大体积混凝土浇筑温度场模拟及裂缝控制技术应用

引言：

大体积混凝土的温度裂缝问题一直是土木工程领域的难点，水泥水化反应释放的大量热量难以迅速散失，导致结构内部温度急剧升高，而表面因与环境换热较快形成低温区，内外温差产生的拉应力超过混凝土抗拉强度时，便会产生裂缝。此类裂缝不仅降低结构的承载能力，还可能加速钢筋锈蚀和混凝土碳化，国内外学者对温度场分布、应力演化及裂缝成因进行了大量研究。但实际工程中仍存在施工条件复杂、材料性能波动等因素的干扰，结合现代监测技术与智能算法，进一步提高温度场预测精度并优化控裂措施，具有重要的工程价值。

1.采用三维有限元仿真技术模拟混凝土水化热温度场分布

三维有限元仿真技术借助建立混凝土结构的几何模型，结合材料热力学参数及边界条件，能够动态模拟水化热释放与温度场演变过程。方法综合考虑了混凝土导热系数、比热容、环境温度及冷却水管布置等因素，利用迭代计算得到温度梯度与热应力分布云图。混凝土内部温升曲线呈现典型的先急速上升后缓慢下降趋势，最高温度通常出现在浇筑后 48-72 小时，而表面区域因散热条件较好温度波动更为显著。

基于温度场仿真结果，裂缝控制技术主要从降低温升速率与优化应力分布两个维度展开，材料上采用低热水泥、掺加粉煤灰等矿物掺合料可有效延缓水化放热峰值，而内设循环冷却水管则能主动导出核心区热量。施工工艺上分层浇筑配合表面保温养护形成了"内散外保"的温控策略，既避免内部热量积聚又防止表面温度骤降[1]。仿真数据指导下的智能温控系统可实现冷却水流量与养护温度的动态调节，将混凝土内外温差严格控制在25°C 规范限值内，利用预埋温度传感器获取实测数据与仿真结果的对比分析，可不断修正模型参数提高预测精度。

2.布置分布式光纤测温系统实时监测核心区温度变化

温度场模拟与裂缝控制是确保结构耐久性和安全性的关键技术，由于混凝土水化反应产生大量热量，内部温度急剧上升后缓慢下降，形成非线性温度梯度，极易引发温度应力裂缝。利用有限元数值模拟方法，可建立三维瞬态热传导模型，综合考虑混凝土热力学参数时变性、边界保温条件及环境温度波动等因素，精确预测温度场演变规律。核心区最高温升通常出现在浇筑后 48-72 小时，与胶凝材料用量呈正相关性，为突破传统点式测温的局限，分布式光纤测温系统利用沿钢筋骨架预埋传感光缆，可实现全断面温度场的连续监测，空间分辨率可达 0.5 米，测量精度优于 。

基于实时监测数据的动态调控是裂缝控制的核心策略，当光纤系统检测到核心区温差超过 25°C 预警阈值时，应立即启动分层浇筑优化、冷却水管通水降温或表面保温强化等干预措施。配合温度场模拟的预测性调控可使最大温差大幅降低，有效抑制贯穿性裂缝的产生，光纤监测数据需与绝热温升试验结果进行迭代校准，以修正混凝土放热速率等关键参数。

3.优化冷却水管布设方案实现梯度降温控制

优化冷却水管布设方案是实现梯度降温控制的核心手段，其核心在于利用合理布置水管网络，形成分层分区的温度调控体系，传统均匀布设方式难以适应混凝土内部温度场的非线性变化，而梯度降温则利用动态调整水管间距与流量，实现由内而外的渐进式散热。在混凝土核心高温区采用密排管路与低温循环水，在表层区域逐步扩大管距并提高水温，从而形成平滑的温度过渡带，这种方案能有效缓解内外温差引起的拉应力，将温度裂缝风险降低 40% 以上。

冷却水管布设方案的精细化实施需兼顾施工可行性与经济性，在大型基础底板工程中，采用"内密外疏 + 分区调控"的立体布设策略，即沿厚度方向划分 3-5 个控制层，每层独立配置循环水系统。利用无线温度传感网络实时监测各层温升数据，动态调节水泵流量与流速，可将最大温差控制在20^∘C 以内，技术的关键在于预埋传感器的合理定位与水管防堵塞措施，需控制降温速率不超过 1.5^∘C/d ，避免产生"冷击效应"。

4.应用补偿收缩混凝土配合比设计减少温度应力

在大体积混凝土浇筑过程中，温度应力是导致结构裂缝产生的主要因素，为有效控制温度应力，补偿收缩混凝土配合比设计成为一种重要的技术手段。技术利用在混凝土中掺入适量膨胀剂，使其在硬化初期产生微膨胀，抵消因温度下降引起的收缩变形，从而减少内部拉应力。配合比设计需综合考虑胶凝材料种类、膨胀剂掺量、水胶比等因素，确保混凝土在满足强度要求的同时具备良好的体积稳定性[2]。

补偿收缩混凝土的应用需与施工工艺形成协同控制体系，配合比实施时需严格监控膨胀剂的均匀性和计量精度，确保膨胀效能稳定发挥。浇筑过程中采用分层分块工艺，结合冷却水管布置，形成"材料-结构"双重补偿机制，后期养护环节则通过保水养护延长膨胀剂的水化周期，使混凝土在温降阶段持续产生补偿效应。技术可使混凝土极限拉伸值大幅提高，有效弥合早期塑性收缩和干燥收缩产生的微裂缝，膨胀剂的掺量需通过试验确定，过量会导致后期强度倒缩，不足则难以抵消温度应力。

5.实施分层间歇浇筑工艺降低峰值温升幅度

实施分层间歇浇筑工艺是控制温度场分布和降低峰值温升幅度的有效手段，工艺借助将整体浇筑过程划分为若干层，并在每层浇筑完成后设置合理的间歇时间，使下层混凝土的水化热得到部分释放，从而减少热量累积对上层混凝土的影响。分层浇筑的厚度通常控制在 1.5-3.0 米范围内，具体数值需根据混凝土配合比、环境温度及冷却措施等因素综合确定。间歇时间一般不少于 3-5 天，以确保下层混凝土内部温度趋于稳定，这种工艺不仅能显著降低混凝土内部的最高温升幅度，还可改善温度梯度分布，避免因温差过大导致的结构性裂缝。

分层间歇浇筑工艺通过降低峰值温度和减缓温升速率，有效抑制了温度应力的集中发展，混凝土早期强度得以增长，抗拉性能提升，从而增强了抵抗温度应力的能力。工艺还减少了混凝土内外温差，避免了表面温度骤降引发的收缩裂缝，施工中需特别注意层间结合面的处理，采用二次振捣或表面凿毛等措施确保新旧混凝土的良好粘结，结合通水冷却、保温养护等辅助措施，可进一步优化温度场分布，形成完整的裂缝防控体系。

结语：

大体积混凝土的温度场模拟与裂缝控制是确保工程质量的关键环节，本文借助分析温度场分布规律及裂缝成因，探讨了相关技术的工程应用前景。随着计算方法和材料技术的不断发展，可借助多学科融合进一步优化温控策略，实现更精准的裂缝预防，研究成果不仅可为类似工程提供借鉴，还能推动大体积混凝土施工技术的进步，为基础设施的长寿命和安全性提供保障。

参考文献：

[1]赵凯丽,李敏,王珏. 大体积混凝土冬季施工温度控制与数值模拟研究 [J]. 水电与抽水蓄能, 2025, 11 (03): 19-26.

[2]陈占毅. 大体积混凝土浇筑时温度裂缝指数影响因素分析 [J]. 石家庄铁路职业技术学院学报, 2024, 23 (04): 25-29+34 .