大體積水工混凝土溫度應力及裂縫控制

胡星，鄢煜川

（1.中鐵水利水電規劃設計集團有限公司，江西 南昌 330029；2.江西省鄱陽湖水利樞紐建設辦公室，江西 南昌 330046）

1 大體積水工混凝土的特性

混凝土屬于脆性材料，當其受到來自外界或者來自自身內部的收縮力時很可能會有裂縫產生。由于混凝土自身具有的水化熱的特性，通常會造成混凝土內部產生高溫。在溫度較高時混凝土的彈性模量會下降，混凝土不會產生大的變形。隨著大體積水工混凝土內部溫度下降彈性模量增大，相應地會發生較大的變形。當混凝土變形的程度超出其最大受拉能力，裂縫就會在混凝土結構中形成。

2 大體積水工混凝土裂縫成因

2.1 混凝土水化熱

混凝土水化熱是指在水工大體積混凝土進行澆筑操作時，水和水泥的攪拌混合有大量的熱量產生。而且混凝土中水泥量的增多會造成水化熱的增高，如果熱量不能迅速散發到外界就會滯留在內部致使其內部溫度增加。而在混凝土外部，因為水分的蒸發散熱致使外部溫度下降，因此混凝土內部和外部會形成較大的溫度差異。在這種溫差作用之下，外部遇冷收縮形成的應力和內部溫度過高膨脹形成的應力會產生相互作用導致裂縫在混凝土中產生。

2.2 外界溫度改變

在各種影響水工大體積施工過程的因素中，外界的溫度是當中影響作用較大的一個。因為外界溫度的改變會對混凝土內部和外部結構之間的溫度差異造成影響，進而可能會威脅到混凝土的施工質量。在澆灌過程中，混凝土結構外部的溫度降低到一定水平，可以造成混凝土結構溫度不均勻，混凝土會因為無法承受因此形成的溫度應力而形成裂縫；而如果外界溫度上升到一定程度，會不利于澆筑時混凝土內部的散熱致使混凝土內部熱量集聚形成溫差，這也會使形成溫度裂縫的概率上升。

2.3 混凝土收縮

混凝土在經歷攪拌之后會硬化和體積縮小，與水泥自身的特性有關。比如鋼筋和混凝土模板拉應力的產生，裂縫會在拉應力的大小大過混凝土的最大承受能力時在混凝土中形成。另外，不同收縮原因會造成混凝土形成不同的收縮類型，比如自收縮、干裂紋和溫度收縮等。其中自收縮的形成是因為水泥和水在攪拌之后發生了泥漿反應，因此形成了C-S-H凝膠并吸收超過半數的水泥漿體，最終會導致混凝土的體積縮小8%左右。

2.4 混凝土荷載過重

雖然大體積混凝土結構能夠承受較大的壓力，但是如果承受過重的負荷也會造成裂縫的產生。其主要原因是因為過重壓力的承擔造成混凝土發生了變形，這與混凝土結構的設計有較大的關聯。所以在進行混凝土結構的設計時，如果構建的模型脫離實際而且計算過于理想化，很容易造成實際結構狀態與設想不相符，而且混凝土模型中存在的內力會導致裂縫產生。

3 溫度應力及力學性能

混凝土抗拉強度與時間的關系式為：

式（1）中：t 是指混凝土的齡期，ft（t）代表齡期為t 的混凝土抗拉強度，其隨時間的變化趨勢如圖1所示。

圖1 混凝土抗拉強度變化圖

另外，混凝土的彈性模量與齡期的關系可以表示為：

式（2）中：Ec是指齡期為二十八天的混凝土彈性模量。在混凝土溫度下降過程中，由于齡期的累計增長，其彈性模量會同時上升，處于各個齡期的混凝土溫度應力的計算公式如下：

圖2 溫度應力和抗拉強度變化關系圖

從上述的規律分析可以發現，伴隨著溫度的降低，混凝土的溫度應力會反之增高，其抗拉強度則會隨著齡期增長逐漸變大，而且增長的規律呈現出初期增長變化速度快而后期變化速度較小的特征。因此，在實際施工中可以對大體積水工混凝土在齡期達到28 d前進行驗算，評估混凝土是否可以抵抗溫度應力帶來的壓力，確保形成的溫度應力的大小水平低于混凝土的抗拉強度水平。

4 實例分析

4.1 工程概況

某新建泄洪水閘為3 孔，閘底板和閘墩設計為整體結構，泄洪水閘上游混凝土厚度3.50 m，中部最大厚度6.50 m，下游厚度2.50 m，采用C30混凝土進行施工澆筑。

4.2 模型參數與結果分析

考慮到溫度場計算的合理和計算時間的要求，建模時兼顧水閘結構和基巖的尺寸，以該水閘閘墩及底板結構為原型進行仿真分析，有限元網格及計算坐標系如圖3所示。

圖3 閘墩有限元剖分圖

在不同工況下，使用ANSYS 軟件對閘墩混凝土溫度應力進行仿真分析，得到底板中心點和倉面點、閘墩中心點和倉面點溫度歷時曲線分別如圖4、圖5所示。

圖4 底板中心點和倉面點溫度歷時曲線圖

圖5 閘墩中心點和倉面點溫度歷時曲線圖

由圖4、圖5可知，在沒有任何表面保溫和內部冷卻措施的情況下，閘墩強約束區（底板附近）內部點最高溫48.95℃，閘墩內部點最高溫51.80℃，在澆筑后約3.50 d 出現。底板和閘墩的最大內外溫差都在第4 天出現，底板為28.16℃閘墩為28.12℃。在這樣的內外溫差之下，若不采取溫控措施，則不論在早齡期的閘墩表面還是晚齡期的內部，均存在較大的開裂。因此必須進行早期表面保溫，降低內外溫差，并配合內部水管冷卻，此舉可降低內外溫差。

4.3 擬采溫控措施

4.3.1 原材料選擇

首先，選取的凝膠材料應具有低水化熱的特性。在開展混凝土的配制時，選取水化熱較低的水泥能夠有效緩解混凝土澆筑中出現的溫差過大的狀況。挑選摻合料時，則應該選擇類似粉煤灰類的組成成分均勻且性能較為均衡的材料；其次，配制混凝土時必須要使用高質量、優性能的減水劑，因為好的減水劑能夠在提升混凝土的性能、改善和易性的同時做到很大程度地節約各項原材料在混凝土配置中的投入量；再次，挑選的骨料需有合適的級配且清潔、堅硬。其中，天然砂以及人工砂細度模數的范圍分別要處于2.10～2.90以及2.30～2.70。而對于粗骨料，通暢選擇的級配是四級配，其最大顆粒直徑是150 mm。粗骨料在投入使用前需要清洗泥沙并除去表面存在的水分，粗細骨料兩者的含泥量通常都把控1%以下。

4.3.2 澆筑溫度控制

混凝土澆筑時溫度的上升很容易對混凝土的各項性能造成破壞。可以采取以下三種措施：第一，在混凝土中鋪設冷水管，這樣能夠有效控制澆筑時混凝土的溫度；第二，可以利用噴霧器在混凝土澆筑施工過程中進行噴霧，噴霧的出現能夠造成低溫小氣候的產生，進而能夠有效降低混凝土的外部溫度；第三，可以在施工過程中設置遮陽棚，以避免外部陽光過度曝曬沙石使其表面溫度升高。在實際的施工中，具體的操作步驟是先將冷水管埋設在混凝土中，然后冷水應該在進行混凝土澆筑操作時注入，管道內的液體在運動過程中可以吸收很多熱量。另外，埋設水管內引入的冷水最好是取自深層的地下水（地下水溫度低），抽水時最好要使用兩臺以上的水泵同時運作。

4.3.3 溫度裂縫控制

大體積混凝土澆筑需要確保澆筑順序、方向等的正確性，混凝土澆筑完成后需要做好養護，把控好濕度以及溫度，確保混凝土表面在養護階段始終保持濕潤。養護期間外部環境出現溫度過低的情況，需要使用具有保溫性能的外罩覆蓋在混凝土表面；養護期間外部環境過高，則應該使用土工布遮蔽混凝土結構外部，同時要定期灑水來控制溫度。如果混凝土結構內部鋪設有冷水管，則需要保證管內冷水的持續供應，定期檢測冷水管道進出口的溫度，監控溫度水平。

5 結論

在實際的水工大體積混凝土施工中，采取必要的溫控措施對于減少混凝土裂縫產生來說是十分重要的。應該合理科學地設計水工大體積建筑的結構，選取最佳的施工材料，嚴格監測把控混凝土的溫度，保證施工各環節操作的規范化，做好水利建設工程質量的保障工作。