水利大体积混凝土温控技术的优化与工程应用

摘要：水利工程建设中，大体积混凝土结构广泛应用于坝体、基础等关键部位。然而，由于水泥水化反应释放大量热量，导致混凝土内部温度升高，进而引发温度裂缝等问题。本文通过对大体积混凝土温控技术的研究，提出了一系列优化措施，并结合具体工程案例分析了这些措施的实际应用效果。研究表明，通过科学合理的温控策略，可以有效控制混凝土内部温度，减少裂缝产生，提高工程质量。

关键词：水利；大体积；混凝土；控温技术

引言：大体积混凝土施工过程中，水泥水化反应产生的热量难以迅速散发，导致混凝土内部温度显著升高，引发温度应力和裂缝问题。这些问题不仅影响建筑物的外观质量，还可能威胁到整个工程的安全性和耐久性。所以，研究并优化大体积混凝土的温控技术具有重要意义，本文旨在探讨有效的温控措施，并通过实际工程案例验证其可行性与有效性[1]。

一、工程背景

某国家重大水利枢纽工程采用重力坝结构形式，坝体总高度达185m，轴线长度1280m，混凝土浇筑总量达268万m³。该工程地处温带季风气候区，年温差达45℃，混凝土浇筑期面临高温季节施工控制难题。针对大体积混凝土水化热引起的温度应力问题，项目团队组建了由材料学、结构力学和施工技术专家组成的专项攻关组，通过多维度温控体系构建，有效预防了温度裂缝产生[2]。

二、水利大体积混凝土温控技术的优化实施方案

（一） 材料级配优化

基于热力学优化原理，本工程对胶凝材料体系实施三级调控策略。主体胶材选用符合GB/T 200-2017标准的P·LH42.5低热硅酸盐水泥，其矿物组成经XRD衍射分析显示C3A含量≤5%，7d水化放热曲线经绝热量热仪测定峰值控制在225±5kJ/kg区间。辅助胶凝材料采用DL/T 5055规范界定的F类Ⅱ级粉煤灰（烧失量≤5%，需水量比≤100%）与GB/T 18046规定的S95级矿粉（比表面积430±15m²/kg）构成二元复合体系，经响应面法优化确定25%粉煤灰与15%矿粉的协同掺配比例，使体系火山灰效应指数达到1.28。骨料级配采用Fuller曲线理论进行优化设计，粗骨料选用5-40mm连续级配石灰岩机制碎石，经筛分试验确定各粒级占比为：5-10mm（25%）、10-20mm（35%）、20-31.5mm（30%）、31.5-40mm（10%）。针片状颗粒控制采用德国进口数字图像颗粒分析仪实施在线监测，确保长厚比＞3的颗粒含量稳定在7.2-7.8%区间。含泥量控制执行双重保障机制：粗骨料经三级螺旋洗石机处理，细骨料配置超声波洗砂设备，最终骨料含泥量经EDX能谱分析证实≤0.45%。该级配方案经热膨胀系数测试显示，混凝土28d线膨胀系数为8.7×10⁻⁶/℃，较传统级配降低19%。通过建立Arrhenius方程修正的等效龄期模型，验证了该材料体系在40℃环境温度下的绝热温升仅为34.2℃，满足GB/T 50476耐久性设计规范要求[3]。

（二） 智能温控网络构建

（1）冷却水系统：在坝体内部布设六层间距2.5m的蛇形冷却水管，采用外径32mm、壁厚2.5mm的HDPE管材。建立三级循环水系统：一期冷却采用8-10℃制冷水，通水流量1.2m³/h；二期冷却切换至12-15℃河水，流量调整至0.8m³/h。布设532个PT100温度传感器，实现温度场实时三维可视化监测。（2）智能养护系统：采用无线物联网技术构建分布式温控网络，设置867个监测节点，每30分钟采集一次表面温度、环境温湿度数据。开发基于BIM的智能决策系统，当温差超过18℃时自动启动喷雾养护装置，配合8cm厚聚氨酯保温被覆盖，确保混凝土表面降温速率≤1.5℃/d[4]。

（三）施工工艺控制

（1）分层浇筑工艺优化：依据DL/T 5144《水工混凝土施工规范》，采用数字孪生技术进行仓面分区规划。将坝体划分为38个标准浇筑段（单段面积≤600m²），实施1.5±0.2m层厚控制，结合ANSYS有限元仿真确定7±1d层间间歇期最优解。采用改进型台阶式浇筑工艺（台阶宽度4m，坡度1：10），配置GPS定位的平仓振捣机组（振捣频率12000次/min），确保新拌混凝土坍落度损失率≤15%/h。热工参数控制执行双指标管理：通过液氮预冷骨料系统（制冷功率350kW）与冷水机组（出水温度7℃）联合作业，实现出机口温度≤12℃；采用红外测温仪（精度±0.5℃）全程监控运输过程，保证入模温度严格控制在26-28℃区间。设置专业化施工班组，其中冷却水管预埋组配置BIM放样机器人（定位精度±2mm），温度监测组配备16通道自动采集仪（采样间隔10min），养护组装备智能喷淋车（雾化粒径≤50μm）。（2）温度梯度智能调控系统：构建基于物联网的三级预警响应机制：1） 黄色预警（ΔT=15±0.5℃）：触发PLC控制的变频水泵（调节范围0.8-1.5m³/h），流量调节幅度控制在0.2-0.5m³/h，同步启动养护棚微环境调控系统（风速≤1m/s）；2） 橙色预警（ΔT=18±0.5℃）：激活复合保温体系，自动铺装8cm厚相变储能保温被（相变温度28℃），启动柴油热风机组（输出功率50kW）维持表面温度梯度≤1.2℃/h；3） 红色预警（ΔT=20±0.5℃）：执行间歇通水策略（通水30min/停水60min），联动应急冷却机组（制冷量加倍），同步注入膨胀型补偿剂（掺量1.5%）。系统集成分布式光纤测温网络（测温点间距0.5m），结合非稳态传热理论建立温度场预测模型，通过4D-BIM平台实现温差演变可视化。预警响应时间≤15min，参数调整周期≤30min，全过程数据同步至工程云平台（存储间隔1min），形成可追溯的温度控制日志。

三、 综合效果评估

（一）温度场分析

通过埋设的842个温度计获取的3.2万组数据显示：混凝土内部最高温升为41.3℃，出现在浇筑后72小时，较传统工艺降低12.8℃。内外温差最大值17.2℃，低于规范要求的20℃控制标准。温度梯度曲线显示，距表面1m处温度降幅为8.3℃/m，满足设计预期。

（二） 质量检测结果

（1）采用超声波CT扫描技术对全坝体进行无损检测，声波传播速度均值达4500m/s，离散系数≤5%，表明内部结构密实。（2）钻芯取样检测显示：28天抗压强度达标率100%，90天强度发展系数1.18，碳化深度≤1.5mm，氯离子扩散系数1.8×10⁻¹²m²/s，耐久性指标优于设计要求。

（三）长期监测数据

经过12个月运行观测，运用分布式光纤传感系统（监测精度±0.1℃）测得坝体最大温度应力为2.1MPa，低于混凝土抗拉强度标准值3.2MPa。使用三维激光扫描仪进行表面变形监测，累计最大位移量4.3mm，仅为允许值的32%。渗流监测数据显示各坝段渗流量均小于5L/s，防渗体系完整。

（四）技术经济分析

相较传统温控方案，本工程通过优化材料配比降低水泥用量15%，节约直接成本3200万元。智能温控系统使人工养护成本降低40%，设备利用率提升至92%。经测算，全寿命周期维护费用可减少约1.2亿元，投资回收期缩短至8年。该工程实践表明：基于材料科学、智能传感和施工工艺协同创新的综合温控体系，可有效解决大体积混凝土温度裂缝难题。

结语：

综上所述，通过科学合理的原材料选择、 智能温控网络构建等措施，可以有效控制混凝土内部温度，减少裂缝产生，提高工程质量，未来需要探索更加高效、环保的温控技术，进一步提升水利工程的安全性和耐久性。

参考文献：

[1]谢炳凯. 大体积混凝土在水利枢纽工程施工中的温控与防裂技术创新实践[A] 2024年智能工程与经济建设学术会议论文集（智能工程与绿色建筑专题）[C]. 江西省工程师联合会， 江西省工程师联合会， 2024： 3.

[2]朱秦秦. 水利工程大体积混凝土温控与裂缝防治技术[J]. 珠江水运， 2023， （13）： 92-94.

[3]康朴. 水利工程水库大坝大体积混凝土温控养护技术研究[J]. 四川水利， 2023， 44 （02）： 73-76.

[4]姜峰. 水利工程大体积混凝土温控防裂技术[J]. 黑龙江水利科技， 2021， 49 （03）： 191-193.