水利工程大體積混凝土施工溫度裂縫控制

【摘 要】 隨著水利建設事業的發展，大體積混凝土被廣泛應用到水利工程當中。而大體積混凝土因溫度變化而產生的溫度裂縫，也是一個普遍存在而又難以解決的問題。本文就水利工程大體積混凝土溫度裂縫的種類及原因進行闡述，并從降低澆筑溫度和水化熱、降低內外溫差、養護、改善約束條件等方面提出了溫度裂縫的控制措施，可供參考借鑒。

【關鍵詞】 大體積混凝土；溫度裂縫；水化熱；約束條件；控制

1 前言

近年來，水利水電事業發展迅速，大體積混凝土越來越多的被應用到水利工程建設當中。但與很多大體積混凝土工程一樣，溫度裂縫始終是應用中難以解決的質量通病。由于混凝土單次澆筑方量大，加上混凝土自身放熱量大，散發大量的水化熱，所以會產生較大的溫度變化和體積變化，由此而產生、溫度應力，從而產生混凝土溫度裂縫。混凝土開裂影響結構的整體性、防水性和耐久性，形成結構隱患。因此，必須重視大體積混凝土施工溫度的控制，采取有針對性的溫度裂縫控制措施，避免裂縫的出現，從而保證工程的整體質量安全。

2 大體積混凝土種類

（1）表面裂縫

大體積混凝土結構澆筑后，水泥在凝結硬化過程中釋放大量水化熱，熱量聚集在混凝土內部不易散發，從而使混凝土內部溫度急劇升高并與表面溫度產生溫差，形成溫度梯度。當溫差超過25～28℃時，會使結構內部產生壓應力，而表面產生較大的拉應力。混凝土是一種脆性材料，當表面拉應力超過此時的混凝土極限抗拉強度時，就會在混凝土表面產生溫度裂縫。施工階段外界氣溫驟降也是影響表面裂縫產生的重要因素。

（2）深層裂縫

表面裂縫的發展，形成深層裂縫。當表面裂縫形成以后，仍然長期暴露，比如上、下游面、或柱狀塊頂面或拆模后的側面，若混凝土內部的溫度很高，則混凝土內部繼續降溫，就會形成一種非線性溫度場，混凝土各單元之間變形不一致，形成一種約束（內部熱混凝土約束外部冷混凝土收縮變形）也會產生溫度應力，此種溫度應力將在表面裂縫端部形成應力集中，使表面裂縫向縱深發展。

（3）貫穿裂縫

混凝土的貫穿裂縫主要是由于混凝土的降溫和收縮作用引起的。大體積混凝土澆筑初期，混凝土處于升溫階段及塑性狀態，彈性模量較小，從而變形引起的應力較小，所以溫度應力較小，一般可忽略不計。當混凝土開始降溫時，因散熱而產生收縮。加之混凝土硬化過程中，由于混凝土內部拌和水的水化和蒸發，以及膠質體的膠凝作用，促使混凝土硬化時收縮。

3 形成溫度裂縫的主要原因

大體積混凝土的裂縫成因十分復雜，因素很多。但主要由溫度和溫度變化引起開裂的居多。而影響溫度裂縫的主要因素如下：

3.1 水泥的水化熱

大體積混凝土在澆筑凝結后，水泥在水化過程中會釋放大量的水化熱。而大體積混凝土結構物斷面尺寸較大較厚，水泥釋放的熱量聚集在混凝土內部不易散發，使結構物內部溫度急劇升高，通常在3～5日內溫度達到最高值132。溫度變化產生體積脹縮，受到約束而產生壓應力。混凝土在澆筑初期，由于它是熱的不良導體，其強度和彈性模量都很低，對水化熱引起的急劇溫變約束不大，相應的溫度應力也小。隨著混凝土齡期的增長、彈性模量和強度的提高，對混凝土內部降溫收縮的約束愈來愈大，以致產生很大的拉應力。拉應力超過此時混凝土的極限抗拉強度就產生溫度裂縫。

3.2 約束條件

大體積混凝土由于溫度變化產生脹縮變形，這種變形受到約束即產生應力。在全約束條件下，混凝土結構的變形，應是溫差和混凝土線膨脹系數的乘積，即℃=vT@A，當℃超過混凝土的極限拉伸值℃p時，結構便出現裂縫。無約束就不會產生應力，因此，改善約束條件對于防止混凝土開裂有重要意義。在大體積混凝土中，一般有內部約束和外部約束兩種情況。內部約束是由于內部水泥水化熱不易散發，表面則易散發，使表面溫度低于內部，即由溫差形成。相對而言，內部體積膨脹受表面約束處于受壓狀態，表面體積則收縮（特別是遇氣溫驟降，或過水）受內部約束，產生拉應力。澆筑在基巖或老混凝土上的混凝土，在逐步降溫的過程中，將會冷縮，但由于受到基巖或老混凝土的約束，將會產生拉應力。當其超過混凝土的極限抗拉強度時，就可能出現貫穿性裂縫。這種溫度變形約束是外部約束。

3.3 環境溫度的變化

大體積混凝土結構在施工階段，受外界氣溫的變化影響很大。外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；如外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降會大大增加外層混凝土與內部混凝土的溫度梯度，這對大體積混凝土極為不利。

混凝土的內部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫度和結構散熱降溫等各種溫度的疊加之和，而溫度應力則是由溫差所引起的溫度變形造成的，溫差愈大，溫度應力也愈大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱。混凝土內部的最高溫度一般可達60～65℃，防止混凝土內外溫差引起的過大溫度應力就顯得更為重要。

3.4 混凝土的收縮變形

混凝土的拌和水中，約20%的水分是水泥硬化所必需的，其余80%的水分要蒸發152。混凝土水化作用時產生的體積變形稱為/自身體積變形0。該變形多數是收縮變形，少數是膨脹變形，這主要取決于膠泥材料的性質。混凝土中多余水分的蒸發是引起結構體積干縮變形開裂的主要原因之一。

4 溫度裂縫的控制措施

為了控制溫度裂縫，可以采用降低混凝土的澆筑溫度，控制各區域的溫度梯度，改善約束條件，提高混凝土的抗裂強度等措施。

4.1 降低澆筑溫度和水化熱

（1）優先選用低發熱量的水泥，如礦渣水泥、明礬水泥、大壩水泥，可減少水化熱引起的絕熱溫升。

（2）采用改善骨料級配，適當摻加大塊石，適量摻加混合材料，減小砂率等措施來減少水泥用量，將水泥用量盡量控制在450kg/m3以下，以減少水泥水化熱。

（3）降低水灰比，一般混凝土的水灰比控制在0.6以下，降低水化熱。

（4）改善混凝土的攪拌加工工藝，在傳統的/三冷技術0的基礎上采用“二次風冷”新工藝，可進一步降低混凝土的澆筑溫度。

（5）在混凝土中摻加適量的具有減水、增塑、緩凝等作用的外加劑，改善混凝土拌合物的流動性、保水性，便于分段分層施工，降低水化熱，推遲熱峰的出現時間。

（6）避免炎熱的夏季施工，不宜中午澆筑。如在高溫季節澆筑，可考慮在骨料堆放處搭設遮陽板，避免日光直射。低溫入模，低溫養護，必要時可采用冰塊降低混凝土原材料的溫度等措施來控制混凝土的溫升。

4.2 降低內外溫差

（1）在大體積混凝土內部設置若干冷卻管道，通入冷水或者冷氣進行內部散熱，減小混凝土的內外溫差。

（2）對大體積混凝土結構進行蓄水養護亦是一種較好的辦法。混凝土終凝后，在其表面蓄存一定深度的水。由于水的導熱系數為0.58W/m·k，具有一定的隔熱保溫效果，這樣可延緩混凝土表面水化熱的降溫速率，縮小混凝土中心和混凝土表面的溫差。

4.3 強化混凝土全程養護

（1）加強混凝土養護。混凝土澆筑后，及時用濕潤的草簾、麻袋等覆蓋，并注意灑水養護，適當延長養護時間，保證混凝土表面緩慢冷卻。在寒冷季節，混凝土表面應設置保溫措施，以防止寒潮襲擊。

（2）在壩岸結合部的混凝土結構拆模后，應盡快回填土，避免氣溫的較大變化產生的有害影響，同時亦可延緩降溫速率，避免裂縫產生。

4.4 改善約束條件的措施

（1）合理安排施工工序，分層、分塊澆筑。由于大體積混凝土的溫度應力與結構尺寸相關，混凝土一次澆筑的結構尺寸越大，溫度應力越大。因此采用該措施有利于減輕約束、縮小約束范圍和進行散熱，確保混凝土自由伸縮達到釋放溫度應力的目的。

（2）避免應力集中。在孔洞周圍、斷面突變部位、轉角處等，由于溫度變化和混凝土收縮，會產生應力集中而導致裂縫。為此，可在孔洞四周增配斜向鋼筋、鋼絲網；在斷面突變處，可作局部處理使斷面逐漸過渡，同時增配抗裂鋼筋。

（3）預留溫度伸縮縫，減少約束。

（4）各塊體平行施工，避免相鄰澆筑塊過大的高差和側面長期暴露。相鄰壩塊的高差控制在8m以內。

4.5 其它措施

在混凝土中配置少量的溫度鋼絲網或者摻入纖維材料有助于混凝土的溫度裂縫控制在允許范圍之內。

5 結語

由于水利工程大體積混凝土本身及其與周圍環境相互作用的復雜性，因此，溫度裂縫的產生原因一般不是由單一的因素造成的，但受內部水化熱和外界環境溫度的變化影響較大。為避免和控制大體積混凝土溫度裂縫的出現，必須優化配合比設計，采取合理措施降低混凝土結構的約束，同時認真組織施工，加強養護，這樣才能確保大體積混凝土結構的整體質量。

參考文獻

[1] 趙雯.水工結構大體積混凝土溫度應力及裂縫控制研究[D].合肥工業大學，2010年

[2] 錢峰；呂曉剛；劉飛飛.淺析大體積混凝土溫度裂縫成因及控制措施[J].科技信息，2012年第14期