大体积混凝土水化热及温控措施研究

摘  要：归纳总结北江（曲江乌石至三水河口）航道扩能升级工程白石窑枢纽船闸工程大体积混凝土施工中所采用的一些温控防裂措施，包括对现场混凝土配合比的优化（原材料的选择），合理的施工措施等方面提出了温控防裂措施。

关键词：大体积混凝土;水化热温度;温控措施;温度应力

中图分类号：U445.57    文献标识码：A      文章编号：2096-6903（2021）11-0000-00

0引言

大型混凝土以其丰富的原材料、便捷的施工和较强的承重能力，在交通、水利、路桥施工等领域得到了广泛的应用。由于大型混凝土结构体积大，凝胶材料含量丰富，在维护期间产生显著的水热液化反应，在内外温差和外部环境的影响下，极易出现温度裂缝，温度裂缝控制不好会导致渗透裂缝的产生，造成永久性破坏，不利于工程的施工作业，破坏结构的正常功能。

1工程概况

1.1工程简介

北江航道扩能升级工程主要的施工地段为船闸的重新构筑，航道底板的拓宽浇筑，这些工程需要在短时间内完成大量的浇筑工作，存在明显的水化放热现象，同时工程属于一次性工程，不能出现二次修补的情况，因此控制温度的产生，防止温度应力带来的危害为施工的重难点。

1.2温度应力的危害

在浇筑大型混凝土结构的硬化过程中，凝胶材料产生大量热量，但是产生的热量散热不均匀，结构中的温度远高于外部温度。这种散热不均带来的结构内部温度梯度将产生出各个部位所受的温度应力不同的情况。如果温度应力超过其允许值，则形成温度裂缝，温度控制不好导致渗透裂缝的产生。因此，在结构设计中，应减少拉伸应力的发生，或将拉伸应力控制在允许的拉伸强度内，以防止温度裂缝的发生[1]。

2水化热计算方法及热传导理论

2.1热传导理论

热传导是物体中没有宏观运动的传热现象，是高温向低温转移的过程。热传导方程是计算大体积混凝土内部温度场的基础，混凝土的传热也遵循能量守恒规律：内部能量的增量U，等于吸收热Q和外部内部工作功的总和。热传导示意图如图1所示。

2.2水泥水化热计算

水泥水化热是混凝土绝热温度升高的原因，水泥水化热与水泥的矿物成分有关，是化学和物理反应的过程。水泥四大矿物质三硅酸钙、二硅酸钙、三钙铝、铁铝酸四种钙与水连续快速反应并释放出大量热量。其计算公式为Q0=4/（7/Q7-3/Q3），Q0水泥最终水化热，单位为kJ/kg;Q3、Q7龄期为3d、7d时累计的水化热。

2.3 混凝土的绝热温升

混凝土绝热温度的升高是指混凝土对混凝土凝胶材料完全水化引起的热转换温度，不与外界交换热量，即热损失为0。最好通过实验获得混凝土绝热温度升高，直接确定混凝土的绝热温度值，如果项目初始阶段或材料缺乏也可以用实证表达来计算[2]，表达式如下：Tmax=Tp+ζTα+Tco， 式中 Tmax为浇筑结构完成时的最高温度值（℃）;Tp为混凝土的初始温度（℃）;ζ为温度衰减系数，Tα为混凝土在不受外界影响下的理想温度（℃），Tco为冷却系统的降温温度（℃），一般实际工程当中只能达到2～4℃，冷却系统降温水管密集时可取最高值，反之取最低值，当没有降温系统时取0。温度衰减系数则按国家标准数值进行选取，具体的实际数值按照下表对照工程施工情况进行合理有效的选取，确保在缺乏测量设备时能够计算出比较准确的混凝土绝热温度，为后面的其他参数的计算做好基础工作[3]。见表1。

3温控措施

3.1合理选择外加剂

外加剂的选择需要在保证工程强度达到设计标准的前提下，选用其他的化学辅助剂来减少水或者水泥的使用量。其中，常用的是膨胀剂、减水剂和防水剂等化学辅剂，比较常见的是烧结黏土、渣土和粉煤灰等矿物混合物。控制大体积混凝土的温度主要手段是使用高效的减水剂和粉煤灰双混合的技术。粉煤灰的加入可以显著减少早期水化热量，并大大改善混合物的功能。研究表明，采用化学辅助剂和其他材料混合的情况下能够减少约15%的水化热的产生，水泥使用量可降低15%左右，随着煤粉灰比例的增加所产生的热量相应的减少。然而，随着煤粉灰的比例的增加，混凝土的膨胀系数和结构强度也在相应的降低，最终导致结构强度不达标的问题，因此通过前期的实验工作，在保证强度的基础上，添加减水剂可减少混合水的量，发挥可塑性、降水性等作用。此外，通过添加少部分的膨胀剂，既可以填补因为煤粉灰带来的膨胀度不足的问题，又延缓混凝土的塌缩过程，能够得到充分的时间对混凝土进行降温工作。在降低混凝土水化热量的前提下，增加结构的紧凑性。实践证明，新型纳米膨胀剂MgO具有空隙填充大和分布均匀的特点，在大体积混凝土的制备中具有广泛的适用性。从成本控制的角度来看，纳米MgO和光燃MgO的结合具有更安全、更大的应用范围，为混凝土收缩补偿提供了更有效的解决办法。

3.2选择低热水泥及骨料

减少热量的产生，要从材料的本质出发，经过实际测算得知，选用低热量的水泥能够大幅度减少热量的产生，具体为每单位低热量水泥能够比传统的水泥减少约1℃的混凝土绝热温度，同时采用高膨系数的骨料也可以减少热量的产生，膨胀系数越高的骨料能够给水泥带来更高的膨胀度和整体质量，这样能够减少水泥的使用从而降低热量的产生。如果将混凝土混合物与连续聚合物配置，则占用体积相对较高，轻度较好，可减少水泥量，保证混凝土强度，从而起到间接减少水化热耗的作用。粗料的最大颗粒尺寸应充分考虑施工过程的条件和匹配比例设计的实际要求，确定细骨块直径2.6～2.9mm是否合适，应选择优质粗砂和中砂，并根据设计要求，尽量減少砂。

选择骨料。在选择大体积混凝土细骨料时，材料应优先使用优质中砂。根据行业测试数据，使用细度系数为2.9、平均颗粒大小为0.38mm的中砂时，同时加入细度为2.12、平均颗粒大小为0.33mm的细砂可减少每立方米混凝土28～35KG的水泥用量和20～25KG的混凝土的耗水量，抑制化学反应引起的热量释放和混凝土收缩。砾石混合物质地均匀、坚固，颗粒形状良好，孔隙率小，表面清洁，吸水率低，膨胀线性系数低。河砂应重点控制污泥含量（≤2%）、污泥含量（≤1%）和细度系数（2.5-3.0）等关键指标。

在选择大体积混凝土粗骨料时，选择砾石作为要填筑的粗骨料，采用连续分级的粗骨料的混凝土具有良好的可加工性、低耗水量和低水泥消耗性，使混合混凝土更加均匀、密集，具有良好的抗裂性和压缩强度。相关试验数据显示，5～40mm粒径石料与每立方米5～20mm石料混凝土相同的水灰比例可减少20KG水泥用量和约15KG耗水量。将水化热降低2℃，砾石应注意质量控制，砾石松堆连续孔隙率≤45%，碎石破碎程度值（≤20%）、污泥含量（≤1%）、大块泥块含量（≤0.5%）、针状片状颗粒含量（≤8%）等重要指标。

3.3矿物掺和料的选择

将矿物混合物混合在混凝土中，可降低水泥消耗，提高混凝土结构的耐久性，提高混凝土性能，提供良好的经济效益。同时，添加矿物混合物可以提高混凝土的抗裂性，因此在制作混凝土时，应考虑添加合适的矿物混合物。常见的矿物混合物是粉煤灰、渣、硅粉和石粉，粉煤灰是火山灰的活性材料，与混凝土以适当的比例混合，可减少初始热水化，减少干收缩，提高混凝土和减水的易感性，提高混凝土的强度，显著提高混凝土的耐久性。混凝土配比中混合的粉煤灰量应适当，不要太低或太高。太低无法达到效果，过高会导致混凝土初始强度低，水温低。因此，在确定粉煤灰量时，必须确保满足相关技术要求，满足施工要求。

3.4出机口温度控制措施

通过对水泥、粉煤灰、粗细骨料、拌和用水等原材料的温度控制来达到控制出机口温度的目的，原材料主要通过下述方法控制：

控制水泥和粉煤灰的罐体温度。具体罐体温度为：1月至4月、11月至12月，水泥的入罐温度控制在60°以下，粉煤灰的入罐温度控制在40°以下;6月份的水泥温度应当低于80°，粉煤灰低于50°;5月份水泥温度低于70°，粉煤灰低于50°;在7月和8月水泥的入罐溫度低于95°，粉煤灰低于60°。不要超过控制值，否则拒绝进行浇筑作业。9月份水泥温度低于80°，粉煤灰低于50°。同时在夏季需要在水泥罐、粉煤灰罐中设置罐喷系统，喷洒系统用井水或深水区北江水冷却，使罐体冷却，避免罐体水泥和粉煤灰温度升高。

骨料仓、漏斗、进料带等均采用彩色钢瓦遮荫，其中骨料仓需要设置喷雾冷却系统。喷水冷却系统的任务是通过高压泵从井下或北江深水区通过高压泵将水从井下或深水区转移，并将细雾化水蒸气均匀地喷洒在骨料的表面和上部空间，一方面通过蒸发水蒸气实现骨冷却的目标，另一方面，在人工遮阴下形成人工气候环境，使棚子始终保持湿润状态，有效地与外界热源隔绝。高压喷嘴的有效覆盖面为4.0m×4.0m，为确保冷却效果，喷嘴的距离为3.0m×3.0m。

3.5改善施工工艺

改进施工工艺可以有效降低混凝土内外的温差，充分控制结构内的最高温度，减少温度裂缝[4]。这包括实施浇筑振捣过程、具体的温度控制措施以及选择合理施工技术的浇筑方法，具体如下：

（1）内外温差及浇筑温度控制措施。目前，控制大体积混凝土浇筑过程中的温度梯度问题最有效的办法就是控制混凝土浇筑时混凝土的初始温度、出仓温度和冷却温度的一致性。除了保证混凝土自身的温度外，还要克服外界温度带来的影响，特别是夏天因为昼夜温差大带来的温度应力集中的问题，应采取有效措施降低温度。例如，适合防晒的原料场，采用空气冷却或水冷工艺，如混凝土混合物前的预冷却，也可在必要时与冰水混合。此外，要加快酸混合物的储存速度、运输时间。采取冷却循环水系统降温时需要提前在降温目标内埋设水管，然后严格控制通水时间和水循环速度的控制，降低浇筑板块内外的温差，保证浇筑工作的顺利进行[5]。

（2）浇筑方法的合理选择。根据浇筑体积大的特点，可以选择薄层浇筑技术，工艺应遵循"分段定点、顺序驱动、倾斜自流、一次向上、薄膜浇筑"的原则。薄膜浇筑技术利用大量的混凝土混合材料逐层分解浇筑，有助于加快内部向外热分布，增加混凝土冷却面，在一定程度上增加工程结构，降低温度裂缝和混凝土温度负荷的可能性。在实际工程中，制定详细的分层浇筑计划，避免因为上下层浇筑时间不统一带来的应力集中，导致垂直方向上的裂缝。或者是因为太小的时间间隔，导致各层中的热量来不及散发，从而造成热胀冷缩问题，使浇筑结构产生裂缝。因此需要以第一层浇筑的时间和温度作为基准值，在这个基准之上，合理设置浇筑时间和体量。

4结语

本文系统分析了大体积混凝土水化热和提出了温度控制措施，结合现场监测的数据和理论数值计算及施工过程中采用的温度控制和裂缝预防措施，总结得出了一些有价值的结论，但在最初的数值计算中假设了许多理论条件，与实际参数值有部分偏差，仍有待进一步研究改进。

参考文献

[1]JTS 202-1-2010.水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程[S].

[2]GB 50164-2011.混凝土质量控制标准[S].

[3]王建军，梁军林，周胜波，等.基于Midas的拱座基础大体积混凝土温度影响因素分析[J].中外公路，2019，39（2）：89-93.

[4]袁春.船闸工程大体积混凝土裂缝成因及控制[J].珠江水运，2020（19）：99-100.

[5]李原.大体积混凝土温度控制措施的应用探析[J].安徽建筑，2021，28（9）：219-220.

收稿日期：2021-10-02

作者简介：李洪恩（1992—），男，河南南阳人，本科，助理工程师，研究方向：水工施工。

Abstract：This paper summarizes some temperature control and crack prevention measures adopted in the mass concrete construction of Baishiyao junction ship lock project of Beijiang （Qujiang Wushi to Sanshui estuary） channel expansion and upgrading project， including the optimization of on-site concrete mix proportion （selection of raw materials）， reasonable construction measures， and puts forward temperature control and crack prevention measures.

Key words： Mass concrete; Hydration heat temperature; Temperature control measures; Temperature stress