夏季大體積混凝土墻體溫控防裂的研究與應用

楊 帥，劉長武，楊玉廣，吳振勇

（德州市水利局，山東 德州 253000）

隨著社會經濟的進步和建設工程的發展，大體積混凝土因其具有良好的強度、耐久性、能源效率和成本效益等優勢，被廣泛應用于水利、工民建及橋梁等工程建設領域，并常見于壩體、底板基礎、橋墩等結構，而在豎向墻體結構卻很少應用。豎向墻體結構往往具有高厚比大、穩定性差，易跑模、無縫施工困難，易產生溫度裂縫等諸多施工難點，施工控制難度相對其他大體積混凝土結構更大。溫度裂縫控制是諸多難點中尤為關鍵的問題，也是眾多工程建設領域學者重點研究的課題。在大體積混凝土結構中，溫度控制的主要目標是防止混凝土中心和表面之間因溫差而引起的裂縫。為了實現這一目標，研究人員探索了各種溫度控制方法，大致可歸納為被動控制和主動控制。被動控制是使用低熱水泥、粉煤灰、礦渣和其他輔助膠凝材料。這些材料可以降低混凝土養護初期的發熱量，從而降低大體積混凝土內部溫升[1，2]。主動控制使用冷卻管道、冷卻系統和PCM 材料。在大體積混凝土體中嵌入冷卻管道，通入冷卻水循環，從而降低混凝土的溫升。冷卻系統，如風冷和水冷系統，用來冷卻混凝土塊的表面。PCM 可以在養護過程中吸收和釋放熱量，從而保持混凝土的恒定溫度[3-5]。除上述控制措施外，研究者還探索了利用數值模型模擬大體積混凝土結構中的溫度分布，這些模型可用于混凝土體溫升的預測和溫控系統的優化設計[6-9]。

有不少學者對豎向墻體這種非常規大體積混凝土結構展開探討。研究發現，墻體結構因其高厚比大的獨特性，施工過程控制和后期養護顯得尤為重要[10-14]。與此同時，鮮有學者聚焦高溫天氣條件下大體積混凝土的研究，從現有文獻來看，謝國財等[15]、王東等[16]的研究表明，夏季高溫季節會使混凝土水分散失和表面干縮加快，防止裂縫難度增大。

1 工程概況

本文以丁東水庫向第四水廠供水泵站為研究對象。本工程主要建筑物為吸水池、主廠房、副廠房等。其中，吸水池池底標高12.6 m，池頂標高26 m，高差13.4 m，周長59.1 m，頂部拉梁4道，截面0.5 m×0.7 m，梁凈跨8.5 m，頂部內側設計有0.5 m×0.2 m 混凝土頂板，混凝土強度等級C30，抗凍等級F150，抗滲等級W4，屬于大體積混凝土結構。施工正值夏季最熱的8 月，根據本地區溫度檢測數據，溫度20～35 ℃，環境濕度70%～80%，因其結構重度大、振搗困難且天氣溫度高易產生溫度裂縫，需有針對性進行裂縫控制。

2 混凝土配合比的確定

研究發現[17-19]，大體積混凝土除應滿足所要求的混凝土力學性能及施工性能外，還應控制水化熱過高導致的病害。有些大體積混凝土設計強度等級不是很高，可帶來以下優勢。

（1）減少熱裂縫的發生。大體積混凝土在澆筑和養護期間會發生熱變形，因此需要控制其溫度。中低強度等級混凝土具有較低的熱發生率和熱變形能力，可以降低混凝土內外溫差，減少熱裂縫的發生。

（2）增加混凝土的可塑性。中低強度等級混凝土中的石子較小，沙子較多，水膠比較大，具有較好的可塑性，有利于混凝土的施工和養護。

（3）降低混凝土的成本。中低強度等級混凝土的材料成本較低，可以降低大體積混凝土結構的總成本。

總的來說，使用中低強度等級混凝土主要目的是解決大體積混凝土結構的溫度變形、收縮開裂等問題，同時也有利于施工和降低成本。在設計配合比時，首選低水化熱和低收縮性的水泥品種，3、7 d水化熱應低于250、280 kJ/kg。其次骨料的選擇對混凝土收縮起著重要的作用，細骨料選用細度模數2.3以上、含泥量低于3%、吸水率低的中砂為宜；粗骨料應選用連續級配，粒徑5.0～31.5 mm，含泥量低于1%，砂率在38%～45%。最后應控制用水量和外加劑的摻量，用水量不大于170 kg/m3，使用減水劑后可減少20%～40%的用水量，滿足水膠比不大于0.45的要求。

進水池施工正值夏季高溫天氣，在這種極端溫度條件下，大體積混凝土澆筑后的特性會受到顯著不利影響。因此，通過優化混凝土配合比，適當提高水膠比，增加流動性，有利于混凝土的充填和密實，可以在一定程度上減少施工難度。大體積混凝土豎向墻體結構設計配合比，詳見表1。

表1 混凝土配合比

3 模板的選擇

在高溫天氣下，選擇適當的混凝土模板是確保大體積混凝土澆筑質量的一個關鍵因素。

（1）選擇具有較高耐熱性能的模板材料，如鋼模板或耐火木模板等，這些模板能夠承受高溫下混凝土的熱膨脹和收縮。

（2）選擇具有較好防粘性能的模板材料，這樣可以減少模板與混凝土表面之間的摩擦力，從而減少模板拆卸時對混凝土表面的影響。

（3）選擇導熱系數大的模板材料。不同類型的模板因其材質不同，熱學性能存在差異，這種差異會影響混凝土內外溫差和降溫速率。查閱相關資料發現[20]，木模板和鋼模板導熱系數分別為0.84、163.3 kJ/（m·h·℃），相應的等效表面熱交換系數分別為33.75 、82.64 kJ/（m2·h·℃）。提高導熱性能，能夠更快地散熱，減少熱量積累，有助于保持混凝土的溫度在適宜范圍內，防止混凝土產生開裂或其他損壞。

（4）選用結構穩定性好的模板。模板作為混凝土澆筑成形的模殼和支架，在整個施工過程中都應保持結構的形狀和尺寸不變，尤其是對精度要求非常高的建筑結構來說非常重要。

由此可見，針對本工程大體積混凝土豎向墻體結構夏季高溫施工來說，使用鋼模板除了具有較好的結構穩定性外，更利于混凝土內部熱量快速散出，減少熱裂縫發生。鋼模板類型，如圖1所示。

圖1 鋼模板結構示意

4 松模、拆模時間的確定

為確保在混凝土澆筑過程中模板及支撐體系穩定性，混凝土澆筑采用由下向上分層澆筑，每層澆筑厚度為60 cm。設置2 臺泵車，前期澆筑速度要快，每臺泵車澆筑速度為40 m3/h。在澆筑到第6層即高度3.6 m 后，降低澆筑速度為30 m3/h。此時距離第一批澆筑時間約2.7 h，第一批混凝土開始初凝，按此澆筑速度，可保證每澆筑一批、底部初凝一批，預計13 h全部澆筑完成。

一般來說，大體積混凝土的松模時間應該在混凝土達到足夠強度和穩定性的前提下，盡可能地縮短模板與混凝土之間的約束時間，以避免過早或過晚松模對混凝土結構產生不利影響。模板過早松離，混凝土可能會因為失去約束而出現變形、開裂等問題，從而降低混凝土的強度和穩定性；而過晚可能會導致混凝土內部的收縮應力受到限制，從而導致混凝土表面出現裂縫或缺陷。因此，松模時間應選在大體積混凝土內部溫度到達峰值后開始下降前[21]。為了確定松模時間，在豎向墻體結構高度方向從下到上依次布置電子測溫探頭，用于實時監測結構內部中心點溫度。墻體測溫點布置，如圖2所示。

圖2 墻體測溫點布置

豎向墻體結構內部溫度變化情況，如圖3 所示。混凝土澆筑42 h后達到溫度峰值，維持約6 h后開始降溫，因此大體積混凝土墻體結構松模時間選在澆筑后第2 天進行，拆模時間選在結構內外溫差變化不多、其表面溫度趨于環境溫度的第7天進行。

圖3 墻體內部實測溫度數據

5 墻體養護

5.1 帶模養護

松模時間確定后，應松動模板對拉螺栓，使模板與墻體表面之間留有5 mm左右空隙，形成從上到下的流水通道，灑水的頻率和用量應根據氣溫、濕度和混凝土的類型等因素進行調整。一般來說，灑水頻率應為3～4 次/d，用量控制在墻體基礎積水能及時排出為宜，保證混凝土表面長時間濕潤。總之，采用帶模養護更有利于墻體的保溫保濕，避免墻體與外部環境直接接觸致使表面溫度陡降、內外溫差過大，進而造成溫度裂縫。

5.2 噴淋養護

拆模完成后，需要對大體積混凝土墻體表面進行噴淋加濕處理。本工程研制一種新型噴淋裝置，如圖4 所示。沿墻體頂部四周內外兩側布設噴淋管，噴淋管外徑為25 mm，每500 mm 安裝1 組噴淋頭，通過調節管可以靈活改變噴灑方向，確保噴淋水能夠在墻體表面均勻散射開，并且相鄰的噴射范圍有一定的重合，避免漏噴。

圖4 噴淋裝置結構示意

采用噴淋系統養護，可以降低混凝土表面溫度，減緩混凝土后期水化反應速度，使混凝土內部的水化反應更加充分，從而減少混凝土表面開裂風險，提高混凝土的強度和耐久性。同時，該噴淋系統解決了豎向結構人工灑水養護連續性差、不均勻的難題，實現了養護的持續性，降低了施工成本，節約了施工用水，達到了綠色施工目的。

6 結語

丁東水庫向第四水廠供水泵站進水池屬于大體積混凝土豎向墻體結構，需滿足抗滲抗凍要求，同時施工正值本地區夏季高溫天氣，溫控防裂是非常重要的問題。為避免溫度裂縫，確保混凝土澆筑質量，從混凝土配合比、模板選擇、松拆模時間及后期養護等方面提出溫控防裂措施，最大限度減小了大體積混凝土溫差影響，保證了混凝土豎向墻體結構的質量和安全。