大体积混凝土的温控与防裂

大体积混凝土的温控与防裂

摘要：在混凝土结构物中广泛存在由于温度效应(主要有温度应力和温度变形)引起的裂缝并造成危害等现象，本文简要分析混凝土温控的目的和内容以及混凝土出现裂缝的判断依据基础上，着重分析了控制温度应力、防止裂缝的技术措施，提出了永久保温可有效降低外界温度变化对大体积混凝土温度的影响，有效控制表面裂缝出现。

关键词：温控，防裂，大体积混凝土，表面裂缝

一、前言

随着我国建筑行业施工技术的不断提高，大体积混凝土技术已广泛应用于工程项目中，大体积混凝土的裂缝及其防治是该行业的重大技术问题，因此研究温度控制与防裂措施具有相当重要的意义。

二、温度控制要点和温度裂缝产生原因

大体积混凝土的温度控制是混凝土建筑物设计中的重要问题，对于保证大体积混凝土工程的质量、加快施工进度等方面，起到关键性作用。在混凝土温度控制设计中，一般以基础温差的设计为重点，以单独浇注块的温度应力为理论基础，在限制应力或应变的条件下估算允许温差。实践表明，浇注块的分块尺寸越小，应力越小，基础允许温差就越大。

混凝土标号高，防裂能力强，但因水泥用量增加，故水化热温升也较高，从而使浇筑块早期约束应力较大，后期冷却约束拉应力也较大。浇筑层厚度对水化热温升有直接的影响，薄层浇筑水化热温升较低，冷却后约束应力较小。一般浇筑块高度超过4.5m时，构筑物内部混凝土基本上处于不散热的绝热状态。

大体积混凝土的温度控制，其关键是掌握混凝土的温度变化规律和将温度应力控制在混凝土的允许范围之内。在施工过程中，混凝土温度场和应力场的变化过程是相当复杂的。在设计计算中，需要模拟实际施工过程，考虑各种复杂因素，例如混凝土的弹性模量、线胀系数、徐变、抗拉强度、极限拉伸值、热力学指标、温度、荷载、自生体积变形等。

大体积混凝土结构，浇注后水泥的水化热很大，由于混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不易散发，混凝土的内部温度将显著升高，而混凝土表面则散热较快，这样形成较大的温度梯度，引起较大的表面拉应力而超过混凝土极限抗压强度，就会在混凝土表面产生表面裂缝。这种裂缝多发生在混凝土浇注后的升温阶段。如果此时混凝土表面不能保持潮湿的养护环境，则混凝土表面由于水分

蒸发较快而使初期的混凝土产生干缩，加剧裂缝的产生。这是混凝土浇注后由于温升产生的第一种裂缝。

温升影响产生的第二种裂缝为收缩裂缝。这种裂缝产生在混凝土的温降阶段，由于逐渐散热而产生收缩，再加上混凝土硬化过程中，由于混凝土内部拌和水的水化和蒸发，以及胶质体的胶凝等作用，促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩，在收缩时由于受到基底或结构本身的约束，会产生很大的收缩应力，如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限拉升强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝，这种裂缝有时会贯穿全断面，成为结构性裂缝，带来严重的危害。

三、控制温度应力、防止裂缝的技术措施

为了防止产生危害性的裂缝，必须采取一系列技术措施包括合理选择混凝土原材料，严格控制施工质量，严格控制混凝土温度，选择合理的分缝分块和结构形式等。传统的预防措施如下：

（一）水泥水化热温度

1、选用低热或中热水泥（如矿渣水泥、火山灰质水泥或粉煤灰水泥）配制混凝土。

2、使用粗骨料：渗加粉煤灰等渗和料、或渗加减水剂，改善和易性，降低水灰比，控制塌落度，减少水泥用量，降低水化热量。

3、利用混凝土后期（90天、180天）强度，降低水泥用量。

4、在基础内部预埋冷却水管，通入循环冷却水，降低混凝土水化热温度。

5、在厚大无筋或稀筋的厚大混凝土中，掺加20%以下的块石吸热，并节省混凝土。

（二）降低混凝土浇灌入模温度

1、避开热天选择较低温季节浇筑混凝土：对现浇量不大的块体，安排在下午3时以后或夜间浇筑。

2、夏季采用低温水或冰水拌制混凝土，对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷，或对骨料进行护盖或设置遮阳装置，运输工具加盖防止日晒，降低混凝土拌和物温度。

3、掺加缓凝型减水剂。采取薄层浇灌，每层厚20～30cm，减缓浇筑强度，利用浇筑面散热。

4、在基础内设通风和加强通风加速热量散发。

（三）提高混凝土极限拉伸强度

1、选择良好级配的粗骨料，严格控制其含泥量，加强混凝土振捣，提高混凝土的密实度和抗拉强度，减少收缩，保证施工质量。

2、采取二次投料法，二次振捣法，浇筑后及时排除表面泌水，以提高混凝土强度。

3、在基础内设置必要的温度配筋，在基础突然变化、转折部位，底板与墙转折处、孔洞转角及周边部位，增加斜向构造配筋，以改善应力集中。

4、在基础与墙、地坑等接缝部位，适当增大配筋率，设暗梁，以减轻边缘效应，提高抗拉伸强度，控制混凝土裂缝开展。

5、加强混凝土的早期养护，提高早期相应龄期的抗拉强度和弹性模量。

（四）目前国内应用比较广泛的工艺和措施：

在大体积混凝土结构内一旦出现大的裂缝，要通过修补以恢复结构的整体性实际上是很困难的。因此，对于大体积混凝土结构的裂缝，应以预防为主。由于裂缝问题牵涉的因素较多，施工周期较长，经验表明，要完全防止大体积混凝土结构的裂缝，既有可能，又很不容易，需要精心设计、精心施工。防止大体积混凝土结构的裂缝，应从以下几方面着手。

1、选择合理的结构形式和分缝分块

在设计阶段应充分重视结构形式对温度应力和裂缝问题的影响，特别是在寒冷地区，应尽量少用对温度变化很敏感的薄壁结构。浇筑块尺寸对温度应力有重要影响，浇筑块越大，温度应力也越大，越容易产生裂缝，因此，合理的分缝分块对防止裂缝有重要意义。当浇筑块尺寸控制在15m×15m左右时，温度应力已经比较小，基础约束高度也只有3~4m左右。在气候温和地区，裂缝的可能性较小，但在寒冷地区，由于温差过大，这种尺寸的浇筑块仍然难免出现大量裂缝，需要严格的保温措施。

2、选择混凝土原材料、优化混凝土配合比

选择混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能力，就是要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小、线性膨胀系数较小、自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。

(1)选择水泥。内部混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两方面的要求，一般采用低热矿渣水泥、中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥掺入一定量的粉煤灰。外部混凝土除了要求抗裂性能外，还要求抗冻融性、耐磨性、抗蚀性、强度较高及干缩较小，因此一般采用较高标号的中热硅酸盐水泥。当环境水具有硫酸盐侵蚀性时，应采用抗硫酸盐水泥。(2)掺用混合材料。掺用混合材料的目的在于降低混凝土的绝热温升、提高混凝土抗裂能力。混合材料包括矿渣、粉煤灰、烧粘土等。目前粉煤灰采用较多。(3)掺用外加剂。外加剂由减水剂、引气剂、缓凝剂、早强剂等多种类型。减水剂是最常用、最重要的外加剂，它具有减水和增塑的作用，在保持混凝土坍落度及强度不变的条件下，可减少用水量，节约水泥、降低绝热温升。引气剂的作用是在混凝土中产生大量微小气泡以提高混凝土的抗冻融性。缓凝剂用于夏季施工，早强剂则用于冬季施工。(4)优化混凝土配合比。在保证混凝土强度及流动度条件下，尽量节省水泥，降低混凝土绝热温升。

3、严格控制混凝土温度、减小基础温差、内外温差及表面温度骤降

严格控制混凝土温度是防止裂缝的最重要措施。(1)降低混凝土浇筑温度，通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等办法降低混凝土出机口温度，采用加大混凝土浇筑强度、仓面保温等方法减少浇筑过程中的温度回升。(2)水管冷却。在混凝土内埋设水管，通低温水以降低混凝土温度。(3)表面保温。在混凝土表面覆盖保温材料，以减小内外温差、降低混凝土表面温度梯度。

4、重视施工前期准备工作

我国不少工程施工单位在施工前期，只重视混凝土制备和浇筑方面的准备工作，而不重视混凝土温度控制方面的准备工作。到了开始浇筑混凝土时，由于制冷厂不能投入运用等原因，混凝土温度控制不能满足设计要求，而早期浇筑的基础部分混凝土正是在温度控制方面最重要的混凝土，其结果是，花钱买了设备，但却没有发挥应有的作用。在施工前期，一定要重视混凝土温度控制方面的准备工作，如制冷厂、制冰机的安装调试，冷却水管及保温材料的准备等等。

5、加强施工管理

(1)提高混凝土施工质量。为了防止裂缝，除了严格控制混凝土温度外，还需要加强施工管理、提高混凝土施工质量。显然，在一个混凝土浇筑块中，混凝土的强度不是均匀的，裂缝总是从强度最低的薄弱处开始。当混凝土质量控制不严、混凝土强度离差系数G大时，裂缝就多。因此，为了防止裂缝，一定要加强施工管理，提高混凝土施工质量。(2)薄层、短间歇、均匀上升。在混凝土浇筑进度安排上，尽量做到薄层、短间歇(5~1Od)、均匀上升，避免突击浇筑一块混凝土，然后长期停歇；避免相邻坝块之间过大的高差及侧面的长期暴露；尤应避免“薄块、长间歇”，即在基岩或老混凝土上浇筑一薄块而后长期停歇，经验表明，这种情况极易产生裂缝。(3)尽量利用低温季节浇筑基础部分混凝土。(4)加强养护。(5)严格控制温度，这也是施工管理中的一个重要方面。

四、防裂新技术

近30年来，随着科学技术的进步与工程实践经验的积累，通过多种途径，采取综合性措施来解决大坝混凝土的抗裂问题。其中氧化镁新材料和MgO水泥混凝土筑坝新技术的出现，打破了人们的传统认识，提出了筑坝新理论和筑坝新技术。据此，既可实现快速施工又大大拓宽和完善了水工混凝土筑坝防裂技术。实践证明，MgO混凝土筑坝技术是大体积混凝土施工的革命，是国内外筑坝技术的重大创新和突破。

采用MgO混凝土筑坝防裂原理是：在后天内中掺入适量的特制的轻烧MgO，利用MgO水化所释放的化学能转变为机械能，使混凝土产生自生体积膨胀，抵消其在温降过程中的体积收缩；也就是利用其独特的具有延迟性的、不可逆变形及长期稳定的微膨胀性能来补偿大坝混凝土在温降时的体积收缩和温度变形。更确切地说，就是利用MgO混凝土的限制膨胀来补偿混凝土的限制收缩，达到防裂目的。若辅以其它适当的综合性措施，可以取代传统的温控措施，如混凝土拱坝需分横缝，柱状、薄层、长间歇浇筑，预埋冷却水管冷却，封缝灌浆等施工工艺，实施通仓连续施工，大大加快了筑坝速度，从而实现了工程界长期希望达到的快速施工的目标。其防裂理论的基本特征是：把传统的通过预冷来降低和控制混凝土筑坝温度的办法，改为调节后天控制大坝混凝土的体积变形，达到大坝防裂的目的。

这项筑坝防裂新技术从1990年初开始，已先后在我国大中型水利水电工程中得到成功应用，其中包括常规混凝土和碾压混凝土重力坝（拱坝），碾压混凝土坝周边及上游防渗体、基础垫层垫座、基础深槽、填塘封洞、导流洞封堵、闸坝工程、厂坝连接及导流底孔、压力钢管外围回填等不同工程部位都应用了外掺MgO混凝土筑坝防裂新技术，并且都取得了成功和达到了预期效果。

五、结语

在大体积混凝土结构内一旦出现裂缝，要通过修补以恢复结构的整体性实际上是很困难的。因此，对于大体积混凝土结构的裂缝，应以预防为主。本文主要针对温度裂缝问题以及温控防裂问题进行阐述。论述了永久保温对混凝土坝防裂的影响。永久保温可有效降低外界温度变化对坝体温度的影响；大大减小坝体表面拉应力，有效控制了表面裂缝的出现，对大坝的安全运行提供保证。