控制大體積混凝土水化熱危害的原材料選擇及工藝措施

王金生

(甘肅省路橋建設集團有限公司，蘭州730000)

混凝土水化熱在水庫大壩、泵站、橋梁及大型設備基礎等大體積混凝土施工中較為常見。由于混凝土凝結、硬化過程中，水泥的水化反應，產生大量的水化熱，水化熱積聚在內部不易散發，使內部溫度上升到50℃～70℃以上。內外溫差引起巨大的內應力和溫度變形，使混凝土產生裂縫、變形，甚至破壞，因此，水化熱對大體積混凝土工程是十分不利的［1］。

關于大體積混凝土，我國目前尚未有一個確切的定義。日本建筑學(JASS5)規定:“結構斷面最小厚度在80 cm以上，同時水化熱引起混凝土內部的最高溫度與外界氣溫差超過25℃的混凝土，稱為大體積混凝土。”美國混凝土學會(ACI)規定:“任何就地澆筑的大體積混凝土，其尺寸之大，必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂。”

防治水化熱的危害，一直是工程技術人員研究的課題。大量文獻顯示，造成大體積混凝土裂縫、變形的因素與水泥的品種和用量、內外約束條件、外界氣溫變化、混凝土收縮變形及混凝土勻質性等有關。

1 膠凝材料選擇

防治水化熱危害最有效的方法是優選原材料與控制配合比，可從以下幾方面著手:

1)選用水化熱低、水化速度較慢的水泥。混凝土溫度升高主要是由于水泥水化過程中釋放大量熱量所致，在絕熱條件下混凝土的溫度上升速度為［1］

式中，θ為絕熱溫升;t為時間;W為水泥用量;q為單位質量水泥在單位時間內放出的水化熱;c為質量熱容;ρ為密度;Q為單位時間內單位體積中發出的熱量。

由式(1)可見，混凝土溫度的升高不僅與水泥用量有關，還與水泥品種有關。所以，在水泥用量相同的條件下，選用水化熱低、凝結時間長的水泥，能夠有效降低水化熱。普通硅酸鹽水泥水化熱較大，不宜采用;礦渣硅酸鹽水泥與火山灰水泥水化反應慢，水化熱低，后期強度高，大體積混凝土中廣泛采用［2］。

2)摻加粉煤灰。由式(1)可知，水泥用量大的混凝土產生的水化熱也大，特別對于高強度混凝土，相應單方水泥用量較多，水化熱引起的混凝土內部溫升較普通混凝土要大。所以，在不影響混凝土強度和坍落度等使用性能的前提下，在混凝土中摻入粉煤灰，來取代部分水泥，可達到降低水化熱的目的。文獻［3］中的試驗表明，摻入30% ～60%粉煤灰可使水泥7 d水化熱降低約10%～50%。

3)加入緩凝劑。為了減少水化熱，降低混凝土溫度，往往希望混凝土緩凝，即延長混凝土初凝時間。試驗表明，加入緩凝劑后，水泥的初凝時間可分別延長1～4 h不等，從而推遲混凝土放熱峰值出現的時間。由于混凝土的強度會隨齡期的增長而增大，所以等放熱峰值出現時，混凝土強度也增大了，從而減小溫度裂縫出現的機率。

2 施工控制措施

大體積混凝土內部的溫度是一個隨時間和位置而變化的瞬態溫度場，它的初期變化近似于拋物線分布，隨齡期增加逐漸趨于平緩，最后與外界氣溫趨于平衡。影響其變化的因素較多也較復雜。實際的溫度控制中，一般考慮混凝土內部的溫度峰值與內外溫差變化情況。混凝土內部的溫度峰值主要受混凝土用料及配合比、散熱邊界條件、外部環境等影響，可以分為澆筑溫度、水泥水化熱溫升和混凝土散熱溫度三部分組成，相應的溫度控制方法也主要針對這幾個部分。

2.1 降低混凝土的入模溫度

盡可能避免在高溫天氣下澆筑大體積混凝土，對水泥骨料采取預冷措施，混凝土的拌合、運輸、澆筑過程應盡量銜接緊密，以保持混凝土良好的和易性，澆筑完后及時做好養護工作。

2.2 控制內外溫差

在澆筑塊體厚度較大的情況下盡可能采用循環冷卻水降低內部溫度(見圖1)，外面加強保溫措施，如用麻袋和塑料薄膜進行保溫和保濕。須控制混凝土中心與外表面最大溫差不高于25℃ ～30℃，以防止混凝土表面出現干縮裂縫。

圖1 承臺冷卻水管埋設示意(單位:m)

2.3 分層澆筑

分層澆筑混凝土，層間混凝土的間隔時間應不大于混凝土的初凝時間，澆注上層混凝土前應對老混凝土表面進行清理并充分濕潤。

2.4 采取表面保溫措施

在加強混凝土體內降溫措施的同時，在邊界上采用適當的保溫措施，如在結構外露的混凝土表面以及模板外側覆蓋保溫材料(如草袋、鋸末、溫砂等)，控制外部混凝土與內部混凝土之間的最大溫差不超過25 ℃ ～30 ℃［4］，以防止出現裂紋。

2.5 控制拆模時間

根據工程的實際情況，盡量延緩拆模時間，這樣混凝土具有一定的強度，可以抵抗可能產生的溫度應力［5］。特別是當橋梁承臺在冬季施工時，為防止拆模后外界溫度陡降引起溫度應力，拆模后應立即回土覆蓋，控制內外溫差。

2.6 改變設計，增加混凝土體內散熱通道

1)設置后澆縫，當大體積混凝土平面尺寸過大時，可以適當地設置后澆縫，以減少外約束力和溫度應力，同時也有利于散熱，降低混凝土的內部溫度。

2)通過結構設計驗算，在滿足功能、強度、耐久性的前提下，改變結構設計，增大混凝土的散熱面積和散熱通道，如圖2所示。

圖2 混凝土體內預留孔道示意

2.7 導管排氣法，排除混凝土體內水化熱

在混凝土中埋置導管(鋼管、夾布膠管、鋼絲網膠管及波紋管等)，降低混凝土體內水化熱。

1)在混凝土中梅花形埋置φ50 mm的鋼管，待混凝土凝固具有一定強度后，拔出鋼管，用高強度等級細石混凝土將管孔灌實。注意，在混凝土開始硬化后，每隔1 h將鋼管轉動一周，否則，混凝土凝固后，鋼管將拔不出來。

2)在混凝土中埋置夾布膠管或鋼絲網膠管，管內充水或充氣，使管徑增大，待混凝土初凝后，放出水或空氣，抽出膠管，形成排氣通道。混凝土硬化后，用高強度等級細石混凝土灌實。

3)將鋼波紋管埋置于混凝土內形成排氣孔道，排除體熱，待水化反應基本結束后，用高強度等級砂漿灌實，鋼波形管不需要拔出。

3 結語

本文對大體積混凝土水化熱的防治方法及施工控制措施進行了分析，指出了預先控制水化熱危害的途徑，具有很強的可操作性與現實意義。大體積混凝土只要經過認真的施工組織設計、選擇合理的施工方法和合適的材料，就能有效地降低水化熱帶來的危害。上述三種方法和七種措施，在具體運用中，要注意實際操作的可行性，具體工程具體對待，既考慮工程質量，又要考慮工程經濟。

［1］吳葉瑩.大體積混凝土施工期溫度裂縫計算分析［J］.鐵道建筑，2007(9):105-107.

［2］楊秋玲，馬可栓.大體積混凝土水化熱溫度場三維有限元分析［J］.哈爾濱工業大學學報(自然科學版)，2004，36(2):261-263.

［3］俞海勇，徐強.粉煤灰膠凝體系水化溫升及其抗裂性能的關系［J］.混凝土，2000(11):21-23.

［4］蔡炎標，馮炳生.崖門大橋主墩承臺大體積混凝土水化熱試驗分析［J］.國外橋梁，2001(3):66-68.

［5］齊有章.大體積混凝土結構裂縫控制探討［J］.鐵道建筑，2006(3):97-98.