陈 彪

（广东水电二局股份有限公司，广东 广州 511340）

1 工程概况

北江（韶关至乌石）航道扩能升级工程孟洲坝枢纽二线船闸位于北江上游、韶关城区下游13 km处，为北江航道扩能升级项目起点，概算投资13.47亿元。主要工程包括船闸工程（含门机电等）、上下游引航道、上下游导航墙（含导流墙）、上下游靠船段、上下游停泊锚地、闸桥工程、房建工程、标志标牌、环保工程、信息化工程以及大型临时工程等配套及附属工程，船闸按照Ⅲ级船闸建设，可通行1000 t级船舶，有效尺度为220m×23m×4.5m（闸室有效长度×闸室宽度×门槛最小水深），船闸上、下游引航道长各640 m、385 m，宽82 m。新建孟洲坝枢纽二线船闸工程，主体结构混凝土浇筑量为3×10m。工程大体积混凝土结构多，断面形状复杂，施工过程中的控温防裂任务十分烦琐。混凝土的平均运输距离不超过1 km，较短的运输距离可以防止混凝土在运输过程中的温升。

减少由于混凝土浇筑过程中产生的较大的温度应力，防止裂缝产生是该工程施工质量控制的重点和难点。为了有效地控制有害裂缝的出现和发展，从控制混凝土水化升温、延缓降温速率、减少混凝土收缩、提高混凝土的极限拉伸强度以及改善约束条件等方面综合考虑混凝土的温控措施。

2 产生温度裂缝的原因

2.1 混凝土自身特性

混凝土是一种非常经典的复合建筑材料，具有抗压能力强但是受拉能力弱的特点，一般来说受拉能力只能达到抗压强度的8%~12.5%，因此一般会在混凝土中加入钢筋来增强其抗拉能力。温度应力带来的是轴向的拉应力，所以容易导致混凝土开裂。结合该工程，主要施工难点在于建筑物结构块体尺寸大、施工期暴露面多，环境气温变化大，混凝土施工强度大；原则上要求像船闸上闸首、闸室底板、下闸首等大体积混凝土浇筑应避开高温季节，其浇筑温度和最高温升应满足施工图纸的规定，但在实际施工过程中，由于夏季高温历时长，春、冬两季气温骤降频繁，导致大体积混凝土防裂控制难度大。

2.2 环境温度

混凝土是热的不良导体，其具有导热不均匀的特点，因此，在施工过程中混凝土的内对温度非常的敏感，环境的温度在很大程度上能够影响混凝土施工的最终质量，环境温差过大非常容易导致混凝土开裂。在不同的时间段和季节浇筑混凝土时，采用的混凝土类型和浇筑时间都不相同，各自具有最佳的混凝土类型选择和最佳浇筑时间。例如在夏季浇筑混凝土一般选择在晚上进行浇筑作业并且采用低水化热的混凝土，其目的是预防由于白天浇筑，外部温度过高，混凝土自身的热量无法对外释放，因此产生裂缝的问题。

2.3 混凝土水化放热

温度变化是水化热使裂纹形成的决定性因素，同时温度与时间具有相关性，因此水化热导致的裂纹具有时间属性。混凝土浇筑后，温度变化显示3个不同的阶段。首先是升温期，即自然条件下通常持续数周的水化放热期。然后是冷却阶段，此时水泥水化几乎没有热量释放。最后是稳定期，此时混凝土本身不再发热，而只是作为热导体，其温度随环境温度呈现周期性变化。混凝土水化放热曲线如图1所示。

图1 混凝土水化热变化时间曲线图

从图1可以看出，在混凝土浇筑后的3个阶段中，施工时温度控制的目标一般是降低最高温度和控制冷却过程。与此同时，混凝土温度变化速度慢时产生的温度应力逐渐松弛，当混凝土的抗拉强度超过最终温度应力时，不会产生裂缝。所以混凝土开裂的形成高度依赖于水泥的水化热，由于混凝土内部的各种材料混合时的各种化学反应产生大量的水化热，因此混凝土内部温度急剧上升，可导致温度上升20℃~30℃。混凝土浇筑半径超过2.5 m，内

部基本绝热。由于混凝土表面与空气直接接触，温度较低，散热速度较快；内外温度梯度大，分布极不均匀，混凝土极容易出现裂缝。因此，大体积混凝土施工前应进行混凝土热工计算，制定合理有效的温度控制方法和制定大体积混凝土施工温度控制专项方案。

2.4 混凝土温度应力

混凝土温度应力的影响主要与以下2个因素相关：1）与材料的性能有关。在工程中使用弹性模量较高的材料，就很容易避免因为热胀冷缩带来的抗拉压强度能力不够的问题，不容易形成裂缝，但是在采用的材料弹性模量不够的情况下就很有可能因为温度应力导致混凝土开裂，或者形成贯穿的裂缝。2）由于内部温度高，混凝土体内部膨胀率大，导致结构表面拉应力和结构内部压应力形成，当受拉区的拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土就会发生热裂。混凝土温度应力开裂示意图如图2所示。从图2可以看出，混凝土在升温阶段最容易在边缘开裂。

图2 温度热应力导致开裂示意图

3 温控防裂措施的应用

3.1 优化配比设计

在能够满足混凝土的质量达标和方便操作的要求下，可以在混凝土制作时，在其中加入必要的化学辅助剂和改变混凝土性能的各种矿物材料，使混凝土能够获得更好的性能。在实际的制作方案中一般采用高性能的减水剂减少水化热和加入煤粉灰加快混凝土凝固的双参法。在制作混凝土时掺入煤粉灰能够显著降低水化热的产生，同时能够加快混凝土的凝固，显著改善混凝土的施工条件。经过相关的试验研究表明，按照水泥质量的15%掺入煤粉灰能够降低约15%的水化热的产生，并且煤粉灰的掺入与水化热的产生呈现出线性关系，但是随着煤粉灰的掺入量的增大，混凝土的易用性难以得到保证，混凝土的质量也将大打折扣，因此需要经过查阅工程手册，确定一个最佳的煤粉灰混合比，来达到最好的优化效果。经过手册查阅，该工程采用双参法减少混凝土水化热的产生，保证混凝土的强度，具体参数比例见表1。此处的减水剂采用的是发泡剂而不是减水剂。因为煤粉灰自身具减少单位体积水泥的用水量的作用，但是会降低混凝土整体的膨胀系数，因此采用的外加剂为发泡剂。发泡剂采用新型的纳米氧化镁和轻烧镁的混合发泡剂，这样既能够保证增大膨胀系数，又能降低生产成本，增加经济效益。

表1 C30混凝土配合比

可以通过使用低热量水泥或者减少水泥用量使水化热减少，试验表明，每减少或者增加单位水泥的用量，就能够增加或者减少1℃的混凝土绝热温度。要减少水泥的用量，就需要在水泥中掺入一定配合比的骨料。骨料应选择放热量低、热膨胀系数小、含泥沙量不超过1%的连续级配的骨料。在使用连续级配的骨料时，能够在混凝土中占据较大的体积且易用性好，能够减少水泥的用量的情况下，保证混凝土整体的强度不受影响甚至提高，因此采用合适的骨料能够减少水化热的产生。如果为了节省成本采用粗骨料，应当充分考虑工程的实际要求和具体能够使用的施工工艺，制定合适的配合比。如果是较细的细骨料，就应当选用细度模数在2.6~2.9的骨料。

3.2 改善施工工艺

首先采用常规的振捣工艺进行初次处理。实际操作方法是在浇筑过程中做到振捣棒快插慢拔。快插能够排出混凝土不同深度的气泡，使混凝土内部更加紧实，不容易产生空洞，慢拔是为了能够使混凝土能够紧实地填充满振捣棒周围。在震动过程中，振捣棒应当稍微倾斜，并不停地上下抽动，增大接触面积的同时使混凝土更加紧实。同时做到振捣的间隔保持一个相对均匀的距离，每个插点之间的距离控制在50 cm左右，同时要远离离模板20 cm以上50 cm以下，采用常规的网格式振捣即可，避免漏震，每个震动点的时间控制在20 s~30 s，不要过长，也不要过短。震动良好的标志为不出现气泡，混凝土表面充满白浆。施工过程中特别需要注意的是，振捣器不能够碰到钢筋，模板和提前埋好的预埋件，并且在钢筋比较密集的区域采用30 mm直径的振捣棒为最佳。然后在一次振捣的基础上，在初次振捣完毕的1h~4h进行二次振捣，特别是初次振捣后1 h进行二次振捣能够达到最好的巩固效果，但是受到各种环境因素材料因素的影响，这个时间点有可能不同，需要进行临场的判断，根据施工经验来看，当混凝土的坍落度为30 mm~50 mm时，为最佳的二次振捣时间。这个时间是通过大量的实践总结出来的经验，如果间隔时间过短，二次振捣的效果非常有限，如果时间过长，就会造成破坏混凝土的结构，适得其反。具体各个部件的二次振捣方法如下。对T/I型的梁体结构，在腹板位置大约20 cm的地方采用插入式的振捣器进行振捣，平面振捣器则用于翼子板处的振捣。在连接整体构件的梁体和板体时，应在最佳振捣时间内，用平面式振捣器振捣板体和插入式振捣器进行梁体振捣。在二次振捣过程中，大部分要求与一次振捣相同，但是二次振捣的频率需要略低于一次振捣的频率。

薄层浇筑工艺可以应用于浇筑量大的工程，工艺应遵循“分段定点、顺序推进、倾斜自流、一次到顶、分层浇筑”的原则。具体施工方法：首先对整个浇筑面积进行测量，按照较为均匀的划分方法，将浇筑区域划分为不同的区块，划分区块层数为4层~7层为宜，然后每个浇筑层分为不同的浇筑区块，要求上下层采用错位缝搭接，竖向的浇筑块之间互相不贯通，搭接区域长度不得小于浇筑块的厚度，分块的长度保持在10 m~15 m为宜，厚度约为1 m，但是不小于0.8 m，长宽比约为2.5∶1，高长比不小于0.08。底层的施工缝浇筑至少在浇筑5 d后才能对上部的施工缝进行浇筑，需要留出足够的放热时间，后面每层施工缝的浇筑时间都应大于7天才能进行下一次浇筑。为了更好地让各个施工缝结合，需要工人使用人工凿对施工缝的表面进行粗糙化处理。虽然是人工作业，但是需要控制开凿的深度，开凿的深度为2cm~5cm，开凿深度过深容易破坏整体结构，开凿深度过浅又达不到增大结合面积的效果，因此该项工作尽量采用经验丰富的施工人员进行操作。该浇注技术将浇注料逐层分解，有利于由内向外加速散热，增加混凝土和工程结构的散热面积，降低混凝土温度开裂和温度应力的可能性。实践中，分层浇时应慎重选择时间间隔，如果距离过大，新填层会被下层混凝土束缚，两层之间容易形成竖向裂缝。如果间隔太短，则下层容易受热，温差加大，即下层混凝土散热不充分，会增加开裂。间隔时间根据底层混凝土浇筑前的最大温升大于新层混凝土引起的温升的原则合理确定。但一次性浇注工艺也可用于施工厚度大、工期短的工程，如果对温度控制要求较高，就必须采取有效、合理的温度控制措施。

3.3 温度监测与控制

实时的温度监测能够及时发现问题，可通过模拟技术预测内部和外部温度的变化，图3为工程浇筑温度预测模型。现有的温度监测手段有，提前在混凝土浇筑过程中预埋温度监测传感器，在外部安装红外测温模块，将二者的数据进行结合，就可以实时了解混凝土浇筑过程中内外的温度以及温度差，一旦出现和预期不符合的温度变化趋势，就可以采取相应的温度控制措施。

图3 温度预测模型曲线

目前，合理有效的温度控制措施是调节混凝土浇筑时内外温差，控制浇筑时温度，控制出库温度和进料温度。当浇筑混凝土的环境温度较高时，采取水冷的方法降温和物理遮罩降温。例如，原料存放处应有足够的遮光，骨料在混凝土搅拌前应采用空冷或水冷的方式进行预冷，必要时可加入冰水进行搅拌，同时采取循环水冷却、隔热等措施，以保证混凝土自身温度较低。浇筑时间要合理，可选择夜间或方便的季节浇筑。可以采用埋入式水管冷却方式降低浇筑过程中混凝土内部的温度，降低温差。当周围环境温度过高时可以采用向混凝土表面蓄水加快散热，或者在外部温度过低，散热过快时采用表面覆盖薄膜或者干草的方式降低外部散热效率，平衡内外温差。

4 结语

在大型混凝土浇筑过程中从各个环节控制混凝土水化热的产生，控制混凝土内外温差，确保温度应力在允许范围之内，才能减少温度裂缝产生的概率，更好地保证大体积混凝土浇筑构件的质量，延长结构体的使用寿命。该文通过使用较低热量的水泥降低混凝土绝热温度，再通过使用较好的骨料配比减少混凝土中水泥的使用量，进一步减少热量的产生，然后用合适配比的添加剂使混凝土膨胀系数达标，减少热量的产生，提高混凝土强度，最后通过温度监测实时了解大体积混凝土的内外温度，防止浇筑过程中出现开裂的情况。