水利工程大体积混凝土施工温度裂缝控制

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【摘 要】 随着水利建设事业的发展，大体积混凝土被广泛应用到水利工程当中。而大体积混凝土因温度变化而产生的温度裂缝，也是一个普遍存在而又难以解决的问题。本文就水利工程大体积混凝土温度裂缝的种类及原因进行阐述，并从降低浇筑温度和水化热、降低内外温差、养护、改善约束条件等方面提出了温度裂缝的控制措施，可供参考借鉴。

【关键词】 大体积混凝土；温度裂缝；水化热；约束条件；控制

1 前言

近年来，水利水电事业发展迅速，大体积混凝土越来越多的被应用到水利工程建设当中。但与很多大体积混凝土工程一样，温度裂缝始终是应用中难以解决的质量通病。由于混凝土单次浇筑方量大，加上混凝土自身放热量大，散发大量的水化热，所以会产生较大的温度变化和体积变化，由此而产生、温度应力，从而产生混凝土温度裂缝。混凝土开裂影响结构的整体性、防水性和耐久性，形成结构隐患。因此，必须重视大体积混凝土施工温度的控制，采取有针对性的温度裂缝控制措施，避免裂缝的出现，从而保证工程的整体质量安全。

2 大体积混凝土种类

（1）表面裂缝

大体积混凝土结构浇筑后，水泥在凝结硬化过程中释放大量水化热，热量聚集在混凝土内部不易散发，从而使混凝土内部温度急剧升高并与表面温度产生温差，形成温度梯度。当温差超过25～28℃时，会使结构内部产生压应力，而表面产生较大的拉应力。混凝土是一种脆性材料，当表面拉应力超过此时的混凝土极限抗拉强度时，就会在混凝土表面产生温度裂缝。施工阶段外界气温骤降也是影响表面裂缝产生的重要因素。

（2）深层裂缝

表面裂缝的发展，形成深层裂缝。当表面裂缝形成以后，仍然长期暴露，比如上、下游面、或柱状块顶面或拆模后的侧面，若混凝土内部的温度很高，则混凝土内部继续降温，就会形成一种非线性温度场，混凝土各单元之间变形不一致，形成一种约束（内部热混凝土约束外部冷混凝土收缩变形）也会产生温度应力，此种温度应力将在表面裂缝端部形成应力集中，使表面裂缝向纵深发展。

（3）贯穿裂缝

混凝土的贯穿裂缝主要是由于混凝土的降温和收缩作用引起的。大体积混凝土浇筑初期，混凝土处于升温阶段及塑性状态，弹性模量较小，从而变形引起的应力较小，所以温度应力较小，一般可忽略不计。当混凝土开始降温时，因散热而产生收缩。加之混凝土硬化过程中，由于混凝土内部拌和水的水化和蒸发，以及胶质体的胶凝作用，促使混凝土硬化时收缩。

3 形成温度裂缝的主要原因

大体积混凝土的裂缝成因十分复杂，因素很多。但主要由温度和温度变化引起开裂的居多。而影响温度裂缝的主要因素如下：

3.1 水泥的水化热

大体积混凝土在浇筑凝结后，水泥在水化过程中会释放大量的水化热。而大体积混凝土结构物断面尺寸较大较厚，水泥释放的热量聚集在混凝土内部不易散发，使结构物内部温度急剧升高，通常在3～5日内温度达到最高值132。温度变化产生体积胀缩，受到约束而产生压应力。混凝土在浇筑初期，由于它是热的不良导体，其强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温变约束不大，相应的温度应力也小。随着混凝土龄期的增长、弹性模量和强度的提高，对混凝土内部降温收缩的约束愈来愈大，以致产生很大的拉应力。拉应力超过此时混凝土的极限抗拉强度就产生温度裂缝。

3.2 约束条件

大体积混凝土由于温度变化产生胀缩变形，这种变形受到约束即产生应力。在全约束条件下，混凝土结构的变形，应是温差和混凝土线膨胀系数的乘积，即℃=vT@A，当℃超过混凝土的极限拉伸值℃p时，结构便出现裂缝。无约束就不会产生应力，因此，改善约束条件对于防止混凝土开裂有重要意义。在大体积混凝土中，一般有内部约束和外部约束两种情况。内部约束是由于内部水泥水化热不易散发，表面则易散发，使表面温度低于内部，即由温差形成。相对而言，内部体积膨胀受表面约束处于受压状态，表面体积则收缩（特别是遇气温骤降，或过水）受内部约束，产生拉应力。浇筑在基岩或老混凝土上的混凝土，在逐步降温的过程中，将会冷缩，但由于受到基岩或老混凝土的约束，将会产生拉应力。当其超过混凝土的极限抗拉强度时，就可能出现贯穿性裂缝。这种温度变形约束是外部约束。

3.3 环境温度的变化

大体积混凝土结构在施工阶段，受外界气温的变化影响很大。外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；如外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土极为不利。

混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温度和结构散热降温等各种温度的叠加之和，而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的，温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热。混凝土内部的最高温度一般可达60～65℃，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力就显得更为重要。

3.4 混凝土的收缩变形

混凝土的拌和水中，约20%的水分是水泥硬化所必需的，其余80%的水分要蒸发152。混凝土水化作用时产生的体积变形称为/自身体积变形0。该变形多数是收缩变形，少数是膨胀变形，这主要取决于胶泥材料的性质。混凝土中多余水分的蒸发是引起结构体积干缩变形开裂的主要原因之一。

4 温度裂缝的控制措施

为了控制温度裂缝，可以采用降低混凝土的浇筑温度，控制各区域的温度梯度，改善约束条件，提高混凝土的抗裂强度等措施。

4.1 降低浇筑温度和水化热

（1）优先选用低发热量的水泥，如矿渣水泥、明矾水泥、大坝水泥，可减少水化热引起的绝热温升。

（2）采用改善骨料级配，适当掺加大块石，适量掺加混合材料，减小砂率等措施来减少水泥用量，将水泥用量尽量控制在450kg/m3以下，以减少水泥水化热。

（3）降低水灰比，一般混凝土的水灰比控制在0.6以下，降低水化热。

（4）改善混凝土的搅拌加工工艺，在传统的/三冷技术0的基础上采用“二次风冷”新工艺，可进一步降低混凝土的浇筑温度。

（5）在混凝土中掺加适量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂，改善混凝土拌合物的流动性、保水性，便于分段分层施工，降低水化热，推迟热峰的出现时间。

（6）避免炎热的夏季施工，不宜中午浇筑。如在高温季节浇筑，可考虑在骨料堆放处搭设遮阳板，避免日光直射。低温入模，低温养护，必要时可采用冰块降低混凝土原材料的温度等措施来控制混凝土的温升。

4.2 降低内外温差

（1）在大体积混凝土内部设置若干冷却管道，通入冷水或者冷气进行内部散热，减小混凝土的内外温差。

（2）对大体积混凝土结构进行蓄水养护亦是一种较好的办法。混凝土终凝后，在其表面蓄存一定深度的水。由于水的导热系数为0.58W/m·k，具有一定的隔热保温效果，这样可延缓混凝土表面水化热的降温速率，缩小混凝土中心和混凝土表面的温差。

4.3 强化混凝土全程养护

（1）加强混凝土养护。混凝土浇筑后，及时用湿润的草帘、麻袋等覆盖，并注意洒水养护，适当延长养护时间，保证混凝土表面缓慢冷却。在寒冷季节，混凝土表面应设置保温措施，以防止寒潮袭击。

（2）在坝岸结合部的混凝土结构拆模后，应尽快回填土，避免气温的较大变化产生的有害影响，同时亦可延缓降温速率，避免裂缝产生。

4.4 改善约束条件的措施

（1）合理安排施工工序，分层、分块浇筑。由于大体积混凝土的温度应力与结构尺寸相关，混凝土一次浇筑的结构尺寸越大，温度应力越大。因此采用该措施有利于减轻约束、缩小约束范围和进行散热，确保混凝土自由伸缩达到释放温度应力的目的。

（2）避免应力集中。在孔洞周围、断面突变部位、转角处等，由于温度变化和混凝土收缩，会产生应力集中而导致裂缝。为此，可在孔洞四周增配斜向钢筋、钢丝网；在断面突变处，可作局部处理使断面逐渐过渡，同时增配抗裂钢筋。

（3）预留温度伸缩缝，减少约束。

（4）各块体平行施工，避免相邻浇筑块过大的高差和侧面长期暴露。相邻坝块的高差控制在8m以内。

4.5 其它措施

在混凝土中配置少量的温度钢丝网或者掺入纤维材料有助于混凝土的温度裂缝控制在允许范围之内。

5 结语

由于水利工程大体积混凝土本身及其与周围环境相互作用的复杂性，因此，温度裂缝的产生原因一般不是由单一的因素造成的，但受内部水化热和外界环境温度的变化影响较大。为避免和控制大体积混凝土温度裂缝的出现，必须优化配合比设计，采取合理措施降低混凝土结构的约束，同时认真组织施工，加强养护，这样才能确保大体积混凝土结构的整体质量。

参考文献

[1] 赵雯.水工结构大体积混凝土温度应力及裂缝控制研究[D].合肥工业大学，2010年

[2] 钱峰；吕晓刚；刘飞飞.浅析大体积混凝土温度裂缝成因及控制措施[J].科技信息，2012年第14期