大体积混凝土施工温度控制基本思路

大体积混凝土施工温度控制基本思路

作者：鲁凯

来源：《科学与财富》2013年第12期

摘 要：通过对大体积混凝土结构在施工及养护期间开裂原因的分析，阐明了大体积混凝土施工温度控制的本质，提出了温度控制基本工作思路、控制目标、工作流程和主要措施。对实际工程具有一定的借鉴意义。

关键词：大体积混凝土；施工；温度控制；温度应力 1、温度控制的必要性

大体积混凝土结构在施工及养护期间将主要产生两种变形：因降温而产生的温度收缩变形及因水泥水化作用而产生的水化收缩变形，这些变形在受到约束的条件下，将在结构内部及其表面产生拉应力。当拉应力超过混凝土相应龄期的抗拉强度时，结构开裂。因此，在大体积混凝土施工过程中。为避免产生过大的温度应力，防止温度裂缝的产生或把裂缝控制在某个界限内，必须进行温度控制。

2、大体积混凝土开裂的主要原因

引起并导致大体积混凝土结构开裂的因素十分复杂，但主要可分为以下两个方面。 2. 1设计、施工、养护不当

（1）结构截面突变位置、转角部位等应力集中区域设计有缺陷；基础等外约束形式的处理不合理等。

（2）施工工艺不当、养护工艺不到位等。

（3）混凝土配合比设计不当，导致混凝土绝热温升值过高、收缩变形较大、抗拉强度较低等。

2. 2温度应力产生的本质因素

（1）水泥水化热的影响。水泥在水化的过程中要释放出大量的热量，并通过边界把部分热量向四周传递 （散热），使混凝土历经升降温过程。在浇筑初期，混凝土的弹性模量较低，对温变引起的变形约束不大，相应的温度应力也比较小；随着龄期的增长，混凝土弹性模量急剧增高，对降温收缩变形的约束也越来越强，并产生温度应力 （拉应力）。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

（2）外界气温变化的影响。主要体现在两方面：①外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高，应最高温值也越高；②外界气温下降，又增加混凝的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加内、外层土混凝土的温度梯度。形成“冷击”。内外温差越大，温度应力也越大。 （3）混凝土收缩变形的影响。混凝土的收缩变形主要有凝缩变形、干燥收缩变形、自生收缩变形、冷缩变形及碳化收缩变形等5种[1]。收缩变形越大，收缩变形的分布越不均匀，产生的应力也越大。

（4）约束条件的影响。混凝土结构在变形变化中，必然受到一定的约束，阻碍其自由变形，并产生拉应力。这种约束分外约束和内约束（自约束）。外约束指结构的边界条件，如基础等外界因素对结构变形的约束；内约束指结构内部非均匀的温度及收缩分布，各质点变形不均匀而产生的相互约束。约束分自由体 、刚性约束和弹性约束3种。 3、温度控制的本质及途径

就开裂的力学机理和大体积混凝土施工温度控制的目的而言，其本质是：控制大体积混凝土结构的拉应力不超过混凝土相应龄期的抗拉强度。大体积混凝土施工的温度控制有两个基本途径：①提高混凝土本身的抗裂性能；②采取有效措施，以降低大体积混凝土在施工、养护过程中内部及其表面的拉应力 。 4、温度控制目标

温度控制的最终目标是使大体积混凝土内部的温度场变化按照预计的目标发展，具体可分解为：①降低核心混凝土的最高温度和最高温升；②降低内外温差。并控制在允许范围内；使混凝土内温度分布尽量均匀；③控制基础温差，以防止混凝土可能出现的贯穿性裂缝；④控制上下层温差，以防止可能出现的层间裂缝；⑤控制混凝土降温速率，以防出现冷击。 5、温度控制工作流程

大体积混凝土的施工温度控制是一个复杂的系统工程，同时也是一个动态的目标控制问题。为确保温度控制工作有效、可靠进行，正式施工前，应在全面了解实际工程概况 （结构设计、基础地质条件等）、并取得相关资料 （混凝土相关物理力学指标、环境气象资料等）的基础上，利用大体积混凝土施工温度控制程序，根据初拟施工方案进行施工各阶段温度场分析及温度应力检算。依据结构应力检算结果，决定施工方案 （分层、分块浇筑）， 拟定温度控制指标值，并合理确定应采取的温度控制措施及控制方案。实际施工过程中，根据温度监测结果，不断调整计算取用参数，修正计算模型，并预测后续各施工阶段结构温度场及应力的变化趋势，调整、完善温控方案，从而实现施工的信息化及大体积混凝土的防裂。

总体而言，大体积混凝土的施工温度控制主要包含3项内容：计算（预测）—制定温控措施—监测；其工作方法上是一个动态过程：计算（预测）—验证 （调整）—计算（预测） 。

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

6、温度控制措施

大体积混凝土结构的施工温度控制应从设计阶段即着手开始进行，其主要内容如下。 6.1 完善构造设计，改善约束条件 6.1.1合理分层 、分块浇筑

当大体积混凝土结构尺寸过大，计算证明一次性整体浇筑会产生过大温度应力，并导致开裂时，应采取合理的分层、分块浇筑方案，增设后浇带。通过分层、分块浇筑，可直接降低温度应力，避免开裂。 6.1.2 避免应力集中

结构断面突变位置、转角部位等应力集中区域是易于开裂的地方。设计中，可在断面突变处作过渡处理，并在转角部位和过渡区设置构造抗裂钢筋。 6.1.3改善外约束条件

大体积混凝土出现贯穿裂缝的主要原因是结构在降温至稳定温度场的过程中，其收缩变形受到基础约束而产生的拉应力。因此，设计过程中，在满足结构使用要求的前提下，应充分考虑基础的约束情况，特别是岩石等强度较高的地基的约束。 6.2 优化设计配合比，合理选择原材料 6.2.1掺加外加料，降低水泥用量

水泥的水化热是大体积混凝土内部温升的主要热量来源。由于大体积混凝土结构体积庞大，所用水泥总量较大，在断面尺寸较大的情况下内部散热较慢 、热量不断积聚导致温升过高。

混凝土的绝热温升值与单方水泥用量呈线性关系。因此，在大体积混凝土的配合比设计中，不能单纯采用增加水泥用量的办法满足其施工性能和设计要求，这样不仅会增加水泥用量，增大混凝土的收缩变形，而且会使水化热升高，更容易引起开裂。

工程实践中，通过优化混凝土的配合比设计，掺加适量的外加料以改善混凝土的特性，降低水泥用量，降低水化热温升，是大体积混凝土施工温控的一项重要技术措施。 6.2.2充分利用混凝土的后期强度

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

大体积混凝土结构的施工通常都需经历一段很长的时间，而水泥石后期（28 d 以后） 强度不断增长的特性为采用其后期强度作为设计强度提供了空间。根据后期强度进行混凝土配合比的设计，在满足混凝土强度和耐久性的要求下，可有效降低水泥用量，降低水化热温升。 6.2.3选择中热或低热水泥品种

混凝土的绝热温升值与单方水泥累计最终放热量呈线性关系。因此，选用中热或低热水泥品种，是控制混凝土水化热温升的主要方法。 6.2.4骨料选择

混凝土骨料的合理选择，在改善混凝土工作特性的同时，可有效提高混凝土的强度，降低水泥用量，降低水化热温升 。 6.2.5采用特种混凝土

大体积混凝土开裂的直接原因是其收缩变形在受到约束的条件下产生的过大的拉应力。因此，在约束条件一定的情况下，为补偿或部分抵消这种收缩变形，很多工程采用了补偿收缩混凝土，使其在约束条件下产生预压应力或产生膨胀变形。

另外，为直接提高混凝土的抗裂性能，很多工程也采用了纤维混凝土，即通过在混凝土中直接掺入抗拉强度较高的纤维，以提高混凝土的抗裂性能。 6.3 优化施工工艺，加强施工管理 6.3.1控制混凝土浇筑温度

混凝土的内部温度是水化热的绝热温升、浇筑温度和结构的散热温度等各种温度的叠加；浇筑温度越高，混凝土的内部温度值也越高。因此，施工过程中应严格控制混凝土的浇筑温度。

6.3.2优化施工工艺

大体积混凝土采取分块浇筑方案后，单块块体混凝土的一次性浇筑方量也很大。因此，为保证单块块体的整体性，混凝土应连续浇筑，并在先期浇筑的混凝土初凝前完成全部浇筑工作；混凝土宜选择分层浇筑，以有效增加散热，降低水化热温升。

另外，混凝土的收缩值和极限拉伸值还与施工和养护工艺密切相关。因此，优化施工工艺、完善养护工艺，可在一定程度上减小混凝土的收缩和提高混凝土的极限拉伸值。 6.4采取降热 、保温措施

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

6.4.1保温措施

工程实践表明，大体积混凝土所产生的裂缝，绝大多数是表面裂缝，但其中有一部分后来会发展为深层或贯穿裂缝，进而影响结构的整体性和耐久性。为避免表面裂缝的产生，在大体积混凝土施工温度控制中，必须充分考虑寒潮、气温年变化及气温日变化的影响，计算其温度应力，并结合内外温差控制要求，采取相应的保温措施。 6.4.2水管冷却

大体积混凝土体积庞大，虽然施工中采用了分块浇筑工艺，但在没有人工冷却措施的条件下，其天然冷却过程是十分缓慢的，常常需要几年甚至几十年。因此，为了加快工程施工进度，同时通过人工冷却降低水化热温升、降低基础温差，从而有效控制温度应力，防止开裂，在一般的大体积混凝土施工中，均采用冷却水管进行人工降温。水管冷却过程通常分为一期冷却和 二期冷却[3]。一期冷却是在混凝土刚浇筑完或正浇筑时进行，以削减水化热温升；二期冷却是在后浇带浇筑前进行，主要目的是为了把混凝土温度降至稳定温度。也可进行三期冷却，即在入冬前进行一次中期冷却，以减小可能产生的过大的温度应力。 6.5科学预测、准确监测 6.5.1科学预测

科学预测主要包含两项内容：①正式施工前的预测计算—施工方案决策计算。即通过计算确定总体施工方案（分层、分块），拟定温度控制指标值，并合理确定应采取的温度控制措施及控制方案。②施工过程中的阶段预测计算—施工过程控制计算。即根据温度监测结果，调整计算取用参数，修正计算模，并预测后续各施工阶段结构温度场及应力的变化趋势，以调整、完善温控方案。 6.5.2温度监测

对大体积混凝土进行温控计算，是从理论上掌握大体积混凝土内部温度场和温度应力的发展变化规律。实际施工中将会存在一定的差异，其主要原因是计算所取用的相关参数及计算模型与实际施工状态不可能完全一致，这就需要对施工过程进行监测，并将监测结果随时与理论计算结果进行比较、分析，及时调整参数取值、修正计算模型并采取相应的温控措施，以避免出现温度裂缝。 参考文献

[1] 黄国兴，惠荣炎. 混凝土的收缩 [ M ] . 北京 ：中国铁道出版社，1999. [2] 王华生，赵慧如. 混凝土技术禁忌手册 [ M ] . 北京 ：机械工业出版社，2002.

龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn

[3] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制 [ M ] . 北京 ：中国电力出版社，1999