大體積混凝土熱工計算及裂控措施分析

紀紅松 朱 艷 夏修迪

一、概述

在大中型水利工程項目中，水閘（涵）底板大部分屬于典型的大體積混凝土構件。由于施工初期水泥水化熱釋放較為集中，溫升較快，而構件截面內散熱不均，形成了內外溫差，易使混凝土構件由表及里出現裂縫，若不加以重視和控制，會影響結構安全。山東省濟寧市某在建水閘底板構件施工期為冬季，通過對混凝土熱工計算制定了抗裂養護方案，將溫差應力值控制在20℃左右，較好地解決了構件內外溫差過大的問題。本文以該工程為例，對大體積混凝土的熱工計算及裂控措施進行分析和研究。

二、工程簡述

某水閘工程底板面積為25m×30m，厚度分別為4m 和2m。該結構為C30 鋼筋混凝土，抗滲等級W4，抗凍等級F50；抗裂材料由高效微膨脹組分、合成纖維、保水組分等多種材料復合構成，限制膨脹率滿足規范《混凝土膨脹劑》（GB23439-2009）指標要求；構件一次性澆筑混凝土2300m3左右。

三、裂縫成因分析

（一）裂縫變形的普遍性

大體積混凝土構件施工中裂縫變形具有普遍性。水工建筑物施工期呈現的表層裂縫寬度在0.1～0.2mm 之間屬微縫，這種裂縫經過一定時間的養護可以自愈。若出現大于0.2～0.3mm 的貫穿縫，則會影響結構使用，形成滲透。

（二）裂縫產生的規律

構件厚度越大，水泥用量越多，形成的裂縫機率就越大；構件截面中心部位絕熱值最大可達50℃左右，大于底部和表層面絕熱值，而截面內外溫差大于25℃時，就易形成裂縫。

（三）裂縫產生的原因

引起裂縫的原因主要有：荷載自身收縮過大、過快，材料配置不當；施工操作不當，養護不到位；水泥水化產生的絕熱值過大，構件內部熱量積聚不易散發，而外部散熱較快，且適逢冬季施工時表面溫度低于內部溫度，誘發溫差應力過大產生裂縫。

四、熱工計算

（一）熱工計算的必要性

水化熱的大小，與混凝土中水泥的品種和用量有關，而水泥水化后釋放的水化熱狀態，與表面裂縫和貫穿裂縫的產生緊密關聯，直接影響到建筑物整體使用安全。因此在大體積混凝土澆筑前應通過熱工計算，估算截面內外部可能產生的最大水化熱溫升值與溫差值，便于在施工中制定切實可行的技術方案，為裂控做好充分準備。

（二）熱工計算

1.計算依據及基本參數

計算根據《建筑施工手冊》（簡稱《手冊》），閘底板混凝土厚度為4m（2m），強度等級為C30，屬大體積混凝土，應對底板混凝土進行熱工計算，施工配合比見表1。砂子含水率5%，石子含水率5%；攪拌棚內溫度10℃，平均環境溫度10℃；采用混凝土罐車運輸，從混凝土出站到工地所需時間約30 分鐘；材料溫度值采用估算簡易值。

表1 C30 混凝土施工配合比表（單位：kg）

2.混凝土拌合物溫度計算

混凝土材料拌合溫度表見表2。

表2 混凝土材料拌合溫度表

T0=（CsTsms+CgTgmg+CcTcmc+CwTwmw+CfTfmf+CpTpmp+CwTsWs+CwTgWg）/（Csms+Cgmg+Ccmc+Cwmw+Cfmf+Cpmp+CwWs+CwWg）≈9.7℃

式中：T0—混凝土拌合物溫度（℃）；Ts、Tg、Tc、Tw、Tf、Tp—砂子、石子、水泥、拌和用水、粉煤灰、膨脹劑的溫度（℃）；mc、ms、mg、mp、mf、mw—水泥、砂子、石子、膨脹劑、粉煤灰和水的重量（kg）；Ws、Wg—砂子、石子中游離水的重量（kg）；Cc、Cs、Cg、Cp、Cf、Cw—水泥、砂子、石子、膨脹劑、粉煤灰及水的比熱容[kJ/（kg·K）]。

經計算，拌合物運輸到澆筑時溫度約為8.117℃，混凝土最高絕熱溫升為57.1℃，混凝土的內部最高溫度為51.98℃大于25℃，混凝土表面最高溫度為9.82℃，內外側最高溫度差為42.16℃。

五、熱工計算成果的分析

（一）溫差應力的形成

通過以上熱工理論計算，混凝土澆筑后，在絕熱狀態下溫升值較大，內外側溫度差為42.16℃大于25℃，此時產生的溫差應力要大于混凝土允許拉應力，使混凝土由表向內開裂，易形成貫通縫。

（二）理論絕熱值與實測值比較

根據資料，現場核心部位實測的最高溫度為49.8℃，計算值51.98℃。因此理論計算值與實測值基本接近，可作為配置導熱與散熱裝置的依據。

（三）不同厚度絕熱值數據不盡相同

復合式底板分為4m 與2m，其核心部位的現場實測溫度值有所不同，以3 天測溫最高值為例，4m底板測溫值為49.8℃，2m 底板測溫值為43.2℃。因此底板厚度不同，導熱、散熱裝置間距與數量的布置應做相應調整。

（四）構件施工后綜合養護的必要性

經計算，構件核心溫度值與表層溫度值相差42.16℃，需在混凝土內部預埋冷卻水管，降低水化絕熱值。冬季施工溫度低，構件表層面散熱快，應進行保溫，減少截面內外溫差值，避免裂縫產生。

六、控裂措施

（一）優化材料配置

（1）大體積混凝土中各種材料的摻量應通過配合比設計，并進行現場調試。要明確混凝土的初、終凝時間，混凝土3d、7d、28d 的收縮率，所選用外加劑的種類和技術要求，以及施工中控制的坍落度。（2）盡量減少水泥用量，選用低、中熱化水泥，C30 混凝土水泥用量控制在300～350kg/m3以內。（3）混凝土收縮主要是漿體收縮，可降低混凝土漿量體積，增加粗集料用量。骨料可使混凝土比單純的水泥漿具有更高的體積穩定性和更好的耐久性，骨料越大混凝土收縮率越小，對防止大體積混凝土表層龜裂有較好預防作用。

（二）添加外加劑

用減水劑來減少用水量；適當摻入磨細粉煤炭；摻加優質高效抗裂膨脹劑及摻加纖維材料，優化混凝土配合比，防止裂縫的發生和發展。

（三）對大體積混凝土進行養護

在混凝土體內布置導水管，輸水循環冷卻。4m厚底板可布置3 道導水管，分上中下布置；2m 厚底板布置二道，分下中二道。以4m 底板的實測數據為例，降溫后核心部位溫度為39.5℃，底板以下部位為37℃。頂面部采用塑料膜與稻草覆蓋，進行保溫保濕。經實測溫度為25℃，溫差值均控制在20℃左右，保證了大體積混凝土構件整體施工質量。

（四）對大體積混凝土內外溫度進行監測

在構件內部布置測溫感應裝置，加強對混凝土內部水化熱溫度進行跟蹤測量監控，不斷進行內部導熱和降溫，確保內外溫差得到有效控制■