摘 ?要：歸納總結(jié)北江（曲江烏石至三水河口）航道擴(kuò)能升級(jí)工程白石窯樞紐船閘工程大體積混凝土施工中所采用的一些溫控防裂措施，包括對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土配合比的優(yōu)化（原材料的選擇），合理的施工措施等方面提出了溫控防裂措施。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土;水化熱溫度;溫控措施;溫度應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U445.57 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2021）11-0000-00

0引言

大型混凝土以其豐富的原材料、便捷的施工和較強(qiáng)的承重能力，在交通、水利、路橋施工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于大型混凝土結(jié)構(gòu)體積大，凝膠材料含量豐富，在維護(hù)期間產(chǎn)生顯著的水熱液化反應(yīng)，在內(nèi)外溫差和外部環(huán)境的影響下，極易出現(xiàn)溫度裂縫，溫度裂縫控制不好會(huì)導(dǎo)致滲透裂縫的產(chǎn)生，造成永久性破壞，不利于工程的施工作業(yè)，破壞結(jié)構(gòu)的正常功能。

1工程概況

1.1工程簡(jiǎn)介

北江航道擴(kuò)能升級(jí)工程主要的施工地段為船閘的重新構(gòu)筑，航道底板的拓寬澆筑，這些工程需要在短時(shí)間內(nèi)完成大量的澆筑工作，存在明顯的水化放熱現(xiàn)象，同時(shí)工程屬于一次性工程，不能出現(xiàn)二次修補(bǔ)的情況，因此控制溫度的產(chǎn)生，防止溫度應(yīng)力帶來(lái)的危害為施工的重難點(diǎn)。

1.2溫度應(yīng)力的危害

在澆筑大型混凝土結(jié)構(gòu)的硬化過(guò)程中，凝膠材料產(chǎn)生大量熱量，但是產(chǎn)生的熱量散熱不均勻，結(jié)構(gòu)中的溫度遠(yuǎn)高于外部溫度。這種散熱不均帶來(lái)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度梯度將產(chǎn)生出各個(gè)部位所受的溫度應(yīng)力不同的情況。如果溫度應(yīng)力超過(guò)其允許值，則形成溫度裂縫，溫度控制不好導(dǎo)致滲透裂縫的產(chǎn)生。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)減少拉伸應(yīng)力的發(fā)生，或?qū)⒗鞈?yīng)力控制在允許的拉伸強(qiáng)度內(nèi)，以防止溫度裂縫的發(fā)生[1]。

2水化熱計(jì)算方法及熱傳導(dǎo)理論

2.1熱傳導(dǎo)理論

熱傳導(dǎo)是物體中沒(méi)有宏觀運(yùn)動(dòng)的傳熱現(xiàn)象，是高溫向低溫轉(zhuǎn)移的過(guò)程。熱傳導(dǎo)方程是計(jì)算大體積混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)，混凝土的傳熱也遵循能量守恒規(guī)律：內(nèi)部能量的增量U，等于吸收熱Q和外部?jī)?nèi)部工作功的總和。熱傳導(dǎo)示意圖如圖1所示。

2.2水泥水化熱計(jì)算

水泥水化熱是混凝土絕熱溫度升高的原因，水泥水化熱與水泥的礦物成分有關(guān)，是化學(xué)和物理反應(yīng)的過(guò)程。水泥四大礦物質(zhì)三硅酸鈣、二硅酸鈣、三鈣鋁、鐵鋁酸四種鈣與水連續(xù)快速反應(yīng)并釋放出大量熱量。其計(jì)算公式為Q0=4/（7/Q7-3/Q3），Q0水泥最終水化熱，單位為kJ/kg;Q3、Q7齡期為3d、7d時(shí)累計(jì)的水化熱。

2.3 混凝土的絕熱溫升

混凝土絕熱溫度的升高是指混凝土對(duì)混凝土凝膠材料完全水化引起的熱轉(zhuǎn)換溫度，不與外界交換熱量，即熱損失為0。最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得混凝土絕熱溫度升高，直接確定混凝土的絕熱溫度值，如果項(xiàng)目初始階段或材料缺乏也可以用實(shí)證表達(dá)來(lái)計(jì)算[2]，表達(dá)式如下：Tmax=Tp+ζTα+Tco， 式中 Tmax為澆筑結(jié)構(gòu)完成時(shí)的最高溫度值（℃）;Tp為混凝土的初始溫度（℃）;ζ為溫度衰減系數(shù)，Tα為混凝土在不受外界影響下的理想溫度（℃），Tco為冷卻系統(tǒng)的降溫溫度（℃），一般實(shí)際工程當(dāng)中只能達(dá)到2～4℃，冷卻系統(tǒng)降溫水管密集時(shí)可取最高值，反之取最低值，當(dāng)沒(méi)有降溫系統(tǒng)時(shí)取0。溫度衰減系數(shù)則按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值進(jìn)行選取，具體的實(shí)際數(shù)值按照下表對(duì)照工程施工情況進(jìn)行合理有效的選取，確保在缺乏測(cè)量設(shè)備時(shí)能夠計(jì)算出比較準(zhǔn)確的混凝土絕熱溫度，為后面的其他參數(shù)的計(jì)算做好基礎(chǔ)工作[3]。見(jiàn)表1。

3溫控措施

3.1合理選擇外加劑

外加劑的選擇需要在保證工程強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，選用其他的化學(xué)輔助劑來(lái)減少水或者水泥的使用量。其中，常用的是膨脹劑、減水劑和防水劑等化學(xué)輔劑，比較常見(jiàn)的是燒結(jié)黏土、渣土和粉煤灰等礦物混合物?？刂拼篌w積混凝土的溫度主要手段是使用高效的減水劑和粉煤灰雙混合的技術(shù)。粉煤灰的加入可以顯著減少早期水化熱量，并大大改善混合物的功能。研究表明，采用化學(xué)輔助劑和其他材料混合的情況下能夠減少約15%的水化熱的產(chǎn)生，水泥使用量可降低15%左右，隨著煤粉灰比例的增加所產(chǎn)生的熱量相應(yīng)的減少。然而，隨著煤粉灰的比例的增加，混凝土的膨脹系數(shù)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也在相應(yīng)的降低，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，因此通過(guò)前期的實(shí)驗(yàn)工作，在保證強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，添加減水劑可減少混合水的量，發(fā)揮可塑性、降水性等作用。此外，通過(guò)添加少部分的膨脹劑，既可以填補(bǔ)因?yàn)槊悍刍規(guī)?lái)的膨脹度不足的問(wèn)題，又延緩混凝土的塌縮過(guò)程，能夠得到充分的時(shí)間對(duì)混凝土進(jìn)行降溫工作。在降低混凝土水化熱量的前提下，增加結(jié)構(gòu)的緊湊性。實(shí)踐證明，新型納米膨脹劑MgO具有空隙填充大和分布均勻的特點(diǎn)，在大體積混凝土的制備中具有廣泛的適用性。從成本控制的角度來(lái)看，納米MgO和光燃MgO的結(jié)合具有更安全、更大的應(yīng)用范圍，為混凝土收縮補(bǔ)償提供了更有效的解決辦法。

3.2選擇低熱水泥及骨料

減少熱量的產(chǎn)生，要從材料的本質(zhì)出發(fā)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)算得知，選用低熱量的水泥能夠大幅度減少熱量的產(chǎn)生，具體為每單位低熱量水泥能夠比傳統(tǒng)的水泥減少約1℃的混凝土絕熱溫度，同時(shí)采用高膨系數(shù)的骨料也可以減少熱量的產(chǎn)生，膨脹系數(shù)越高的骨料能夠給水泥帶來(lái)更高的膨脹度和整體質(zhì)量，這樣能夠減少水泥的使用從而降低熱量的產(chǎn)生。如果將混凝土混合物與連續(xù)聚合物配置，則占用體積相對(duì)較高，輕度較好，可減少水泥量，保證混凝土強(qiáng)度，從而起到間接減少水化熱耗的作用。粗料的最大顆粒尺寸應(yīng)充分考慮施工過(guò)程的條件和匹配比例設(shè)計(jì)的實(shí)際要求，確定細(xì)骨塊直徑2.6～2.9mm是否合適，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)粗砂和中砂，并根據(jù)設(shè)計(jì)要求，盡量減少砂。

選擇骨料。在選擇大體積混凝土細(xì)骨料時(shí)，材料應(yīng)優(yōu)先使用優(yōu)質(zhì)中砂。根據(jù)行業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)，使用細(xì)度系數(shù)為2.9、平均顆粒大小為0.38mm的中砂時(shí)，同時(shí)加入細(xì)度為2.12、平均顆粒大小為0.33mm的細(xì)砂可減少每立方米混凝土28～35KG的水泥用量和20～25KG的混凝土的耗水量，抑制化學(xué)反應(yīng)引起的熱量釋放和混凝土收縮。礫石混合物質(zhì)地均勻、堅(jiān)固，顆粒形狀良好，孔隙率小，表面清潔，吸水率低，膨脹線性系數(shù)低。河砂應(yīng)重點(diǎn)控制污泥含量（≤2%）、污泥含量（≤1%）和細(xì)度系數(shù)（2.5-3.0）等關(guān)鍵指標(biāo)。

在選擇大體積混凝土粗骨料時(shí)，選擇礫石作為要填筑的粗骨料，采用連續(xù)分級(jí)的粗骨料的混凝土具有良好的可加工性、低耗水量和低水泥消耗性，使混合混凝土更加均勻、密集，具有良好的抗裂性和壓縮強(qiáng)度。相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，5～40mm粒徑石料與每立方米5～20mm石料混凝土相同的水灰比例可減少20KG水泥用量和約15KG耗水量。將水化熱降低2℃，礫石應(yīng)注意質(zhì)量控制，礫石松堆連續(xù)孔隙率≤45%，碎石破碎程度值（≤20%）、污泥含量（≤1%）、大塊泥塊含量（≤0.5%）、針狀片狀顆粒含量（≤8%）等重要指標(biāo)。

3.3礦物摻和料的選擇

將礦物混合物混合在混凝土中，可降低水泥消耗，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，提高混凝土性能，提供良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，添加礦物混合物可以提高混凝土的抗裂性，因此在制作混凝土?xí)r，應(yīng)考慮添加合適的礦物混合物。常見(jiàn)的礦物混合物是粉煤灰、渣、硅粉和石粉，粉煤灰是火山灰的活性材料，與混凝土以適當(dāng)?shù)谋壤旌希蓽p少初始熱水化，減少干收縮，提高混凝土和減水的易感性，提高混凝土的強(qiáng)度，顯著提高混凝土的耐久性?；炷僚浔戎谢旌系姆勖夯伊繎?yīng)適當(dāng)，不要太低或太高。太低無(wú)法達(dá)到效果，過(guò)高會(huì)導(dǎo)致混凝土初始強(qiáng)度低，水溫低。因此，在確定粉煤灰量時(shí)，必須確保滿足相關(guān)技術(shù)要求，滿足施工要求。

3.4出機(jī)口溫度控制措施

通過(guò)對(duì)水泥、粉煤灰、粗細(xì)骨料、拌和用水等原材料的溫度控制來(lái)達(dá)到控制出機(jī)口溫度的目的，原材料主要通過(guò)下述方法控制：

控制水泥和粉煤灰的罐體溫度。具體罐體溫度為：1月至4月、11月至12月，水泥的入罐溫度控制在60°以下，粉煤灰的入罐溫度控制在40°以下;6月份的水泥溫度應(yīng)當(dāng)?shù)陀?0°，粉煤灰低于50°;5月份水泥溫度低于70°，粉煤灰低于50°;在7月和8月水泥的入罐溫度低于95°，粉煤灰低于60°。不要超過(guò)控制值，否則拒絕進(jìn)行澆筑作業(yè)。9月份水泥溫度低于80°，粉煤灰低于50°。同時(shí)在夏季需要在水泥罐、粉煤灰罐中設(shè)置罐噴系統(tǒng)，噴灑系統(tǒng)用井水或深水區(qū)北江水冷卻，使罐體冷卻，避免罐體水泥和粉煤灰溫度升高。

骨料倉(cāng)、漏斗、進(jìn)料帶等均采用彩色鋼瓦遮蔭，其中骨料倉(cāng)需要設(shè)置噴霧冷卻系統(tǒng)。噴水冷卻系統(tǒng)的任務(wù)是通過(guò)高壓泵從井下或北江深水區(qū)通過(guò)高壓泵將水從井下或深水區(qū)轉(zhuǎn)移，并將細(xì)霧化水蒸氣均勻地噴灑在骨料的表面和上部空間，一方面通過(guò)蒸發(fā)水蒸氣實(shí)現(xiàn)骨冷卻的目標(biāo)，另一方面，在人工遮陰下形成人工氣候環(huán)境，使棚子始終保持濕潤(rùn)狀態(tài)，有效地與外界熱源隔絕。高壓噴嘴的有效覆蓋面為4.0m×4.0m，為確保冷卻效果，噴嘴的距離為3.0m×3.0m。

3.5改善施工工藝

改進(jìn)施工工藝可以有效降低混凝土內(nèi)外的溫差，充分控制結(jié)構(gòu)內(nèi)的最高溫度，減少溫度裂縫[4]。這包括實(shí)施澆筑振搗過(guò)程、具體的溫度控制措施以及選擇合理施工技術(shù)的澆筑方法，具體如下：

（1）內(nèi)外溫差及澆筑溫度控制措施。目前，控制大體積混凝土澆筑過(guò)程中的溫度梯度問(wèn)題最有效的辦法就是控制混凝土澆筑時(shí)混凝土的初始溫度、出倉(cāng)溫度和冷卻溫度的一致性。除了保證混凝土自身的溫度外，還要克服外界溫度帶來(lái)的影響，特別是夏天因?yàn)闀円箿夭畲髱?lái)的溫度應(yīng)力集中的問(wèn)題，應(yīng)采取有效措施降低溫度。例如，適合防曬的原料場(chǎng)，采用空氣冷卻或水冷工藝，如混凝土混合物前的預(yù)冷卻，也可在必要時(shí)與冰水混合。此外，要加快酸混合物的儲(chǔ)存速度、運(yùn)輸時(shí)間。采取冷卻循環(huán)水系統(tǒng)降溫時(shí)需要提前在降溫目標(biāo)內(nèi)埋設(shè)水管，然后嚴(yán)格控制通水時(shí)間和水循環(huán)速度的控制，降低澆筑板塊內(nèi)外的溫差，保證澆筑工作的順利進(jìn)行[5]。

（2）澆筑方法的合理選擇。根據(jù)澆筑體積大的特點(diǎn)，可以選擇薄層澆筑技術(shù)，工藝應(yīng)遵循"分段定點(diǎn)、順序驅(qū)動(dòng)、傾斜自流、一次向上、薄膜澆筑"的原則。薄膜澆筑技術(shù)利用大量的混凝土混合材料逐層分解澆筑，有助于加快內(nèi)部向外熱分布，增加混凝土冷卻面，在一定程度上增加工程結(jié)構(gòu)，降低溫度裂縫和混凝土溫度負(fù)荷的可能性。在實(shí)際工程中，制定詳細(xì)的分層澆筑計(jì)劃，避免因?yàn)樯舷聦訚仓r(shí)間不統(tǒng)一帶來(lái)的應(yīng)力集中，導(dǎo)致垂直方向上的裂縫。或者是因?yàn)樘〉臅r(shí)間間隔，導(dǎo)致各層中的熱量來(lái)不及散發(fā)，從而造成熱脹冷縮問(wèn)題，使?jié)仓Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。因此需要以第一層澆筑的時(shí)間和溫度作為基準(zhǔn)值，在這個(gè)基準(zhǔn)之上，合理設(shè)置澆筑時(shí)間和體量。

4結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)分析了大體積混凝土水化熱和提出了溫度控制措施，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)和理論數(shù)值計(jì)算及施工過(guò)程中采用的溫度控制和裂縫預(yù)防措施，總結(jié)得出了一些有價(jià)值的結(jié)論，但在最初的數(shù)值計(jì)算中假設(shè)了許多理論條件，與實(shí)際參數(shù)值有部分偏差，仍有待進(jìn)一步研究改進(jìn)。

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收稿日期：2021-10-02

作者簡(jiǎn)介：李洪恩（1992—），男，河南南陽(yáng)人，本科，助理工程師，研究方向：水工施工。

Abstract：This paper summarizes some temperature control and crack prevention measures adopted in the mass concrete construction of Baishiyao junction ship lock project of Beijiang （Qujiang Wushi to Sanshui estuary） channel expansion and upgrading project， including the optimization of on-site concrete mix proportion （selection of raw materials）， reasonable construction measures， and puts forward temperature control and crack prevention measures.

Key words： Mass concrete; Hydration heat temperature; Temperature control measures; Temperature stress