大體積混凝土水化熱及溫控措施研究

摘 ?要：歸納總結北江（曲江烏石至三水河口）航道擴能升級工程白石窯樞紐船閘工程大體積混凝土施工中所采用的一些溫控防裂措施，包括對現場混凝土配合比的優化（原材料的選擇），合理的施工措施等方面提出了溫控防裂措施。

關鍵詞：大體積混凝土;水化熱溫度;溫控措施;溫度應力

中圖分類號：U445.57 ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：2096-6903（2021）11-0000-00

0引言

大型混凝土以其豐富的原材料、便捷的施工和較強的承重能力，在交通、水利、路橋施工等領域得到了廣泛的應用。由于大型混凝土結構體積大，凝膠材料含量豐富，在維護期間產生顯著的水熱液化反應，在內外溫差和外部環境的影響下，極易出現溫度裂縫，溫度裂縫控制不好會導致滲透裂縫的產生，造成永久性破壞，不利于工程的施工作業，破壞結構的正常功能。

1工程概況

1.1工程簡介

北江航道擴能升級工程主要的施工地段為船閘的重新構筑，航道底板的拓寬澆筑，這些工程需要在短時間內完成大量的澆筑工作，存在明顯的水化放熱現象，同時工程屬于一次性工程，不能出現二次修補的情況，因此控制溫度的產生，防止溫度應力帶來的危害為施工的重難點。

1.2溫度應力的危害

在澆筑大型混凝土結構的硬化過程中，凝膠材料產生大量熱量，但是產生的熱量散熱不均勻，結構中的溫度遠高于外部溫度。這種散熱不均帶來的結構內部溫度梯度將產生出各個部位所受的溫度應力不同的情況。如果溫度應力超過其允許值，則形成溫度裂縫，溫度控制不好導致滲透裂縫的產生。因此，在結構設計中，應減少拉伸應力的發生，或將拉伸應力控制在允許的拉伸強度內，以防止溫度裂縫的發生[1]。

2水化熱計算方法及熱傳導理論

2.1熱傳導理論

熱傳導是物體中沒有宏觀運動的傳熱現象，是高溫向低溫轉移的過程。熱傳導方程是計算大體積混凝土內部溫度場的基礎，混凝土的傳熱也遵循能量守恒規律：內部能量的增量U，等于吸收熱Q和外部內部工作功的總和。熱傳導示意圖如圖1所示。

2.2水泥水化熱計算

水泥水化熱是混凝土絕熱溫度升高的原因，水泥水化熱與水泥的礦物成分有關，是化學和物理反應的過程。水泥四大礦物質三硅酸鈣、二硅酸鈣、三鈣鋁、鐵鋁酸四種鈣與水連續快速反應并釋放出大量熱量。其計算公式為Q0=4/（7/Q7-3/Q3），Q0水泥最終水化熱，單位為kJ/kg;Q3、Q7齡期為3d、7d時累計的水化熱。

2.3 混凝土的絕熱溫升

混凝土絕熱溫度的升高是指混凝土對混凝土凝膠材料完全水化引起的熱轉換溫度，不與外界交換熱量，即熱損失為0。最好通過實驗獲得混凝土絕熱溫度升高，直接確定混凝土的絕熱溫度值，如果項目初始階段或材料缺乏也可以用實證表達來計算[2]，表達式如下：Tmax=Tp+ζTα+Tco， 式中 Tmax為澆筑結構完成時的最高溫度值（℃）;Tp為混凝土的初始溫度（℃）;ζ為溫度衰減系數，Tα為混凝土在不受外界影響下的理想溫度（℃），Tco為冷卻系統的降溫溫度（℃），一般實際工程當中只能達到2～4℃，冷卻系統降溫水管密集時可取最高值，反之取最低值，當沒有降溫系統時取0。溫度衰減系數則按國家標準數值進行選取，具體的實際數值按照下表對照工程施工情況進行合理有效的選取，確保在缺乏測量設備時能夠計算出比較準確的混凝土絕熱溫度，為后面的其他參數的計算做好基礎工作[3]。見表1。

3溫控措施

3.1合理選擇外加劑

外加劑的選擇需要在保證工程強度達到設計標準的前提下，選用其他的化學輔助劑來減少水或者水泥的使用量。其中，常用的是膨脹劑、減水劑和防水劑等化學輔劑，比較常見的是燒結黏土、渣土和粉煤灰等礦物混合物。控制大體積混凝土的溫度主要手段是使用高效的減水劑和粉煤灰雙混合的技術。粉煤灰的加入可以顯著減少早期水化熱量，并大大改善混合物的功能。研究表明，采用化學輔助劑和其他材料混合的情況下能夠減少約15%的水化熱的產生，水泥使用量可降低15%左右，隨著煤粉灰比例的增加所產生的熱量相應的減少。然而，隨著煤粉灰的比例的增加，混凝土的膨脹系數和結構強度也在相應的降低，最終導致結構強度不達標的問題，因此通過前期的實驗工作，在保證強度的基礎上，添加減水劑可減少混合水的量，發揮可塑性、降水性等作用。此外，通過添加少部分的膨脹劑，既可以填補因為煤粉灰帶來的膨脹度不足的問題，又延緩混凝土的塌縮過程，能夠得到充分的時間對混凝土進行降溫工作。在降低混凝土水化熱量的前提下，增加結構的緊湊性。實踐證明，新型納米膨脹劑MgO具有空隙填充大和分布均勻的特點，在大體積混凝土的制備中具有廣泛的適用性。從成本控制的角度來看，納米MgO和光燃MgO的結合具有更安全、更大的應用范圍，為混凝土收縮補償提供了更有效的解決辦法。

3.2選擇低熱水泥及骨料

減少熱量的產生，要從材料的本質出發，經過實際測算得知，選用低熱量的水泥能夠大幅度減少熱量的產生，具體為每單位低熱量水泥能夠比傳統的水泥減少約1℃的混凝土絕熱溫度，同時采用高膨系數的骨料也可以減少熱量的產生，膨脹系數越高的骨料能夠給水泥帶來更高的膨脹度和整體質量，這樣能夠減少水泥的使用從而降低熱量的產生。如果將混凝土混合物與連續聚合物配置，則占用體積相對較高，輕度較好，可減少水泥量，保證混凝土強度，從而起到間接減少水化熱耗的作用。粗料的最大顆粒尺寸應充分考慮施工過程的條件和匹配比例設計的實際要求，確定細骨塊直徑2.6～2.9mm是否合適，應選擇優質粗砂和中砂，并根據設計要求，盡量減少砂。

選擇骨料。在選擇大體積混凝土細骨料時，材料應優先使用優質中砂。根據行業測試數據，使用細度系數為2.9、平均顆粒大小為0.38mm的中砂時，同時加入細度為2.12、平均顆粒大小為0.33mm的細砂可減少每立方米混凝土28～35KG的水泥用量和20～25KG的混凝土的耗水量，抑制化學反應引起的熱量釋放和混凝土收縮。礫石混合物質地均勻、堅固，顆粒形狀良好，孔隙率小，表面清潔，吸水率低，膨脹線性系數低。河砂應重點控制污泥含量（≤2%）、污泥含量（≤1%）和細度系數（2.5-3.0）等關鍵指標。

在選擇大體積混凝土粗骨料時，選擇礫石作為要填筑的粗骨料，采用連續分級的粗骨料的混凝土具有良好的可加工性、低耗水量和低水泥消耗性，使混合混凝土更加均勻、密集，具有良好的抗裂性和壓縮強度。相關試驗數據顯示，5～40mm粒徑石料與每立方米5～20mm石料混凝土相同的水灰比例可減少20KG水泥用量和約15KG耗水量。將水化熱降低2℃，礫石應注意質量控制，礫石松堆連續孔隙率≤45%，碎石破碎程度值（≤20%）、污泥含量（≤1%）、大塊泥塊含量（≤0.5%）、針狀片狀顆粒含量（≤8%）等重要指標。

3.3礦物摻和料的選擇

將礦物混合物混合在混凝土中，可降低水泥消耗，提高混凝土結構的耐久性，提高混凝土性能，提供良好的經濟效益。同時，添加礦物混合物可以提高混凝土的抗裂性，因此在制作混凝土時，應考慮添加合適的礦物混合物。常見的礦物混合物是粉煤灰、渣、硅粉和石粉，粉煤灰是火山灰的活性材料，與混凝土以適當的比例混合，可減少初始熱水化，減少干收縮，提高混凝土和減水的易感性，提高混凝土的強度，顯著提高混凝土的耐久性。混凝土配比中混合的粉煤灰量應適當，不要太低或太高。太低無法達到效果，過高會導致混凝土初始強度低，水溫低。因此，在確定粉煤灰量時，必須確保滿足相關技術要求，滿足施工要求。

3.4出機口溫度控制措施

通過對水泥、粉煤灰、粗細骨料、拌和用水等原材料的溫度控制來達到控制出機口溫度的目的，原材料主要通過下述方法控制：

控制水泥和粉煤灰的罐體溫度。具體罐體溫度為：1月至4月、11月至12月，水泥的入罐溫度控制在60°以下，粉煤灰的入罐溫度控制在40°以下;6月份的水泥溫度應當低于80°，粉煤灰低于50°;5月份水泥溫度低于70°，粉煤灰低于50°;在7月和8月水泥的入罐溫度低于95°，粉煤灰低于60°。不要超過控制值，否則拒絕進行澆筑作業。9月份水泥溫度低于80°，粉煤灰低于50°。同時在夏季需要在水泥罐、粉煤灰罐中設置罐噴系統，噴灑系統用井水或深水區北江水冷卻，使罐體冷卻，避免罐體水泥和粉煤灰溫度升高。

骨料倉、漏斗、進料帶等均采用彩色鋼瓦遮蔭，其中骨料倉需要設置噴霧冷卻系統。噴水冷卻系統的任務是通過高壓泵從井下或北江深水區通過高壓泵將水從井下或深水區轉移，并將細霧化水蒸氣均勻地噴灑在骨料的表面和上部空間，一方面通過蒸發水蒸氣實現骨冷卻的目標，另一方面，在人工遮陰下形成人工氣候環境，使棚子始終保持濕潤狀態，有效地與外界熱源隔絕。高壓噴嘴的有效覆蓋面為4.0m×4.0m，為確保冷卻效果，噴嘴的距離為3.0m×3.0m。

3.5改善施工工藝

改進施工工藝可以有效降低混凝土內外的溫差，充分控制結構內的最高溫度，減少溫度裂縫[4]。這包括實施澆筑振搗過程、具體的溫度控制措施以及選擇合理施工技術的澆筑方法，具體如下：

（1）內外溫差及澆筑溫度控制措施。目前，控制大體積混凝土澆筑過程中的溫度梯度問題最有效的辦法就是控制混凝土澆筑時混凝土的初始溫度、出倉溫度和冷卻溫度的一致性。除了保證混凝土自身的溫度外，還要克服外界溫度帶來的影響，特別是夏天因為晝夜溫差大帶來的溫度應力集中的問題，應采取有效措施降低溫度。例如，適合防曬的原料場，采用空氣冷卻或水冷工藝，如混凝土混合物前的預冷卻，也可在必要時與冰水混合。此外，要加快酸混合物的儲存速度、運輸時間。采取冷卻循環水系統降溫時需要提前在降溫目標內埋設水管，然后嚴格控制通水時間和水循環速度的控制，降低澆筑板塊內外的溫差，保證澆筑工作的順利進行[5]。

（2）澆筑方法的合理選擇。根據澆筑體積大的特點，可以選擇薄層澆筑技術，工藝應遵循"分段定點、順序驅動、傾斜自流、一次向上、薄膜澆筑"的原則。薄膜澆筑技術利用大量的混凝土混合材料逐層分解澆筑，有助于加快內部向外熱分布，增加混凝土冷卻面，在一定程度上增加工程結構，降低溫度裂縫和混凝土溫度負荷的可能性。在實際工程中，制定詳細的分層澆筑計劃，避免因為上下層澆筑時間不統一帶來的應力集中，導致垂直方向上的裂縫。或者是因為太小的時間間隔，導致各層中的熱量來不及散發，從而造成熱脹冷縮問題，使澆筑結構產生裂縫。因此需要以第一層澆筑的時間和溫度作為基準值，在這個基準之上，合理設置澆筑時間和體量。

4結語

本文系統分析了大體積混凝土水化熱和提出了溫度控制措施，結合現場監測的數據和理論數值計算及施工過程中采用的溫度控制和裂縫預防措施，總結得出了一些有價值的結論，但在最初的數值計算中假設了許多理論條件，與實際參數值有部分偏差，仍有待進一步研究改進。

參考文獻

[1]JTS 202-1-2010.水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規程[S].

[2]GB 50164-2011.混凝土質量控制標準[S].

[3]王建軍，梁軍林，周勝波，等.基于Midas的拱座基礎大體積混凝土溫度影響因素分析[J].中外公路，2019，39（2）：89-93.

[4]袁春.船閘工程大體積混凝土裂縫成因及控制[J].珠江水運，2020（19）：99-100.

[5]李原.大體積混凝土溫度控制措施的應用探析[J].安徽建筑，2021，28（9）：219-220.

收稿日期：2021-10-02

作者簡介：李洪恩（1992—），男，河南南陽人，本科，助理工程師，研究方向：水工施工。

Abstract：This paper summarizes some temperature control and crack prevention measures adopted in the mass concrete construction of Baishiyao junction ship lock project of Beijiang （Qujiang Wushi to Sanshui estuary） channel expansion and upgrading project， including the optimization of on-site concrete mix proportion （selection of raw materials）， reasonable construction measures， and puts forward temperature control and crack prevention measures.

Key words： Mass concrete; Hydration heat temperature; Temperature control measures; Temperature stress