大体积混凝土在水利水电工程建筑中的裂缝控制研究

摘要：大体积混凝土在水利水电工程建筑中具有极为重要的地位，但裂缝问题一直是困扰工程质量与耐久性的关键因素。本文深入探讨了大体积混凝土裂缝产生的原因，包括水泥水化热、混凝土收缩、外部约束与温度应力等。详细阐述了大体积混凝土裂缝控制的四大关键技术，即原材料优选与配合比优化、温控措施、施工工艺改进以及裂缝监测与修复。通过对这些方面的研究，提出了一系列切实可行的裂缝控制策略与方法，旨在为水利水电工程中大体积混凝土的裂缝控制提供全面、系统的理论依据与实践指导，确保工程的安全、稳定与长效运行。

关键词：大体积混凝土；水利水电工程；裂缝控制；温控措施

一、引言

水利水电工程作为国家基础设施建设的重要组成部分，其建筑结构的安全性与耐久性直接关系到水资源的有效利用和社会经济的稳定发展。大体积混凝土在水利水电工程中广泛应用于大坝、水闸、水电站厂房等主体结构，由于其体积大、结构厚、混凝土浇筑量大等特点，在施工与运行过程中极易产生裂缝。裂缝的出现不仅会影响混凝土结构的外观质量，更严重的是会削弱结构的强度、刚度和抗渗性，降低工程的使用寿命，甚至可能引发安全事故，如渗漏、结构失稳等。因此，深入研究大体积混凝土在水利水电工程建筑中的裂缝控制技术具有极其重要的现实意义。

二、大体积混凝土裂缝产生的原因

（一）水泥水化热

水泥在水化过程中会释放大量的热量，大体积混凝土内部由于水泥用量较大，水化热积聚在混凝土内部不易散发。在混凝土浇筑后的早期，内部温度迅速上升，而混凝土表面散热较快，导致混凝土内部与表面形成较大的温度差。这种温度差会引起混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会在混凝土表面产生裂缝。

（二）混凝土收缩

1. 塑性收缩

在混凝土浇筑后的硬化初期，混凝土表面水分蒸发速度较快，而内部水分迁移相对较慢，导致混凝土表面失水干燥而产生收缩。这种塑性收缩如果受到混凝土内部的约束或外部的限制，就会产生拉应力，当拉应力超过混凝土此时的抗拉强度时，就会形成裂缝。特别是在高温、干燥、大风等恶劣气候条件下，塑性收缩裂缝更容易发生。

2. 干燥收缩

随着混凝土的硬化和水分的不断散失，混凝土会发生干燥收缩。混凝土内部的毛细孔和凝胶孔中的水分逐渐减少，孔隙结构发生变化，导致混凝土体积缩小。当干燥收缩受到约束时，就会产生拉应力，引发裂缝。混凝土的干燥收缩与水泥品种、骨料性质、水灰比、养护条件等因素密切相关。例如，水灰比较大的混凝土，干燥收缩相对较大；采用吸水性强的骨料，也会增加混凝土的干燥收缩。

（三）外部约束与温度应力

大体积混凝土在浇筑和硬化过程中，会受到基础、相邻结构或周围土体等外部约束。当混凝土内部由于温度变化产生变形时，这种外部约束会限制混凝土的自由变形，从而在混凝土内部产生温度应力。

三、大体积混凝土裂缝控制技术

（一）原材料优选与配合比优化

1. 水泥品种选择

优先选用中低热水泥，如矿渣水泥、粉煤灰水泥等，其水化热相对较低，能够有效减少混凝土内部的温升。例如，矿渣水泥的水化热比普通硅酸盐水泥低约 20% - 30%，在大体积混凝土施工中可显著降低温度应力。同时，应控制水泥的用量，在满足混凝土强度和工作性能要求的前提下，尽量减少水泥用量，可通过掺加粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料来替代部分水泥。粉煤灰的火山灰活性能够与水泥水化产物发生二次反应，提高混凝土的后期强度，并且其滚珠效应可改善混凝土的工作性，降低混凝土的温升。

2. 骨料选择与控制

选择质地坚硬、级配良好、粒径较大的骨料。粗骨料粒径较大时，可减少混凝土中水泥浆的用量，从而降低水化热。例如，采用 5 - 25mm 连续级配的粗骨料，相较于单粒级配的粗骨料，可使混凝土的水泥用量减少 10% - 15%。同时，应控制骨料的含泥量，含泥量过高会增加混凝土的收缩和徐变，降低混凝土的强度和耐久性。细骨料宜采用中粗砂，其细度模数一般在 2.3 - 3.0 之间，可改善混凝土的和易性，减少水泥用量。

3. 外加剂应用

合理使用外加剂是控制大体积混凝土裂缝的重要手段。缓凝剂可延长混凝土的凝结时间，降低混凝土早期水化热峰值，有利于混凝土内部热量的散发。例如，在高温季节施工时，掺加适量的缓凝剂可使混凝土的初凝时间延长 3 - 5 小时，减少混凝土因水化热过快释放而产生的温度应力。膨胀剂可在混凝土硬化过程中产生一定的膨胀，补偿混凝土的收缩，提高混凝土的抗裂性。

（二）温控措施

1. 混凝土内部温度监测

在混凝土浇筑过程中及浇筑后，应设置温度监测点，实时监测混凝土内部温度变化情况。监测点的布置应具有代表性，一般在混凝土的中心、表面及不同深度处设置。通过温度监测数据，及时掌握混凝土内部温度的上升、峰值及下降过程，以便采取相应的温控措施。

2. 降低混凝土入模温度

（1）原材料降温

对骨料进行预冷，可采用喷淋冷水、风冷或设置遮阳棚等方式降低骨料温度。例如，在夏季高温时，通过向骨料堆喷淋冷水，可使骨料温度降低 5 - 10℃。对水进行冷却，可采用制冷机组将水冷却至 5 - 10℃后用于混凝土搅拌。此外，还可对水泥等原材料进行储存管理，避免其在高温环境下存放，减少水泥带入混凝土中的热量。

（2）运输与浇筑过程降温

在混凝土运输过程中，对运输车辆采取隔热措施，如覆盖隔热材料，减少混凝土在运输过程中的热量吸收。在浇筑时，选择在气温较低的时段进行，如夜间或清晨，可有效降低混凝土的入模温度。

3. 混凝土内部散热措施

（1）预埋冷却水管

在混凝土内部预埋冷却水管是大体积混凝土温控的常用方法。通过循环冷却水带走混凝土内部的热量，降低混凝土内部温度。冷却水管的布置应根据混凝土结构的形状、尺寸和温控要求进行设计，一般采用蛇形或环形布置。

（2）表面保温保湿

在混凝土表面采取保温保湿措施，可减少混凝土表面热量散失，降低混凝土表面与内部的温度差。保温材料可选用草帘、棉被、泡沫塑料板等，保温层厚度应根据混凝土内外温差计算确定。同时，应保持混凝土表面湿润，可采用洒水、覆盖塑料薄膜等方式，防止混凝土表面因水分蒸发而产生干燥收缩裂缝。

四、结论

大体积混凝土在水利水电工程建筑中的裂缝控制是一个系统工程，需要从原材料优选与配合比优化、温控措施、施工工艺改进以及裂缝监测与修复等多方面入手，综合运用各种技术手段。通过合理选择水泥品种、控制骨料质量、应用外加剂，能够有效降低混凝土的水化热和收缩；通过科学的温控措施，如内部温度监测、降低入模温度、内部散热和表面保温保湿等，可以减少混凝土内部的温度应力；优化混凝土浇筑方法、控制振捣工艺、妥善处理施工缝与后浇带，能够提高混凝土结构的整体性和抗裂性；采用有效的裂缝监测与修复技术，能够及时发现和处理裂缝，保证混凝土结构的安全运行。在实际工程中，应根据工程的具体特点、施工条件和环境因素等，制定针对性的裂缝控制方案，并在施工过程中严格执行，确保大体积混凝土结构在水利水电工程中的质量和耐久性，为水利水电工程的长期稳定运行奠定坚实的基础。

参考文献：

[1] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 中国电力出版社， 2023.

[2] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 上海科学技术出版社， 2022.