水利水电工程大体积混凝土温控防裂技术研究

引言

对于现代大型的水利水电工程来说，大体积混凝土是必不可少的材料，而大体积混凝土断面大，浇筑后体积稳定需要很长时间，混凝土内形成的水化热很难通过混凝土表面散热，故而导致了混凝土内部温度升得非常高；而当内外温差达到一定数值时，会因这种温差而导致混凝土早期出现裂缝的问题；工程实践证明：裂缝会使混凝土失去承载能力，引起渗漏、冻融破坏等耐久性问题，也会给建筑物埋下安全隐患。如何解决大体积混凝土温控防裂的技术问题？这就要求建立完善的大体积混凝土温控防裂技术体系。以上就是本文对于大体积混凝土温控防裂技术的研究背景。本篇文章从裂缝成因分析、材料控制、温度调控及养护方面出发，主要从裂缝产生的原因入手，并对存在这种问题的相应措施进行了相关说明。

一、大体积混凝土裂缝产生的机制分析

1.1 水化热累积产生的温度应力变化

大体积混凝土因体积庞大，散热慢，在水泥水化过程中容易聚集热量，导致内部温度较高，而外表面散热较快，形成温差，温差产生的热应力大于混凝土早期抗拉强度时就会出现裂缝；温度的变化主要集中在7-14 天内，在气温较低或者昼夜温差较大情况下更为明显，很容易产生温度裂缝。其实裂缝并不仅仅发生在浇筑以后早期的时间内，有时当混凝土强度基本形成且温度开始下降后若突然降温也会使混凝土内部受拉而产生裂缝。

1.2 收缩与限制条件会引起的结构应力

混凝土硬化时发生化学收缩、温度收缩和干缩等变形，由于受到约束不能自由释放，会产生物理应力。当这种物理应力达到了一定的数量级，即某一阶段产生的多种应力叠加超过一定限度，就会使混凝土开裂，如图3—1 所示，在基础结构中，底部混凝土与地基刚性连接在一起，上部又因热胀冷缩作用造成变形，这种变形是难以协调一致的，容易在接头处或角隅处出现裂缝；还有如模板约束、结构设置连续配筋以及施工缝的位置不对等因素造成的应力集中也会加强裂缝的发展。

1.3 因原材料热性能不同而导致的开裂倾向性

不同种类及产地的骨料，由于其热导率、热膨胀系数与水泥浆体不同，导致在升温降温和降温时二者之间会产生微观应变差值，而这种差值会转化成界面应力集中，从而发生微裂缝-可见裂缝的发展。另外，水泥类型、掺合料性质以及水胶比等因素都会对混凝土的水化热水平和收缩性能产生较大的影响。实践证明：在浇筑大体积混凝土时，采用低热硅酸盐水泥，适量掺入粉煤灰、矿渣粉等矿物掺合料的方法能有效的减小初期温升速率和延缓温度峰值出现时间，从而减小裂缝风险。

二、混凝土温控防裂的技术要点

2.1 材料选择与配合比优化

合理选用水泥品种，控制水化热的释放速度及总量，是防治裂缝的有效手段。推荐使用低热、中热水泥；加入适量的优质粉煤灰或粒化高炉矿渣粉等二次活性材料可推迟水化反应、降低初始温升。通过严格控制混凝土配合比设计、加大混凝土骨料级配密度、减小空隙率等措施来保证混凝土拌合物温度变化行为良好和体积稳定性好；并从调整粗细骨料比例、外加剂种类和掺量等方面综合改善混凝土拌合物温度变化行为和体积稳定性。

2.2 施工温控方案编订并付诸实施

施工前要严格把控进场材料温度，可采用骨料预冷、水泥库储、搅拌水降温的方法将入模温度控制在设计要求范围内；浇筑时应结合施工阶段选用最合适的浇筑时间；避开高温、低温时段；分层浇筑、留设施工缝可有效减小结构应力集中；通过合理的冷却水管布置、设置温度监测系统使混凝土内部热量得到及时散发；冷却系统运行时要经常检查出水温度、进出水差值、混凝土内温度，保证温度场稳定、可控。

2.3 智能监测技术应用于温控领域中

在大体积混凝土施工过程中应用智能温度监测系统可以实现在施工时对混凝土内部温度变化情况实现跟踪，实时测量以及数据分析，在埋设式电子温度计、无线传感网、数据采集终端、智能平台组成的温度监测系统下，可以掌握整个混凝土的水化过程中产生的热力变化情况。利用温度曲线建立模型分析得到可能发生温度裂缝，辅助决策施工节奏、冷却参数等的调整，达到改善工程质量的目的，更加科学和主动。

三、混凝土后期养护与裂缝控制对策

3.1 湿养与保温措施

科学养护可有效提高混凝土的早期抗裂性，在浇筑后应及时用保温保湿材料进行覆盖，控制混凝土温降过快而引起微裂缝，养护措施要选用保温棉、湿麻袋、土工布、塑料薄膜等，如果使用上述材料养护条件达不到要求，可在材料之间适当加湿水、喷雾或洒水等。气候干燥、风大的地方应适当增加养护时间，避免因干缩造成的表面微细裂缝。

3.2 后期裂缝监测与处置

刚完成的混凝土结构仍要继续观察是否会出现裂缝的发展情况。可以使用裂缝宽度测量仪、数字成像技术等针对一些重要位置的裂缝变化情况进行测量。如果出现了非结构性裂缝，需要立刻用环氧树脂注浆或者是用聚合物修补材料进行封闭，防止水分渗透造成的耐久性影响。如果是结构性裂缝，则要量测裂缝的走向、裂缝的长度、裂缝的开口宽度，甚至还要做结构受力、变形的验算工作，如果有必要的情况下还需要对结构进行植筋加固或者补偿张拉，来限制裂缝继续扩大。

3.3 裂缝控制缝设计的优化

合理设置后浇带、沉降缝、温度缝等结构措施是减小应力集中比较有效的办法，后浇带能延后约束产生，推迟受力峰值出现；而温度缝应该考虑结合当地的气候条件以及季节安排还有结构平面形状等因素来进行确定其长度和间距；而缝隙填充物应当使用具有柔性以及耐久性的材料，使得后期不会发生裂缝或者脱落等问题，而且还要便于后期养护检查。

3.4 融合仿真分析的防裂设计支持

采用基于有限元仿真模拟的热力耦合分析技术对混凝土温控设计中的构件进行全面仿真分析，并结合材料热参数、结构几何模型和施工工艺参数对模拟混凝土水化过程中温度场、应力场的发展趋势进行计算模拟分析；将计算结果用于制定控制实际工程混凝土水化过程中出现的裂缝位置和出现时间的施工温控方案，以指导现场施工；同时利用 BIM 平台实现对施工全过程的动态防裂调控，可使施工后期发生裂缝的概率大幅降低，以达到防裂的目的。

结束语

大体积混凝土广泛用于水利水电工程，带来一系列新的裂缝控制难题，温控防裂是技术上有效的措施之一，也必然需要从原材料、施工组织、智能监控、养护管理等多个层面统筹兼顾，协同配合，方能达到技术效果最大化。其最终目的是要找到并落实一套正确的温控技术途径，通过前期阶段对裂缝成因机理的正确认识，进而有效指导贯穿于整个水利水电工程施工过程的设计选型、施工组织及后期养护的过程。并且基于此后续还应持续的完善智能化控制系统的技术推广工作，建立更加健全的数据驱动型预测模型，使水利工程能更好的达到技术防疫的要求，为水利水电工程质量安哥拉保驾护航。

参考文献

[1] 大体积混凝土施工温控技术及应用效果[J]. 罗宇呈. 河北水利,2022(11)

[2] 大型地震工程模拟研究设施水下振动台基础大体积混凝土温度控制研究[J]. 王进;于海申;周志健;姚文山;魏鹏.施工技术(中英文),2021(24)

[3] 不同养护组合对连续刚构箱梁混凝土早期温度场的影响研究[J].曾勇;江东;刘山洪.混凝土,2021(06)