關(guān)鍵詞： 大體積混凝土 溫度控制 防裂 大壩 溫度裂縫

中圖分類號： TV544 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）16-0158-04

隨著工程技術(shù)發(fā)展，我國大體積建筑建造能力不斷提升。就水利工程而言，我國大壩數(shù)量位居全世界第一，200 m 級以上高壩數(shù)量同樣為世界第一。因混凝土材料價格低廉、原料豐富、生產(chǎn)工藝簡單及自身抗壓強(qiáng)度高、耐久性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各大型水利工程中。

在大體積混凝土施工過程中，因建筑物尺寸較大，混凝土內(nèi)部在水化熱條件下產(chǎn)生的劇烈溫度變化導(dǎo)致因溫度應(yīng)力破壞產(chǎn)生的裂縫，會對建筑物整體造成影響。因此，在水利工程建設(shè)過程中，需要對大體積混凝土進(jìn)行全澆筑過程的溫度控制，避免因溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫，提高施工質(zhì)量[1-3]。

1 工程概況

本文以某水利工程為背景，此工程位于陜西省境內(nèi)，所屬地區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，暖濕氣流受山體阻擋不易入侵，全年基本為西北干旱寒冷氣流控制。壩址右岸所屬縣域多年平均降水量為527.7 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 412 mm，多年平均氣溫為12.7 ℃，極端最高氣溫為40.4 ℃，極端最低氣溫為-20.0 ℃，最大凍土深度為35 cm，最大風(fēng)速為21.3 m/s。左岸所屬縣域多年平均降水量為585.8 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 536.2 mm，多年平均氣溫為10.4 ℃，極端最高氣溫為39.4 ℃，極端最低氣溫為-21.0 ℃，最大凍土深度為61 cm，最大風(fēng)速為25.3 m/s，壩址區(qū)多年氣象資料如表1所示。

2 溫度裂縫的產(chǎn)生原理

混凝土材料具有熱脹冷縮的特性，當(dāng)外界環(huán)境或混凝土內(nèi)部溫度發(fā)生變化時，混凝土容易產(chǎn)生形變。在混凝土熱脹冷縮過程中受到邊界條件的約束，其內(nèi)部就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力超過允許值，就會產(chǎn)生裂縫，一般稱其為溫度裂縫，其主要特征是會隨著溫度變化而合攏或者繼續(xù)擴(kuò)張。

對于水利工程中常見的大體積混凝土，因其體積較大，構(gòu)件內(nèi)部與環(huán)境之間不易進(jìn)行熱量交換，故溫度裂縫是水利工程中比較常見的問題。

大體積混凝土裂縫分為貫通裂縫和表面裂縫兩種，其中貫通裂縫是因?yàn)榛炷翉?qiáng)度到達(dá)某種程度后，產(chǎn)生的形變和失水致使其體積收縮變形。在此過程中混凝土構(gòu)件受到地基等其他邊界條件的約束后，由于自身抗拉強(qiáng)度有限，產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過標(biāo)準(zhǔn)后進(jìn)而產(chǎn)生貫通裂縫。而表面裂縫是因?yàn)榛炷帘砻婧蛢?nèi)部的散熱條件不同，外部因與大氣接觸且散熱面大，散熱較快，內(nèi)部因其不易與大氣環(huán)境接觸，水化熱產(chǎn)生的熱量較為集中，熱量不易散發(fā)，故內(nèi)部溫度較高。在該情形下，混凝土內(nèi)部會因內(nèi)外溫差產(chǎn)生壓應(yīng)力，同時表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)其表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過自身抗拉強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生表面裂縫。在水利工程中混凝土產(chǎn)生的表面裂縫和貫通裂縫都屬于有害裂縫，需要及時進(jìn)行修復(fù)處理，否則會影響工程質(zhì)量[4-6]。

3 大體積混凝土溫度裂縫的影響因素

混凝土溫度裂縫的成因復(fù)雜，與水泥種類、外加劑、水泥用量、施工工藝、摻合料、環(huán)境溫度、骨料溫度以及后期養(yǎng)護(hù)措施等有關(guān)[7-9]。

3.1 水泥用量的影響

通過工程實(shí)踐和多項(xiàng)研究表明，水泥用量過多或過少都會對混凝土質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。水泥用量過多，在施工過程中，尤其是大體積混凝土工程中，水泥在水化熱條件下釋放出大量熱量會導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生的溫度裂縫，從而影響工程質(zhì)量。水泥用量過少，會降低混凝土的強(qiáng)度，致使混凝土構(gòu)件抗?jié)B性、抗蝕性等性能變差，達(dá)不到設(shè)計(jì)質(zhì)量要求，進(jìn)一步降低工程質(zhì)量。

3.2 摻合料的影響

工程中，為了節(jié)約水泥用量，改善混凝土性能等加入的天然或人造的材料，統(tǒng)稱摻合料。以粉煤灰為例，低鈣粉煤灰是當(dāng)前國內(nèi)外用量最大、適用范圍最廣的混凝土摻合料，其可節(jié)約水泥用量，減少混凝土水化熱，從而減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

3.3 環(huán)境溫度的影響

環(huán)境溫度的改變會影響混凝土裂縫的產(chǎn)生，外界溫度驟降，導(dǎo)致構(gòu)件表面溫度下降，容易在表面產(chǎn)生收縮裂縫。又因混凝土內(nèi)部在水化熱條件下溫度較高，熱脹冷縮導(dǎo)致內(nèi)部體積膨脹，加之構(gòu)件表面在環(huán)境低溫的影響下收縮變形，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量裂縫。

3.4 混凝土澆筑溫度的影響

混凝土的澆筑溫度直接影響溫度應(yīng)力，通過降低出機(jī)口溫度和入倉溫度等可以降低混凝土的澆筑溫度。在澆筑過程中，盡可能地降低混凝土澆筑溫度，可以減少裂縫的產(chǎn)生。

3.5 養(yǎng)護(hù)措施的影響

混凝土澆筑完成后，需要對其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，若養(yǎng)護(hù)不當(dāng)同樣會導(dǎo)致混凝土開裂。一般情況下，在混凝土澆筑完成后即需開始養(yǎng)護(hù)，表面應(yīng)覆蓋保溫材料，且養(yǎng)護(hù)時間不宜少于設(shè)計(jì)齡期。低溫季節(jié)和高溫季節(jié)養(yǎng)護(hù)用水水溫過低或過高、氣溫驟降時表面保護(hù)措施不到位、拆模時間過早、保溫材料選取不當(dāng)導(dǎo)致無法起到保溫作用等，都會導(dǎo)致已經(jīng)澆筑完成的混凝土構(gòu)件表面產(chǎn)生裂縫。

4 溫度控制措施

4.1 混凝土材料控制

完善相應(yīng)監(jiān)督制度，保障水泥的生產(chǎn)質(zhì)量和穩(wěn)定性，嚴(yán)格按照合同條款控制各項(xiàng)指標(biāo)，水泥運(yùn)送至工地的入場或入罐溫度不應(yīng)高于65 ℃，嚴(yán)格控制進(jìn)場粉煤灰的品質(zhì)?？刂瞥善妨蟼}骨料的溫度和含水率，例如：料倉應(yīng)搭設(shè)遮陽棚，粗骨料可采取噴霧降溫，細(xì)骨料料倉的數(shù)量和容積應(yīng)足夠細(xì)骨料脫水輪換使用。

4.2 控制澆筑溫度

以該工程為例，一般季節(jié)（除低溫季節(jié)）的澆筑月份，混凝土出機(jī)口溫度按6～7 ℃控制，低溫季節(jié)澆筑月份，建議混凝土出機(jī)口溫度按8～10 ℃控制。一般季節(jié)（除低溫季節(jié)）要求對混凝土骨料采用一次、二次風(fēng)冷等措施進(jìn)行預(yù)冷，并采取加片冰、加制冷水拌和等措施以降低混凝土出機(jī)口溫度，拌和樓骨料一次風(fēng)冷和二次風(fēng)冷應(yīng)從嚴(yán)控制，低溫季節(jié)要求對混凝土骨料采取加熱措施，或采取溫水拌和，拌和水溫不宜超過60 ℃。應(yīng)根據(jù)骨料的實(shí)際含水量變化情況及時調(diào)整混凝土用水量、水溫和加冰量，確?；炷脸鰴C(jī)口溫度與坍落度滿足要求。應(yīng)采取多種措施縮短混凝土運(yùn)輸時間，避免混凝土運(yùn)輸車輛在混凝土供料線長時間等候，盡量減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)?；炷吝\(yùn)輸車必須設(shè)置防曬、防雨設(shè)備，運(yùn)輸混凝土?xí)r，應(yīng)對運(yùn)輸設(shè)備與車輛等采取保溫措施，以減少運(yùn)輸過程中高溫季節(jié)混凝土運(yùn)輸時的溫度上升和低溫季節(jié)的溫度下降。

4.3 優(yōu)化混凝土配合比

混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工過程中，需要滿足和易性、施工勻質(zhì)性以及強(qiáng)度、抗?jié)B抗凍、極限拉伸等指標(biāo)。在保障混凝土強(qiáng)度及流動性的條件下，優(yōu)選骨料級配，摻用粉煤灰、外加劑等，盡量減少水泥用量，以降低混凝土絕熱溫升，同時應(yīng)加強(qiáng)施工管理，提高施工工藝，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。

4.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)包括施工層面、上下游表面、橫縫面、孔口及閘墩等已澆筑的混凝土表面。一般應(yīng)在澆筑完畢即開始進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不宜少于設(shè)計(jì)齡期。養(yǎng)護(hù)應(yīng)保持連續(xù)性，不得采用時干時濕的養(yǎng)護(hù)方法，混凝土收倉后，即開始采用噴霧法保濕養(yǎng)護(hù)。倉面應(yīng)及時覆蓋保溫材料等措施保溫保濕，且應(yīng)避免倉面積水?；炷琉B(yǎng)護(hù)水應(yīng)為清潔水，避免污染混凝土面。模板與混凝土表面在模板拆除之前及拆除期間均應(yīng)保持濕潤狀態(tài)[10]。

4.5 混凝土表面保護(hù)

混凝土表面保護(hù)范圍應(yīng)為混凝土澆筑層面、上下游表面、橫縫面、孔口、廊道等各暴露面，在氣溫驟降期間，應(yīng)重視基礎(chǔ)約束區(qū)、上下游面、孔口區(qū)及其他重要結(jié)構(gòu)部位的表面保護(hù)，尤其應(yīng)重視寒潮沖擊。在材料的選擇上應(yīng)選取便于施工且保溫效果好的保溫材料，保溫材料的防火等級不應(yīng)低于B1 級。在壩體上下游面拆模后應(yīng)立即進(jìn)行消缺與保溫，并在拆模后3～5 d 內(nèi)完成保溫施工。當(dāng)氣溫驟降時，28 d 齡期內(nèi)的混凝土表面（頂面、側(cè)面）應(yīng)及時進(jìn)行保溫處理[11-13]。

4.6 混凝土通水冷卻

為滿足混凝土冷卻水的溫度變化要求，現(xiàn)場應(yīng)設(shè)置不同水溫的多套冷卻系統(tǒng)，同時應(yīng)設(shè)置能精確調(diào)整供水流量的可靠設(shè)備。澆筑層厚較厚時，應(yīng)在坯層中間加鋪一層或兩層冷卻水管。冷卻水管應(yīng)垂直于水流方向布設(shè)，冷卻水應(yīng)保持干凈，無泥漿和巖屑。在混凝土澆筑過程中應(yīng)注意避免水管受損、折斷、碰壞和堵塞等，大壩外冷卻供水管需包裹保溫材料，冷卻水管進(jìn)口水溫與供水系統(tǒng)出口水溫之間不宜超過1 ℃。大壩各部位混凝土均應(yīng)進(jìn)行初期通水，其目的是削減混凝土水化熱溫升，控制各部位混凝土最高溫度不超過其容許最高溫度。為減少后期冷卻降溫壓力，在初期通水冷卻和后期通水冷卻之間，增加中期通水冷卻措施，以削減壩體內(nèi)外溫差，改善施工期溫度狀態(tài)，減少后期冷卻降溫產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。若中期冷卻已達(dá)到目標(biāo)溫度，可采取間歇性通水或水管悶溫進(jìn)行混凝土控溫?；炷梁笃谕ㄋ鋮s在中期通水冷卻結(jié)束、混凝土齡期大于90 d 后開始進(jìn)行，壩體混凝土與冷卻水之間的溫差不應(yīng)超過10 ℃[14]。

4.7 其他措施

雨季施工時，應(yīng)及時關(guān)注天氣情況，對混凝土骨料的含水率要增加測量頻率，根據(jù)含水率測量結(jié)果及時調(diào)整拌和用水量。低溫季節(jié)雪天、中雨及以上降雨量天氣不得新開混凝土澆筑倉面，小雨天氣進(jìn)行澆筑時，應(yīng)適當(dāng)減少混凝土拌和用水量。在混凝土澆筑期間突發(fā)大雨、暴雪等極端天氣時，應(yīng)及時停止進(jìn)料。

5 結(jié)語

混凝土溫度應(yīng)力是影響建筑物安全的重要因素，國內(nèi)外因溫控措施不當(dāng)導(dǎo)致后期水利工程中產(chǎn)生溫度裂縫進(jìn)而影響工程安全的事例也比較多。為避免水利工程建設(shè)過程中大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，影響工程質(zhì)量，應(yīng)該從工程建設(shè)全過程著手，認(rèn)真把控每一個環(huán)節(jié)的溫度控制，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求執(zhí)行，采取控制混凝土粗細(xì)骨料溫度、控制出機(jī)口溫度和澆注溫度、優(yōu)化混凝土配合比等措施，在后期通水冷卻和養(yǎng)護(hù)過程中也需嚴(yán)格控制溫度，從而避免產(chǎn)生溫度裂縫，保證工程質(zhì)量。