孙维东 张之伟 苏凯 王英彬 陈瑜

（1 中国建筑第七工程局有限公司，河南 郑州 450004；2 中建七局总承包有限公司，河南 郑州 450000；3 河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454000）

0 引言

随着土木工程基础设施建设的飞速发展，对大型建筑（高层建筑、港口、大坝、大型桥梁等）的需求日益增多，大体积混凝土在土木工程施工中的应用越来越普遍。然而，大体积混凝土施工中温度裂缝问题一直是一个关键难题。由于大体积混凝土的截面尺寸较大以及导热性较差的原因，浇筑过程中大量的水化热无法释放到结构外部，混凝土浇筑后结构内外温差较大，结构自身将产生较大的温度应力，且该温度应力正好出现在混凝土凝固的早期，温度应力极易超过混凝土的极限强度，造成大体积混凝土结构的早期开裂。

结构内部大量的水化热以及截面尺寸较大是造成大体积混凝土温度裂缝出现的根本原因。目前，大体积混凝土温度裂缝控制措施主要是材料和施工两个层面入手。材料包括相变材料（PCM）、水化热调控材料；施工措施方面包括在结构内部预埋冷却水管、在结构外部设计循环蓄水装置以及在结构表面覆盖保温材料。本文将分析归纳水化热的影响因素，探讨了不同的温度裂缝控制措施，总结大体积温度裂缝控制技术的优缺点，为今后大体积混凝土温度裂缝控制的研究工作及工程应用提供参考。

1 大体积混凝土的不同定义

目前，对于大体积混凝土的定义有很多，如表1 所示。从表1 可知，美国在对大体积混凝土进行定义时，没有考虑构件的尺寸大小，仅考虑了水化热所引起构件的体积尺寸变化。而日本定义大体积混凝土时，不仅考虑了构件的尺寸和水化热的作用，也给出了具体的规范数值（最小断面的尺寸要比800mm 大且构件的内外温差在25℃以上）。相比之下，国际预应力混凝土协会充分地考虑了材料的掺量和构件的尺寸两方面的影响，给出了构件最小断面的尺寸大于600mm，尤其是水泥的掺量大于400kg/m3的具体规定，并且提出了这类结构需要进行针对性的降温处理。我国《普通混凝土配合比设计规程》对于大体积混凝土的定义为：混凝土结构物实体的最小截面尺寸应该大于等于1m，或预计在施工过程会因水泥水化热作用和收缩而产生有害裂缝，这也是在我国土木行业内被大多数学者所认可的一种解释。

表1 大体积混凝土的定义

可以看出，大体积混凝土的定义是比较模糊的，各个国家有着自己的判断标准。但从表1 中的归纳总结可知，构件尺寸的大小还有水化热的影响是定义大体积混凝土的关键点。我国在定义大体积混凝土结构时，提到了温度裂缝这一观点，这也与国际上提出的水化热作用对应起来。从大体积混凝土的定义中可知，大体积混凝土施工关键在如何控制结构中的水化热，避免温度裂缝的出现，这也是该领域的研究热点问题。

2 大体积混凝土水化热的影响因素分析

水化热是造成大体积混凝土出现温度裂缝的根本原因。影响大体积混凝土水化热的因素有很多，主要包括原材料及配合比、施工方法以及施工时环境因素等。

2.1 原材料及配合比对水化热的影响

水化热是水泥的水化作用而放出的，原材料及配合比是影响水化热的最为直接的一种因素，包括不同品种的水泥、不同种类或不同用量的矿物掺合料、混凝土水的不同用量（水灰比）以及部分外加剂的添加等方面。考虑原材料及配合比的水化热研究成为大体积混凝土设计及施工关注的重点，从水泥、矿物掺合料、外加剂以及水灰比等方面总结和归纳了对水化热的影响。

贺罗[6]等结合具体工程（平塘特大桥），提出了保证强度的基础上减少其每立方米混凝土水泥用量，严格控制水泥中铝酸三钙含量，有效地降低了水化热，防止了混凝土的开裂。杨辉[7]等通过试验发现，减少混凝土中水泥的用量可以降低结构的绝热升温。（1m3混凝土中平均减少10kg 水泥，结构绝热温度平均下降1.25℃）。王滋元[8]等通过对比试验发现，改变水泥的品种可以影响水化热的放热速率，当硅酸盐水泥品种为中热、低热时，放热速率是普通硅酸盐水泥的一半左右，同时显著降低结构的绝热温升。因此，选择品种适宜的水泥，严格控制硅酸盐水泥中铝酸三钙含量，能有效地降低水化热；此外，中、低硅酸盐水泥在控制水化热方面效果明显，将水化热的放热速率峰值控制在原来的50%。同时，降低混凝土中水泥的比重，能够相应地减少其绝热温度。在进行大体积混凝土原材料选取时，可以选用低水化热的水泥或者控制相应的水泥占比。

在混凝土中掺入合适的矿物掺合料是降低水化热的有效方法。李保亮[9]等通过进行对比试验发现，在70h 内，纯水泥以及掺矿渣粉、锂渣粉、钢渣粉、镍铁渣粉的水化热依次降低；在早期16h 内，纯水泥以及掺锂渣粉、镍铁渣粉、矿渣粉、钢渣粉的水化热依次降低。因此，在混凝土中掺钢渣粉能有效降低早期水化热；掺镍铁渣粉能有效降低整个过程的水化热。张士山[10]等将掺合料25%与20%进行对比，发现混凝土早期强度略微降低但差别不大，但水用量减少，水化热降低。王景然[11]等通过试验发现，掺入的提钛尾渣占比20%在12h 之前明显高于纯水泥的水化热，而水化12h 之后提钛尾渣占比20%的水化累积放热量增长缓慢，且低于纯水泥。以上研究也表明，矿物掺合料的掺入量过多或过少对水化热的控制存在显著影响。因此，确定合适的矿物种类以及适当的掺入量，是大体积混凝土的关键因素和研究热点。

混凝土的水灰比不但影响混凝土的强度，同时还影响早期混凝土的水化热，进而影响大体积混凝土的水化热。陈松[12]通过试验发现，水泥水化热与水灰比成正比，水灰比越大，水与水泥颗粒越能充分接触，有利于水化反应的进行，因而水灰比越高放热量越高。同时，特定的外加剂（如缓凝剂、速凝剂、早强剂等）能够显著影响水化速度，但是外加剂的使用需要考虑众多因素。因此，在水化热控制过程中，一般在其它影响因素确定后，根据工程需要再选择合适的外加剂，此时混凝土既符合质量标准，又能较好适应实际工程的需要。

综上所述，降低水化热能有效地控制水泥和掺合料在混凝土中的占比。水灰比对水化热的影响效果最直接，特定的外加剂能够显著影响水化放热速度，但同时还会显著影响混凝土的工程特性。因此，在以控制材料降低水化热时，宜首先选择水泥和矿物掺合料及配合比，最后选择合适外加剂加以调控。

2.2 施工方法对水化热的影响

大体积混凝土的施工方法将影响水化热，合理的浇筑施工方法能有效降低水化热的影响，如在大体积混凝土中采用全面分层、分段分层、余面浇筑以及跳仓法等施工方法降低水化热。韦永华[13]等提出在大体积混凝土浇筑前，应首先确定技术要点，并编制科学合理的施工方案。韩欣君[14]等提出全面分层浇筑、全面整体浇筑等可以相应地减少水化热的释放，减少裂缝的出现。但每种施工有合适的工况情况，所以在选择常用的浇筑技术时，应该结合各个浇筑技术的特点以及适用的范围。徐红[15]等结合地铁大体积混凝土施工，选择连续不间断的分层浇筑方法，并进行第二次的振捣及加强养护等工作，控制裂缝的出现。马小瑞[16]等针对超低温储罐基础大体积混凝土，采用同步浇筑的方法，分段定点进行，在有坡度上进行浇筑工作时，选择了层层浇筑的施工方法，保证结构温度在合理范围之内，避免温度裂缝出现。李金奎[17]等为了控制大体积海工混凝土结构的温度以及裂缝的出现，选择了跳仓法进行浇筑工作，并选择合适的保温材料进行覆盖养护，该方法有显著的降温效果，降低了裂缝出现的可能性。

传统的施工方法是循序渐进的分段分层浇筑，施工简单效果适中，但施工中水化热不易释放，加剧了大体积混凝土内部温度的聚集，可能造成大体积混凝土出现早期温度裂缝。采用全面分层、余面浇筑、跳仓法施工方法，能有效降低混凝土内部热量的聚集，但这些施工方法适用范围比较难把握，操作时需要把握好施工技术要点。因此，在降低结构水化热的同时，为了施工方便，应该根据工程特点选择合适的施工方法，并做好质量管控。

2.3 环境温度对大体积混凝土水化热的影响

不同环境温度也是影响水化热的因素，大体积混凝土的温度组成包括水泥的水化反应而产生的热量温度、浇筑时混凝土自身的温度以及完成浇筑后冷却过程中的散热温度，浇筑工作选择合适的季节和温度也是降低水化热，减少温度裂缝出现的一种方法。表2 基于数值模拟研究，总结归纳了不同环境温度对水化热的影响，王松等通过有限元软件Midas 模拟分析，得出初始温度为35℃时结构表面和中心温差要大于初始温度为20℃、25℃和30℃，内外温差值超过25℃，因此，随着初始温度的升高，水化热也相应的升高，温度裂缝出现的概率增大。汪建群、王雨川等通过使用有限元软件，模拟分析不同环境温度情况下的大体积混凝土温度应力情况，发现了环境温度差是影响水化热的原因，但其核心温度不发生改变，主要影响的是结构表面点温度。因此，在进行大体积混凝土施工时，要考虑不同环境温度对其水化热的影响，在合适的温度下施工，保证结构内外温差在25℃以下，避免裂缝出现。

表2 基于数值模拟分析不同环境温度对水化热的影响

3 大体积混凝土温度裂缝控制措施

如表3 总结归纳了有关大体积混凝土温度裂缝的控制措施研究进展。目前，大体积混凝土温度裂缝控制主要从材料选择和施工措施两个方面入手。材料选择方面包括采用水化热调控材料、相变材料等，施工措施方面包括内部冷却管布置、外部蓄水冷却装置布置以及外部保温材料覆盖等。由表3 中的试验内容及结论可知，施工措施方面的控制措施及研究工作较为成熟，在现有工程中，大多数建筑采用特殊的施工措施控制大体积混凝土裂缝。

预埋冷却水管法是效果最明显的一种控制方法，内部两冷却管布局间距越小，降温越明显，但是设计时需要考虑经济效应和施工的难易程度。循环蓄水控制法效果明显且环保，可以减少资源的浪费，有较好的经济效益，但施工相对繁琐。此外，保温材料覆盖法也是较好的控制措施，施工简单且环保，选择性能良好的保温材料（橡塑、聚乙烯等）进行覆盖，降低结构的内外温差，其保温材料也可收回再利用，与预埋冷却水管法或循环蓄水控制法结合使用，效果更好。水化热调控材料和相变材料的应用相对较少，但材料应该是控制措施中操作最为简单的一种方法，降温效果显著、经济效益最高以及仍有较大的提升空间。因此，在考虑具体工程采用什么温度裂缝控制措施时，施工措施应该是现阶段优先考虑的，待相关材料的研究趋于成熟时，可将材料方面的控制措施放在首位。

表3 大体积混凝土温度裂缝控制措施研究进展

4 结束语

本文总结并探讨了有关大体积混凝土水化热的影响因素及温度裂缝控制措施，为高质量的大体积混凝土设计与施工提供参考。基于对现有研究的归纳分析，主要总结如下：

（1）当前大体积混凝土的定义并不完全相同。一部分国家仅考虑结构的截面尺寸大小，另一部分国家只考虑该结构是否受到水化热的影响，较为全面的定义应该是两者同时考虑，如何统一标准表述大体积混凝土值得关注。

（2）影响水化热的因素有很多。控制原材料及配合比，是大体积混凝土温度裂缝控制的较好措施，但其影响机理较复杂，相关研究还需深入。大体积混凝土结构、所处环境各不相同，因此控制大体积混凝土水化热的施工方法要因地制宜采用。

（3）在大体积混凝土温度裂缝控制措施方面。施工控制措施相对成熟，结构内部预埋冷却水管的方法，工期较长且施工工序相对繁琐，但裂缝控制效果最好。如果考虑减少工期以及较好的裂缝控制效果时，可以采用循环蓄水控制法，在考虑环保以及施工成本时，可以选择保温材料覆盖的方法。水化热调控材料和相变材料还是处于一个起步阶段，但随着材料科学的进步，采用新型材料将是大体积混凝土温度裂缝控制的主要措施之一。