]等通過對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，改變水泥的品種可以影響水化熱的放熱速率，當(dāng)硅酸鹽水泥品種為中熱、低熱時(shí)，放熱速率是普通硅酸鹽水泥的一半左右，同時(shí)顯著降低結(jié)構(gòu)的絕熱溫升。因此，選擇品種適宜的水泥，嚴(yán)格控制硅酸鹽水泥中鋁酸三鈣含量，能有效地降低水化熱；此外，中、低硅酸鹽水泥在控制水化熱方面效果明顯，將水化熱的放熱速率峰值控制在原來的50%。同時(shí)，降低混凝土中水泥的比重，能夠相應(yīng)地減少其絕熱溫度。在進(jìn)行大體積混凝土原材料選取時(shí)，可以選用低水化熱的水泥或者控制相應(yīng)的水泥占比。

在混凝土中摻入合適的礦物摻合料是降低水化熱的有效方法。李保亮[9]等通過進(jìn)行對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在70h 內(nèi)，純水泥以及摻礦渣粉、鋰渣粉、鋼渣粉、鎳鐵渣粉的水化熱依次降低；在早期16h 內(nèi)，純水泥以及摻鋰渣粉、鎳鐵渣粉、礦渣粉、鋼渣粉的水化熱依次降低。因此，在混凝土中摻鋼渣粉能有效降低早期水化熱；摻鎳鐵渣粉能有效降低整個(gè)過程的水化熱。張士山[10]等將摻合料25%與20%進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)混凝土早期強(qiáng)度略微降低但差別不大，但水用量減少，水化熱降低。王景然[11]等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入的提鈦尾渣占比20%在12h 之前明顯高于純水泥的水化熱，而水化12h 之后提鈦尾渣占比20%的水化累積放熱量增長緩慢，且低于純水泥。以上研究也表明，礦物摻合料的摻入量過多或過少對水化熱的控制存在顯著影響。因此，確定合適的礦物種類以及適當(dāng)?shù)膿饺肓?，是大體積混凝土的關(guān)鍵因素和研究熱點(diǎn)。

混凝土的水灰比不但影響混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)還影響早期混凝土的水化熱，進(jìn)而影響大體積混凝土的水化熱。陳松[12]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥水化熱與水灰比成正比，水灰比越大，水與水泥顆粒越能充分接觸，有利于水化反應(yīng)的進(jìn)行，因而水灰比越高放熱量越高。同時(shí)，特定的外加劑（如緩凝劑、速凝劑、早強(qiáng)劑等）能夠顯著影響水化速度，但是外加劑的使用需要考慮眾多因素。因此，在水化熱控制過程中，一般在其它影響因素確定后，根據(jù)工程需要再選擇合適的外加劑，此時(shí)混凝土既符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，又能較好適應(yīng)實(shí)際工程的需要。

綜上所述，降低水化熱能有效地控制水泥和摻合料在混凝土中的占比。水灰比對水化熱的影響效果最直接，特定的外加劑能夠顯著影響水化放熱速度，但同時(shí)還會顯著影響混凝土的工程特性。因此，在以控制材料降低水化熱時(shí)，宜首先選擇水泥和礦物摻合料及配合比，最后選擇合適外加劑加以調(diào)控。

2.2 施工方法對水化熱的影響

大體積混凝土的施工方法將影響水化熱，合理的澆筑施工方法能有效降低水化熱的影響，如在大體積混凝土中采用全面分層、分段分層、余面澆筑以及跳倉法等施工方法降低水化熱。韋永華[13]等提出在大體積混凝土澆筑前，應(yīng)首先確定技術(shù)要點(diǎn)，并編制科學(xué)合理的施工方案。韓欣君[14]等提出全面分層澆筑、全面整體澆筑等可以相應(yīng)地減少水化熱的釋放，減少裂縫的出現(xiàn)。但每種施工有合適的工況情況，所以在選擇常用的澆筑技術(shù)時(shí)，應(yīng)該結(jié)合各個(gè)澆筑技術(shù)的特點(diǎn)以及適用的范圍。徐紅[15]等結(jié)合地鐵大體積混凝土施工，選擇連續(xù)不間斷的分層澆筑方法，并進(jìn)行第二次的振搗及加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等工作，控制裂縫的出現(xiàn)。馬小瑞[16]等針對超低溫儲罐基礎(chǔ)大體積混凝土，采用同步澆筑的方法，分段定點(diǎn)進(jìn)行，在有坡度上進(jìn)行澆筑工作時(shí)，選擇了層層澆筑的施工方法，保證結(jié)構(gòu)溫度在合理范圍之內(nèi)，避免溫度裂縫出現(xiàn)。李金奎[17]等為了控制大體積海工混凝土結(jié)構(gòu)的溫度以及裂縫的出現(xiàn)，選擇了跳倉法進(jìn)行澆筑工作，并選擇合適的保溫材料進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，該方法有顯著的降溫效果，降低了裂縫出現(xiàn)的可能性。

傳統(tǒng)的施工方法是循序漸進(jìn)的分段分層澆筑，施工簡單效果適中，但施工中水化熱不易釋放，加劇了大體積混凝土內(nèi)部溫度的聚集，可能造成大體積混凝土出現(xiàn)早期溫度裂縫。采用全面分層、余面澆筑、跳倉法施工方法，能有效降低混凝土內(nèi)部熱量的聚集，但這些施工方法適用范圍比較難把握，操作時(shí)需要把握好施工技術(shù)要點(diǎn)。因此，在降低結(jié)構(gòu)水化熱的同時(shí)，為了施工方便，應(yīng)該根據(jù)工程特點(diǎn)選擇合適的施工方法，并做好質(zhì)量管控。

2.3 環(huán)境溫度對大體積混凝土水化熱的影響

不同環(huán)境溫度也是影響水化熱的因素，大體積混凝土的溫度組成包括水泥的水化反應(yīng)而產(chǎn)生的熱量溫度、澆筑時(shí)混凝土自身的溫度以及完成澆筑后冷卻過程中的散熱溫度，澆筑工作選擇合適的季節(jié)和溫度也是降低水化熱，減少溫度裂縫出現(xiàn)的一種方法。表2 基于數(shù)值模擬研究，總結(jié)歸納了不同環(huán)境溫度對水化熱的影響，王松等通過有限元軟件Midas 模擬分析，得出初始溫度為35℃時(shí)結(jié)構(gòu)表面和中心溫差要大于初始溫度為20℃、25℃和30℃，內(nèi)外溫差值超過25℃，因此，隨著初始溫度的升高，水化熱也相應(yīng)的升高，溫度裂縫出現(xiàn)的概率增大。汪建群、王雨川等通過使用有限元軟件，模擬分析不同環(huán)境溫度情況下的大體積混凝土溫度應(yīng)力情況，發(fā)現(xiàn)了環(huán)境溫度差是影響水化熱的原因，但其核心溫度不發(fā)生改變，主要影響的是結(jié)構(gòu)表面點(diǎn)溫度。因此，在進(jìn)行大體積混凝土施工時(shí)，要考慮不同環(huán)境溫度對其水化熱的影響，在合適的溫度下施工，保證結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差在25℃以下，避免裂縫出現(xiàn)。

表2 基于數(shù)值模擬分析不同環(huán)境溫度對水化熱的影響

3 大體積混凝土溫度裂縫控制措施

如表3 總結(jié)歸納了有關(guān)大體積混凝土溫度裂縫的控制措施研究進(jìn)展。目前，大體積混凝土溫度裂縫控制主要從材料選擇和施工措施兩個(gè)方面入手。材料選擇方面包括采用水化熱調(diào)控材料、相變材料等，施工措施方面包括內(nèi)部冷卻管布置、外部蓄水冷卻裝置布置以及外部保溫材料覆蓋等。由表3 中的試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)論可知，施工措施方面的控制措施及研究工作較為成熟，在現(xiàn)有工程中，大多數(shù)建筑采用特殊的施工措施控制大體積混凝土裂縫。

預(yù)埋冷卻水管法是效果最明顯的一種控制方法，內(nèi)部兩冷卻管布局間距越小，降溫越明顯，但是設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和施工的難易程度。循環(huán)蓄水控制法效果明顯且環(huán)保，可以減少資源的浪費(fèi)，有較好的經(jīng)濟(jì)效益，但施工相對繁瑣。此外，保溫材料覆蓋法也是較好的控制措施，施工簡單且環(huán)保，選擇性能良好的保溫材料（橡塑、聚乙烯等）進(jìn)行覆蓋，降低結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，其保溫材料也可收回再利用，與預(yù)埋冷卻水管法或循環(huán)蓄水控制法結(jié)合使用，效果更好。水化熱調(diào)控材料和相變材料的應(yīng)用相對較少，但材料應(yīng)該是控制措施中操作最為簡單的一種方法，降溫效果顯著、經(jīng)濟(jì)效益最高以及仍有較大的提升空間。因此，在考慮具體工程采用什么溫度裂縫控制措施時(shí)，施工措施應(yīng)該是現(xiàn)階段優(yōu)先考慮的，待相關(guān)材料的研究趨于成熟時(shí)，可將材料方面的控制措施放在首位。

表3 大體積混凝土溫度裂縫控制措施研究進(jìn)展

4 結(jié)束語

本文總結(jié)并探討了有關(guān)大體積混凝土水化熱的影響因素及溫度裂縫控制措施，為高質(zhì)量的大體積混凝土設(shè)計(jì)與施工提供參考?；趯ΜF(xiàn)有研究的歸納分析，主要總結(jié)如下：

（1）當(dāng)前大體積混凝土的定義并不完全相同。一部分國家僅考慮結(jié)構(gòu)的截面尺寸大小，另一部分國家只考慮該結(jié)構(gòu)是否受到水化熱的影響，較為全面的定義應(yīng)該是兩者同時(shí)考慮，如何統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)表述大體積混凝土值得關(guān)注。

（2）影響水化熱的因素有很多?？刂圃牧霞芭浜媳?，是大體積混凝土溫度裂縫控制的較好措施，但其影響機(jī)理較復(fù)雜，相關(guān)研究還需深入。大體積混凝土結(jié)構(gòu)、所處環(huán)境各不相同，因此控制大體積混凝土水化熱的施工方法要因地制宜采用。

（3）在大體積混凝土溫度裂縫控制措施方面。施工控制措施相對成熟，結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管的方法，工期較長且施工工序相對繁瑣，但裂縫控制效果最好。如果考慮減少工期以及較好的裂縫控制效果時(shí)，可以采用循環(huán)蓄水控制法，在考慮環(huán)保以及施工成本時(shí)，可以選擇保溫材料覆蓋的方法。水化熱調(diào)控材料和相變材料還是處于一個(gè)起步階段，但隨著材料科學(xué)的進(jìn)步，采用新型材料將是大體積混凝土溫度裂縫控制的主要措施之一。