控制大体积混凝土水化热危害的原材料选择及工艺措施

王金生

(甘肃省路桥建设集团有限公司，兰州730000)

混凝土水化热在水库大坝、泵站、桥梁及大型设备基础等大体积混凝土施工中较为常见。由于混凝土凝结、硬化过程中，水泥的水化反应，产生大量的水化热，水化热积聚在内部不易散发，使内部温度上升到50℃～70℃以上。内外温差引起巨大的内应力和温度变形，使混凝土产生裂缝、变形，甚至破坏，因此，水化热对大体积混凝土工程是十分不利的［1］。

关于大体积混凝土，我国目前尚未有一个确切的定义。日本建筑学(JASS5)规定:“结构断面最小厚度在80 cm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温差超过25℃的混凝土，称为大体积混凝土。”美国混凝土学会(ACI)规定:“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。”

防治水化热的危害，一直是工程技术人员研究的课题。大量文献显示，造成大体积混凝土裂缝、变形的因素与水泥的品种和用量、内外约束条件、外界气温变化、混凝土收缩变形及混凝土匀质性等有关。

1 胶凝材料选择

防治水化热危害最有效的方法是优选原材料与控制配合比，可从以下几方面着手:

1)选用水化热低、水化速度较慢的水泥。混凝土温度升高主要是由于水泥水化过程中释放大量热量所致，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为［1］

式中，θ为绝热温升;t为时间;W为水泥用量;q为单位质量水泥在单位时间内放出的水化热;c为质量热容;ρ为密度;Q为单位时间内单位体积中发出的热量。

由式(1)可见，混凝土温度的升高不仅与水泥用量有关，还与水泥品种有关。所以，在水泥用量相同的条件下，选用水化热低、凝结时间长的水泥，能够有效降低水化热。普通硅酸盐水泥水化热较大，不宜采用;矿渣硅酸盐水泥与火山灰水泥水化反应慢，水化热低，后期强度高，大体积混凝土中广泛采用［2］。

2)掺加粉煤灰。由式(1)可知，水泥用量大的混凝土产生的水化热也大，特别对于高强度混凝土，相应单方水泥用量较多，水化热引起的混凝土内部温升较普通混凝土要大。所以，在不影响混凝土强度和坍落度等使用性能的前提下，在混凝土中掺入粉煤灰，来取代部分水泥，可达到降低水化热的目的。文献［3］中的试验表明，掺入30% ～60%粉煤灰可使水泥7 d水化热降低约10%～50%。

3)加入缓凝剂。为了减少水化热，降低混凝土温度，往往希望混凝土缓凝，即延长混凝土初凝时间。试验表明，加入缓凝剂后，水泥的初凝时间可分别延长1～4 h不等，从而推迟混凝土放热峰值出现的时间。由于混凝土的强度会随龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土强度也增大了，从而减小温度裂缝出现的机率。

2 施工控制措施

大体积混凝土内部的温度是一个随时间和位置而变化的瞬态温度场，它的初期变化近似于抛物线分布，随龄期增加逐渐趋于平缓，最后与外界气温趋于平衡。影响其变化的因素较多也较复杂。实际的温度控制中，一般考虑混凝土内部的温度峰值与内外温差变化情况。混凝土内部的温度峰值主要受混凝土用料及配合比、散热边界条件、外部环境等影响，可以分为浇筑温度、水泥水化热温升和混凝土散热温度三部分组成，相应的温度控制方法也主要针对这几个部分。

2.1 降低混凝土的入模温度

尽可能避免在高温天气下浇筑大体积混凝土，对水泥骨料采取预冷措施，混凝土的拌合、运输、浇筑过程应尽量衔接紧密，以保持混凝土良好的和易性，浇筑完后及时做好养护工作。

2.2 控制内外温差

在浇筑块体厚度较大的情况下尽可能采用循环冷却水降低内部温度(见图1)，外面加强保温措施，如用麻袋和塑料薄膜进行保温和保湿。须控制混凝土中心与外表面最大温差不高于25℃ ～30℃，以防止混凝土表面出现干缩裂缝。

图1 承台冷却水管埋设示意(单位:m)

2.3 分层浇筑

分层浇筑混凝土，层间混凝土的间隔时间应不大于混凝土的初凝时间，浇注上层混凝土前应对老混凝土表面进行清理并充分湿润。

2.4 采取表面保温措施

在加强混凝土体内降温措施的同时，在边界上采用适当的保温措施，如在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料(如草袋、锯末、温砂等)，控制外部混凝土与内部混凝土之间的最大温差不超过25 ℃ ～30 ℃［4］，以防止出现裂纹。

2.5 控制拆模时间

根据工程的实际情况，尽量延缓拆模时间，这样混凝土具有一定的强度，可以抵抗可能产生的温度应力［5］。特别是当桥梁承台在冬季施工时，为防止拆模后外界温度陡降引起温度应力，拆模后应立即回土覆盖，控制内外温差。

2.6 改变设计，增加混凝土体内散热通道

1)设置后浇缝，当大体积混凝土平面尺寸过大时，可以适当地设置后浇缝，以减少外约束力和温度应力，同时也有利于散热，降低混凝土的内部温度。

2)通过结构设计验算，在满足功能、强度、耐久性的前提下，改变结构设计，增大混凝土的散热面积和散热通道，如图2所示。

图2 混凝土体内预留孔道示意

2.7 导管排气法，排除混凝土体内水化热

在混凝土中埋置导管(钢管、夹布胶管、钢丝网胶管及波纹管等)，降低混凝土体内水化热。

1)在混凝土中梅花形埋置φ50 mm的钢管，待混凝土凝固具有一定强度后，拔出钢管，用高强度等级细石混凝土将管孔灌实。注意，在混凝土开始硬化后，每隔1 h将钢管转动一周，否则，混凝土凝固后，钢管将拔不出来。

2)在混凝土中埋置夹布胶管或钢丝网胶管，管内充水或充气，使管径增大，待混凝土初凝后，放出水或空气，抽出胶管，形成排气通道。混凝土硬化后，用高强度等级细石混凝土灌实。

3)将钢波纹管埋置于混凝土内形成排气孔道，排除体热，待水化反应基本结束后，用高强度等级砂浆灌实，钢波形管不需要拔出。

3 结语

本文对大体积混凝土水化热的防治方法及施工控制措施进行了分析，指出了预先控制水化热危害的途径，具有很强的可操作性与现实意义。大体积混凝土只要经过认真的施工组织设计、选择合理的施工方法和合适的材料，就能有效地降低水化热带来的危害。上述三种方法和七种措施，在具体运用中，要注意实际操作的可行性，具体工程具体对待，既考虑工程质量，又要考虑工程经济。

［1］吴叶莹.大体积混凝土施工期温度裂缝计算分析［J］.铁道建筑，2007(9):105-107.

［2］杨秋玲，马可栓.大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析［J］.哈尔滨工业大学学报(自然科学版)，2004，36(2):261-263.

［3］俞海勇，徐强.粉煤灰胶凝体系水化温升及其抗裂性能的关系［J］.混凝土，2000(11):21-23.

［4］蔡炎标，冯炳生.崖门大桥主墩承台大体积混凝土水化热试验分析［J］.国外桥梁，2001(3):66-68.

［5］齐有章.大体积混凝土结构裂缝控制探讨［J］.铁道建筑，2006(3):97-98.