大體積混凝土的溫控防裂技術

李榮榮 朱久權

（中交三航局第二工程有限公司）

0 前言

大體積混凝土結構是現代化建設過程中廣泛采用的一種結構形式，特別是在港口及其它沿海建設項目、大壩及橋梁建設等實際工程中發揮重要作用。目前世界各國對大體積混凝土的定義尚不統一，我國現行國家標準GB50496—2018《大體積混凝土施工標準》中規定大體積混凝土為混凝土結構物實體最小尺寸不小于1m 的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土[1]。大體積混凝土在施工過程中由于水泥用量較多，澆筑混凝土的內部溫度會因水泥水化產生的大量水化熱而劇烈變化，再加上外界環境溫度的影響，這使得混凝土結構極易開裂，從而嚴重破壞大體積混凝土結構的整體性、穩定性、耐久性和安全性，縮短其使用壽命[2-4]。在我國已建的大體積混凝土工程中，存在不少由于出現溫度裂縫進而威脅混凝土結構整體安全性和耐久性的案例。觀音閣水庫是我國北方第一座大型碾壓混凝土重力壩，于1990 年開始建設，1995 年其主體結構基本完工。五年的施工期間一共監測到402 條裂縫，最大裂縫深度長達6m，對大壩的抗滲性能造成嚴重破壞；而于2000 年建成的江埡碾壓混凝土壩，在壩體蓄水期間監測到12 條裂縫產生，其中最深的一條裂縫直達廊道[5-6]。一方面，上述這些裂縫的產生直接影響到大體積混凝土結構的應力分布，而裂縫擴展則會進一步破壞混凝土結構的長期性能；另一方面，裂縫的后期修復費用較高，且修復后的效果通常也只是暫時的[7]。

基于大體積混凝土體積較大、熱傳導性差、抗拉強度低、容易受約束條件及外界環境影響等特點，完全避免裂縫的產生極為困難。追根溯源，溫度應力是造成大體積混凝土開裂的主要原因[7-10]。因此，在實際工程中需要采取有效的溫度控制和防裂技術措施，以最小化由溫度應力引起的混凝土結構中有害裂縫的產生，從而保障大體積混凝土結構的施工質量，并延長其服役壽命。

1 溫度裂縫的產生及發展

大體積混凝土結構在施工和運營期間易于出現溫度裂縫。一方面，混凝土結構的內外溫差會促進溫度應力和應變的產生；另一方面，該應力和應變又受到混凝土結構的外部約束及其自身收縮變形的阻礙。當溫度應力和應變突破阻礙，超過混凝土的抗拉極限時，即會出現溫度裂縫[11-12]。根據深度，大體積混凝土結構中的裂縫通常分為表層裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫。表層裂縫分布在混凝土結構表面，深度較淺且外荷載作用下不擴展的表層裂縫通常不影響整體結構的使用；深層裂縫是表層裂縫由于應力集中進一步擴展所致，對混凝土整體結構的穩定性具有一定的危害；貫穿裂縫由深層裂縫發展而成，貫穿整個混凝土結構，嚴重危害混凝土結構的整體安全性和耐久性[11]。

1.1 溫度裂縫的影響因素

影響大體積混凝土溫度應力并引發溫度裂縫的主要因素包括水泥水化熱、環境溫度、結構約束及混凝土收縮變形[13-16]等。

1.1.1 水泥水化熱

水泥水化熱是引發溫度裂縫的一個重要因素。水泥水化作用產生的大量水化熱導致混凝土內部溫度急劇上升，實際工程中該溫升一般達到20℃～30℃甚至更高[4]，半徑大于2.5m 的大體積混凝土內部基本處于絕熱狀態[17]；但是由于與空氣直接接觸，混凝土表面散熱更快、溫度更低；此外，大體積混凝土各部位的散熱速率也不盡相同，這導致大體積混凝土內外溫度分布極不均勻，溫度梯度較大[4]。通常來講，大體積混凝土較高的內部溫度使得其內部膨脹率較大，進而導致結構內部壓應力以及結構表面拉應力的產生，當表面拉應力超過混凝土本身可承受的極限時，就會出現溫度裂縫。

1.1.2 環境溫度

除了水泥水化熱的影響外，大體積混凝土在施工過程中對環境溫度非常敏感，極易因環境溫度的變化出現溫度裂縫。在不同季節或不同地理區域等環境溫度差異較大的情況下進行大體積混凝土的澆筑時，一般環境溫度的變化對大體積混凝土的內外溫差具有顯著影響[11]。較高的環境溫度可間接導致混凝土過高的內部溫度。例如，在夏季的高溫條件下，混凝土的內部溫度可達到60℃～65℃[12]，而當環境溫度突然下降時，大體積混凝土的內外溫差將進一步加劇，導致溫度應力增大，從而促進溫度裂縫的產生。因此在酷熱、嚴寒等極端溫度條件下，環境溫度變化更容易導致大體積混凝土溫度裂縫的產生，此時采取合理溫控措施降低混凝土內外溫差是十分必要的。

1.1.3 外部約束及混凝土收縮變形

外部約束條件會限制由于溫度變化引起的大體積混凝土的變形，進而導致溫度應力的出現，提高混凝土開裂的可能性。另外，大體積混凝土本身的收縮變形也會影響溫度裂縫的產生。在混凝土結構中，80%的水將被蒸發，水泥水化只需要約20%的水分[2]。如果由水分蒸發引起的混凝土的收縮變形受到外部約束的限制，則易產生裂縫。由混凝土的收縮變形引起的溫度應力通常是不可忽略的，因此在溫度裂縫計算中，應將混凝土收縮值換算成引起相同溫度變形所需的溫度值，即為“收縮當量溫差”[11]。

1.2 溫度裂縫的特點及危害

首先，溫度裂縫是由于混凝土溫度變化而產生的，而溫度與時間有關，因此溫度裂縫具有時間性。如果混凝土的溫度變形速率較慢，產生的溫度應力將逐漸松弛，最終溫度應力不足以超過混凝土的抗拉強度，就可能不出現裂縫[18]。其次，溫度裂縫還與材料特性有關，若材料彈性模量較高、韌性較好，則溫度裂縫也不一定出現[11]。就大體積混凝土而言，當開始出現表層裂縫時，若沒有即時修護，不僅影響整體結構外觀，后期可能發生裂縫擴展，逐漸演變成深層裂縫和貫穿裂縫，從而改變混凝土結構的應力分布，進一步危害其整體結構安全及耐久性能，造成巨大的社會經濟損失[18]。

2 溫控防裂基本措施

2.1 優化材料選擇及配比設計

在對大體積混凝土進行溫度控制和防裂舉措時，可以從混凝土拌合物的成分入手，合理選擇水泥的種類、骨料的類型和級配、外加劑的種類和用量等。同時，根據實際工程需要，優化大體積混凝土的配合比。

2.1.1 水泥及骨料的選擇

為了控制水泥水化的放熱量，應優先選擇低熱水泥，并盡量減少水泥的用量[19]。水泥的單位用量每增加或減少l0kg，混凝土的絕熱溫度將升高或降低1℃[4]。此外，大體積混凝土的配制應選擇連續級配、熱膨脹系數小、含泥量較低（一般來說，砂、石的含泥量應控制在1%以內）的骨料[20]。這主要是因為采用連續級配的骨料和易性更好，且其在混凝土拌合物中所占體積比相對較高，因此可以在確保混凝土強度的條件下減少水泥用量，起到間接控制水泥水化放熱量的作用。對于粗骨料，應根據實際配合比設計要求和施工工藝條件確定粗骨料最大粒徑；對于細骨料，應選擇優質中砂和粗砂，細度模數應控制在2.6～2.9，并在滿足各方面施工要求的條件下減小砂率[21]。

2.1.2 外加劑的選擇

在滿足大體積混凝土施工和易性和強度的條件下，可以摻加必要的礦物摻合料和化學外加劑。其中，礦物摻合料包括粉煤灰、礦渣、燒黏土等[22-24]，化學外加劑包括防水劑、膨脹劑、減水劑、緩凝劑等。在實際工程中，通常采用粉煤灰和高效減水劑雙摻技術進行大體積混凝土的溫度控制[25-26]。粉煤灰的摻入可以改善混凝土拌合物的工作性，同時顯著降低其早期水化熱。實驗表明，摻加15%（與水泥的質量比）的粉煤灰可以使水化熱降低約15%，且水泥的水化熱隨著粉煤灰摻量的增加而逐漸降低[4]。但粉煤灰摻量過多會降低混凝土早期強度、促進混凝土的收縮變形，因此實際應用中的粉煤灰最佳摻量應通過試驗進行確定。減水劑具有減水和增塑的功能，可以在保證混凝土坍落度和強度的條件下，減少拌合水用量，從而在一定程度上降低水化熱[26]。此外，為了補償混凝土的收縮變形，可以摻入適量的膨脹劑以引起混凝土的微膨脹，或者延緩混凝土自身的收縮過程，使其抗拉強度及抗壓強度得到充分發展[4]，從而在降低水化熱的基礎上增強混凝土結構的致密性。另有研究表明，納米MgO 作為一種新型膨脹劑，具有分布均勻、填充內部孔隙較多等優點，可以用于大體積混凝土中；而從控制原材料成本的角度考慮，輕燒MgO 和納米MgO 的復摻可以使混凝土產生更大、更安全的膨脹，從而更有利于大體積混凝土的收縮補償[27，28]。

2.2 改善施工工藝

改善大體積混凝土的施工工藝，可以有效控制結構內部的最高溫度，并降低混凝土內外溫差，從而達到減少溫度裂縫的目的。合理的施工工藝技術包括澆筑方法的選擇、特定的溫度控制施工措施，以及澆筑振搗工藝的實施等方面。

2.2.1 合理選擇澆筑方法

為了有效降低大體積混凝土的內外溫差，針對大體積混凝土澆筑體量較大的特點，應該采用薄層澆筑技術，遵循“分段定點、斜坡自流、薄層澆筑、循序推進、一次到頂”的原則[29]。采用薄層澆筑技術將大體量的混凝土拌合物逐層分解澆筑，不僅便于施工，而且增大了混凝土散熱面積，加速了結構內部熱量向外散發的速率，從而可以在一定程度上降低溫度應力，減小溫度裂縫出現的可能性。值得注意的是，采用分層澆筑時應合理選擇間隔時間。如果間隔時間過長，下層混凝土對新澆筑層的約束作用將增大，因此在兩層接縫面上容易產生垂直裂縫；間隔時間過短則不利于下層混凝土的充分散熱，甚至導致下層溫升過高，加劇裂縫的產生[4，30]。合適的間隔時間應使得由于新澆筑層覆蓋引起的下層混凝土的溫度升高幅度小于其被覆蓋之前的最高溫升值。但對于工期較緊且結構厚度較大的工程，也可以采用一次性澆筑技術，但其對施工過程的溫度控制要求較高，需要配合采取一些合理、有效的溫度控制施工措施。

2.2.2 控制澆筑溫度及內外溫差措施

合理有效的溫度控制施工措施包括控制混凝土拌合物進、出倉庫的溫度和澆筑溫度，以及調節混凝土澆筑時的內外溫差等。當環境溫度較高，尤其在炎熱夏季進行大體積混凝土的澆筑時，應采取相應措施降低混凝土拌合物的進倉、出倉溫度及澆筑溫度。例如，對砂石等原材料堆場進行適當的遮陽處理，在拌合混凝土之前采用水冷法或氣冷法等預先冷卻骨料，甚至加冰水攪拌等。同時，應盡可能縮短混凝土拌合物的運輸時間、加快倉儲速度，并對混凝土泵送管道采取覆蓋隔熱、循環水冷卻等措施[11-12，30]。此外，應該合理安排澆筑時間，宜選擇環境溫度適宜的季節或夜間。在澆筑過程中，可以采用預埋水管冷卻法降低混凝土的內部溫度，也可將冷卻水管內的循環水用于混凝土的表面養護，從而進一步降低混凝土的內外溫差[4，31]。

2.2.3 改進澆筑振搗工藝

為了進一步排除粗骨料周圍的空隙、增大骨料與漿體的粘結面積，從而達到減少混凝土內部微裂縫、提高混凝土結構密實度的目的，可在混凝土初凝之前進行二次振搗。對于加筋的大體積混凝土，鑒于鋼筋附近容易產生較大的溫度梯度，增加裂縫出現的可能性，因此在施工過程中，應加強鋼筋所在位置的振搗、壓實，以消除初始裂縫[29]。澆筑完成后，混凝土表面應根據標高用長標尺刮平，并用鐵輥滾動碾壓數次，再使用木抹子將混凝土表面壓實抹光，以提高施工質量、減少表面裂縫[29]。

2.3 合理安排后期養護及溫度監測

2.3.1 后期保溫保濕養護

大體積混凝土澆注完畢后需要通過加強后期保溫保濕養護措施來降低混凝土的內外溫差，常用的方法包括保溫法和蓄水法[32]。保溫法是在混凝土澆注體的表面和周圍覆蓋保溫隔熱材料（如塑料膜、濕砂、鋸末、草袋、泡沫海綿等），防止表層溫度驟降引起開裂[32]。在采用保溫法時，應根據現場實際情況選擇合適的保溫隔熱材料，并及時調整保溫隔熱材料的覆蓋厚度，從而有效降低溫度應力。對于大體積混凝土地下工程，混凝土脫模后應及時回填坑洞，利用地下土層充當保溫材料覆蓋在混凝土的表面，起到保溫和保濕的作用。蓄水法是采用蓄水的方式進行混凝土的保溫保濕養護，可以防止混凝土表面發生龜裂，蓄水深度需要根據實際溫度控制要求進行計算[4，32-33]。

2.3.2 后期溫度監測

在實際工程中，為了能夠及時采取措施控制大體積混凝土的內外溫差，對其內部和表面溫度進行監控，并采取一定的仿真模擬技術預測內外溫度變化是十分必要的。溫度監測工作在確?；炷羶炔亢捅砻鏈夭顫M足施工要求（GB50496—2018《大體積混凝土施工標準》中規定混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃）的同時，也可以用來確定結束后期養護的安全溫度[30，34]。實際工程中，應根據設計要求預先布置測溫點，嚴格控制測溫時間和測溫次數，并做好記錄，同時根據測溫數據采取措施調節混凝土散熱速率、控制內外溫差，比如增減表面覆蓋的保溫材料、升降冷卻水循環速率等，從而有效降低溫度應力、防止溫度裂縫的產生。

3 結論

大體積混凝土的溫度控制和防裂技術一直是一個復雜的問題，受到諸多因素的影響。水泥水化熱是影響大體積混凝土溫度應力，引發溫度裂縫的主要因素，而環境溫度的變化、外部約束及混凝土自身收縮等也是導致溫度裂縫產生的重要原因。大體積混凝土的溫度控制和防裂技術措施應該從誘發溫度裂縫產生的各種因素入手，進一步優化原材料選擇及配合比設計、改善施工工藝、合理安排養護及溫度監測等各個環節，并根據現場實際情況及時調整溫控措施，以減少或避免溫度裂縫的出現、強力保障最終的施工質量。