大體積混凝土溫度控制技術研究

李潤成

(山西省交通科學研究院，山西太原 030006)

大體積混凝土在橋梁墩臺工程中應用廣泛。其施工的特點在于:施工周期長，可能經歷一年中最高溫和最低溫季節;結構尺寸長，澆筑方量大;泵送混凝土施工，膠材用量高，水化熱溫升大，易產生溫度裂縫［1，2］。對大體積混凝土而言，造成混凝土開裂最主要的原因是由干縮和溫度應力引起的［3］。由于水泥和水之間發生復雜的化學物理變化，新的生成物導致了混凝土的凝結和硬化。在大體積的混凝土澆筑施工后，水泥在水的激發下水化放熱，將逐漸經歷誘導期、升溫期、降溫期以及穩定期這四個階段，在此過程中混凝土的體積也隨著構筑物溫度的升降而產生一定的膨脹或收縮變形，當周圍條件的約束限制各塊混凝土體積的自由脹縮變化時，就在結構內部會產生一定程度的溫度應力［3，4］。為此，本文根據混凝土的物理和熱學性能常規試驗，計算了大體積混凝土結構內部的溫度分布狀態，并根據分析結果提出了相應的溫控標準和溫控措施，以防出現有害溫度裂縫。

1 工程概況

本文以結構尺寸為15 m×30 m×17.5 m的大體積混凝土為例，該結構分9層澆筑。施工中采用C40混凝土分層進行澆筑，每層一次澆筑，兩層之間澆筑間隔時間為7 d。

1.1 分層及冷卻水管布置

本文主要以錨碇中單個錨塊單個錨體錨塊結構尺寸為15 m×30 m×17.5 m，采用C40混凝土，分9層澆筑，每層一次澆筑。

將冷卻水管分為1層或2層布設在每層混凝土內部。其中冷卻水管直徑為40 mm的薄壁鋼管，同一層冷卻水管的水平間距為1 m，這些冷卻水管與混凝土結構的側面距離應該大于1.0 m。為保證降溫效果，每根冷卻水管的長度最好不要超過200 m。同時，冷卻水管的進、出水口位置應該集中布置、統一管理，并標識清楚。水管由離心泵供水。冷卻水管的平面、立面布置圖見圖1。

圖1 水管平面及立面布置圖（單位：m）

混凝土澆筑預計歷時2個月，從4月份～6月份，澆筑溫度應該按25℃計算。

在計算過程中，按頂面蓄水0.15 m深的情況考慮，經熱工計算可以得到結構側面的保溫系數為840 kJ/(m2·d·℃)，頂面的保溫系數為1 200 kJ/(m2·d·℃)。

在進行熱工計算時，考慮冷卻水管的降溫效果。單個錨塊混凝土中共布設17層φ40 mm的黑鐵管，冷卻水管水平間距為1.0 m，錨塊連接處共布設17層黑鐵管。這些冷卻水管的水平間距為1.0 m。經估算，對于錨塊強度等級為C40的混凝土而言，絕熱溫升37.9℃。

在施工過程中，應嚴格控制混凝土的澆筑溫度、間歇期以及結構的內表溫差，采取有效的溫度控制措施，以避免錨塊混凝土產生溫度裂縫。

1.2 冷卻水管埋設及測點布置

1)當混凝土澆筑到各層冷卻水管的標高之后，開始通水，通水持續時間為10 d～15 d，具體需要多久時間應根據實測的溫度數據來確定。而通水流量應不小于25 L/min;2)當混凝土采用分層澆筑時，在上層混凝土澆筑施工結束后，結構物底層混凝土的頂面處的冷卻水管應立即進行通水，以降低混凝土的溫度回升幅度;3)對進出水溫度應進行嚴格控制。在保證冷卻水管的進水溫度和混凝土結構內部的最高溫度之差不高于25℃的條件下，冷卻水應當盡量采用適宜的溫水或者循環水;4)冷卻水管停止使用后，應采用C35水泥砂漿進行封閉灌漿。

冷卻水管埋設及測點布置圖如圖2所示。

圖2 測點平面及立面布置圖（單位：m）

2 混凝土的溫度控制標準及措施

2.1 混凝土的溫度控制標準

1)結構物的最大內外溫差不得大于25℃;2)在養護時，表面的養護水流和混凝土結構物的表面溫度差值應該控制在15℃以內;3)在溫度峰值過后，應采取保溫措施使結構物混凝土的最大降溫速率控制在2.0℃/d以內。

2.2 現場的溫控措施

本文結合現場工程經驗，提出了如下措施。

2.2.1 混凝土原材料選擇及配合比設計

1)配合比設計及試配宜采用60 d強度;2)避免使用早強型水泥與高C3A含量水泥，而應選用水化熱及堿性量比較低的水泥品種;3)盡量降低單方混凝土中的膠結料及硅酸鹽水泥用量，但其前提是應滿足混凝土強度要求;4)減水劑的選用應是性能優良、高效的，同時盡量減少拌和的用水量。

2.2.2 混凝土澆筑溫度的控制

降低混凝土的澆筑溫度是控制混凝土開裂破壞的重要途徑。混凝土的入模溫度最好能控制在25℃之內，不應當高于28℃，應視氣溫不同而進行調整。通常可采取的溫控措施有如下幾種: 1)水泥在使用前應當采取散放等措施充分冷卻降溫，務必保證其在施工期間的實測溫度不得高于50℃。2)為保證混凝土在入模前模板溫度、鋼筋溫度和附近局部的空氣溫度不得高于40℃，應合理進行施工組織設計，特別是在炎熱天氣時，大體積混凝土應在夜間澆筑比較合適。3)為降低澆筑溫度，可采用冷卻系統對拌和所用的自來水進行冷卻，或者通過加入冰塊降低溫度。4)在高溫天氣下需要加快運輸效率，提高入倉速度，盡量減少混凝土的冷量損失。5)將砂石料的堆存高度增加到6 m～8 m以上，并采取適當的覆蓋遮陽措施，使用時應盡量從靠近地表或者地表以下(料堆底層)取料。6)用草袋為混凝土泵管遮陽，并及時灑水降溫。7)采用遮陽隔熱方法給運輸車降溫。

2.3 大體積混凝土溫度以及內表溫差控制措施

對于大體積混凝土來說，在降溫階段氣溫較低時，或者突然遭遇大風降溫、混凝土的內表溫差高于20℃，這樣的情況就必須對大體積混凝土結構加強保溫養護措施。

夏天應控制混凝土澆筑溫度不超過25℃。同時，由于水泥水化熱引起的溫升效應，需要采取有效的降溫措施來盡可能地降低混凝土結構內部溫度，使混凝土的內外溫差控制到不大于25℃。

層與層之間的混凝土澆筑間隔時間控制按前次澆筑混凝土核心溫度與其表面溫度差應小于20℃，同時已澆筑混凝土的強度應大于其設計強度的50%。

冬季控制澆筑溫度不低于10℃，可通過加熱拌合水達到要求。

對于暴露于大氣中的新澆混凝土結構的表面，應當及時進行水膜養護。混凝土上表面盡可能采用蓄水養護，立面混凝土拆模宜使用自動噴水系統不間斷噴水，人工灑水易造成混凝土表面干濕循環，產生干縮裂縫。

2.4 養護措施

混凝土養護工作一般包括濕度和溫度兩個方面。施工養護過程中的溫度和濕度養護質量，在很大程度上能影響到混凝土結構表層的抗裂性和耐久性能。通常可采用如下措施:1)在混凝土結構澆筑完畢的12 h～18 h左右，應及時開展養護工作;對于炎熱干燥的天氣情況，還應當提前進行養護。一般而言，摻粉煤灰的混凝土養護時間不得少于21 d，而普通混凝土的養護時間不得少于14 d;2)可以采用覆蓋濕麻袋或濕土工布養護，并配合經常灑水，使混凝土的表面處于濕潤狀態;3)夏季氣溫高時采用表面流水方法冷卻混凝土，在混凝土終凝并鑿毛后即開始流水，在混凝土表面形成流動的水層，水層厚2 mm～8 mm，水流速度不大于0.8 m/s。

在施工過程中，應嚴格遵照JTJ 04189公路橋涵施工技術規范要求的結構厚度、工藝順序和方向操作。大體積混凝土結構物的溫度、應力狀態受外界溫度、濕度、現場施工條件、原材料品質等因素的影響，其發展過程是一個相當復雜的問題。下面通過實測數據了解混凝土的溫度變化情況。

3 實際測量結果分析

每層澆筑間隔時間為7 d，大體積混凝土澆筑時，選擇有代表性的第1層、第3層、第5層、第7層、第9層溫度實測值，列入圖3～圖7。

從以上實測溫度曲線可知，溫度在第2 d，3 d達到高溫之后緩慢下降。隨著層數的增加，下面已澆筑的混凝土達到一個穩定值時變化十分緩慢，幾乎不變，而上部新澆筑的混凝土最高溫度均比下面已澆筑的混凝土的最高溫度要高，所以，在施工開始直至施工結束時，要確保每一層的水管都能順利通水且有足夠的接入水管，根據實測溫度做出相應措施，保證溫差控制在25℃內。

圖3 第1層溫度曲線及內外溫差曲線

圖4 第3層溫度曲線及內外溫差曲線

圖5 第5層溫度曲線及內外溫差曲線

同時，通過采取相應的溫度控制措施，各層內外溫差均控制在25℃內，這說明以上溫度控制是可行的。從第3層溫度變化線看出，3—外—木曲線(外模采用木模)與3—外—鋼(外模采用鋼模)溫度差2℃～3℃，外界溫度降低時木模外表皮溫度比鋼模溫度高，外界溫度高時鋼模的外表皮溫度比木模高，因此可以根據施工時節不同選用木模和鋼模。

圖6 第7層溫度曲線及內外溫差曲線

圖7 第9層溫度曲線及內外溫差曲線

4 結語

1)對于大體積混凝土，當澆筑8 h左右時，溫度一般在30℃左右，可以試通水，測一下水溫。通水時盡量不要停止，這樣溫度達到峰值溫度會比間斷通水時達到的峰值低，且要根據測得表皮溫度與內部溫度，保證內外溫差不超過25℃時，對現場溫度采取相應的控制措施。

2)隨著層數的增加，下面已澆筑的混凝土會對上部新澆筑的混凝土有一定的影響，下面已澆筑的混凝土達到一個穩定值時變化十分緩慢，幾乎不變，而上部新澆筑的混凝土最高溫度均比下面已澆筑的混凝土的最高溫度要高，所以，在施工開始直至施工結束時，要確保每一層的水管都能順利通水且有足夠的接入水管，根據實測溫度采取相應措施，保證溫差控制在25℃內。

3)由于鋼模受外界溫度影響較大，即降溫快升溫也快，而木模受外界溫度影響較小但變形較大，因此，在選擇外模時可以根據需要選取。

［1］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1999.

［2］ 馮乃謙.混凝土結構的裂縫與對策［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］ 蔣家茂，許 若.大體積水泥混凝土結構澆筑施工溫度裂縫防控初探［J］.公路交通技術，2006(3)：94-95.

［4］ 劉家彬，郭正興，等.潤揚長江大橋南錨碇超大體積混凝土 溫控技術［J］.建筑技術，2003(1)：41-43.