大體積混凝土水化熱溫度控制及監測

馮太坤 余圣愛 曾玉昆 鄭道林

摘要 大體積混凝土在施工過程中由于水化反應釋放的水化熱，可能導致溫度升高，進而引起混凝土內部溫度裂縫的發生。為了確保大體積混凝土結構的耐久性和安全性，文章以承臺大體積混凝土為研究對象，闡述承臺大體積混凝土在水化過程中所采用的溫控原則及控制措施，同時，對施工全過程現場溫度監測方法進行研究，為大體積混凝土結構在澆筑與養護期間溫度控制和耐久性提升提供參考。

關鍵詞 混凝土裂縫；大體積混凝土；溫度控制；溫度監測

中圖分類號 TU755文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0046-04

0 引言

大體積混凝土作為一種常用建筑結構材料，呈現出大體量、低表面系數、水泥水化熱集中釋放等特點。這種混凝土在施工過程中會經歷溫度變化和收縮，容易導致有害裂縫的產生，因此，需要采取特殊措施以保障結構安全和正常使用。大體積混凝土作為一種重要的結構形式，在高層建筑基礎、大型設備基礎和水利大壩等工程中得到了廣泛應用。由于大體積混凝土體積大，結構復雜，其溫度場研究具有重要意義[1-2]。

1 大體積混凝土產生裂縫的原因

大體積混凝土產生裂縫的原因有多種，主要包括以下三點[3]：

（1）當水泥進行水化反應時，會釋放出眾多的熱能，導致混凝土的內部溫度上升。因為大型的混凝土具有較厚的斷面，這些水化反應的熱能難以從其內部散去，所以，混凝土的最高溫度通常會出現在澆筑完成的3～5 d。在混凝土的內外溫度差異較大的情況下，可能會出現溫度應力，而如果混凝土的抗壓能力無法承受這種應力，那么就可能出現溫度裂縫。

（2）當混凝土發生變形時，會有所限制，從而妨礙其變形。由于大體積混凝土和地基的共同施工，下層地基的限制將使得混凝土容易出現裂縫。

（3）施工期間外界氣溫對大體積混凝土也極為重要。隨著外部溫度的升高，混凝土的澆筑溫度也會相應提高；而當外部溫度下降，也會增加外部混凝土與內部混凝土之間的溫度差異，產生溫度應力，導致大體積混凝土出現裂縫。

2 大體積混凝土水化熱溫度控制

2.1 大體積混凝土水化熱溫度控制原則

大體積混凝土溫度控制是確?；炷两Y構質量和安全的重要方面。以下是大體積混凝土水化過程中溫度控制的原則：

（1）控制混凝土入模溫度以降低混凝土在水化過程中內部溫度峰值。

（2）控制混凝土的最大絕熱溫升，延緩混凝土內部最高溫度出現時間。

（3）通過保溫保濕措施控制混凝土在溫峰過后的降溫速率。

（4）減少混凝土內外、新澆與現澆混凝土之間的溫差，并控制混凝土表面與周圍空氣溫度之差。

2.2 大體積混凝土水化熱溫度控制措施

該文旨在詳細探討混凝土施工過程中的關鍵環節，包括配比設計、澆筑、振搗、通水和養護等方面的全面控制措施[4]。這些步驟的細致執行，旨在實現對混凝土質量、內部最高溫度、內表溫差以及表面約束的有效管理，從而達到對溫度裂縫形成及發展的精準控制目的，溫控實施流程見圖1。

2.2.1 配合比優化

（1）通過使用新型膠粘材料，減少水泥的使用以減少水化反應的熱能。在保證混凝土的工作性能和強度的前提下，盡可能地降低膠凝材料的使用量和漿料的比例，用于增強混凝土的體積穩定性和抗裂性。

（2）挑選合適的水膠比，并且管理好最大的用水量。把混合水的最大使用量視為衡量混凝土耐久性的關鍵參數，這對于管理最大的水膠比例來說更具優勢。因為僅僅控制水膠比例無法消除由于混凝土中漿料過多導致的收縮、水化熱升高等不良效果。

（3）使用礦物摻和料和高效減水劑進行雙重摻入。礦物摻和料有助于優化混凝土中微小顆粒的排列，增加了漿料和接觸表面的緊湊程度；優化了混凝土的施工性能；減少了因為水泥的水化反應導致的混凝土內部的溫度上升；優化了膠凝材料的成分，增加了對化學介質侵蝕的抵御能力。通過礦物摻和料和高效減水劑的聯合作用，降低水泥和水的消耗，從而提升混凝土的強度和持久性。

2.2.2 澆筑溫度控制

結合混凝土澆筑現場施工條件，計算出輸送和澆筑混凝土時的溫度變化。

若施工工期為夏季，設置遮陽棚、制冷水噴射等方法對集料進行降溫，并將集料的溫度控制在低于空氣溫度5 ℃；通過提前兩周的備料和延長貯存期，可以將水泥的溫度控制在≤60 ℃，粉煤灰和礦渣粉的溫度控制在50 ℃以下。并采用冷水和片冰用于拌和混凝土，見圖2。

依據工程實踐，每添加10 kg的冰塊至少可以使新澆筑的混凝土溫度下降1 ℃。冰塊的添加量會根據環境溫度和澆筑溫度的需求而變化，最大的冰塊添加量應為水量的50%。應該考慮最大的冰塊添加量對大型混凝土出口溫度的預估。

2.2.3 埋設冷卻水管

冷卻水管的埋設對大體積混凝土溫度控制至關重要，承臺混凝土通水要求見表1，冷卻水管的使用與控制如下：

（1）通過使用分水器把各個層次的水管從水箱中分離出來，并在分水器上配備適當數量的獨立水閥，以便對各層水管的冷卻水流量進行控制。

（2）在使用冷卻水管之前，需要進行壓水測試，避免管道出現泄漏或阻塞的情況。

（3）各層的冷卻水管要在混凝土蓋住這一層的冷卻水管和振搗完成后才能通水。在溫峰之后，應該減少排水，避免因混凝土快速冷卻產生的溫度應力積累而產生裂縫。

（4）控制進出水溫度。冷卻水管入水口水溫與出水口水溫之差≤10 ℃，并且在進出水口溫差較大時，通過倒換進出水口，使混凝土均勻降溫。冷卻水與內部混凝土的溫差不應大于25 ℃（采用大型儲水箱，利用出水溫度調整進水溫度），降溫速率控制在2 ℃/d（初期3 ℃/d）。

（5）冷卻水流量根據測溫結果確定。在混凝土升溫階段，進水的流量要大于0.65 m/s，并產生紊流；在降溫階段，可采用水閥門控制實現減速供水，將速度降低一半，使水流變得平緩，處于層流狀態。

（6）在混凝土養護工作完畢之后，利用空氣壓縮機將其中的剩余水分排出并使其干燥，接著使用壓漿機對水管施加與混凝土相同標號的水泥漿，以此來密封管道。

2.2.4 冷卻水管智能循環控制系統

承臺采用冷卻水管智能循環控制系統，對冷卻水管進行智能化、自動化管理。

冷卻水管自動控制系統主要通過無線控制閥門、無線流量計、無線接收發送裝置等組成，可根據現場需要選擇在進水水箱安裝加熱裝置，控制進水溫度，系統流程見圖3。

冷卻水管循環控制系統主要是通過對支管水管的閥門檔位進行現場調整，依據實體部件的內部溫度監測數據，對各個支管流量進行個性化和精確度的調整。通過調整在溫峰前能有效地壓制溫峰，溫峰后通過水管調整，控制混凝土的降溫速率不高于2 ℃/d。冷卻水管智能循環控制系統邏輯見圖4。

3 現場溫度監測

為了確保施工品質和溫度管理的有效性，獲取相關的溫度管理數據，從而實現信息化的建設，需對混凝土的溫度進行監控。若溫度管理的效果不理想，無法滿足溫度管理的要求，必須立即實施補救措施；如果混凝土的溫度遠低于溫度管理的上限，則降低溫度管理的力度，防止資源的浪費。

3.1 現場溫度監測內容及要求

通過大體積混凝土的溫度場計算，可以從理論上掌握大體積混凝土的內部溫度、溫度應力的演化規律，然而，由于理論計算采用的參數和計算模型與實際工程中的大體積混凝土并不相同，因此，必須對施工過程進行實時監控。溫度監測內容包括混凝土溫度場測量與環境體系溫度測量兩方面。

3.2 溫度場監測

在大體積混凝土的溫度控制中，溫度場的監控是一項非常重要的工作。對建筑物尺度和溫度場的分布特性應加以考慮，通過合理布置一定數量的溫度傳感器以確保監測工作的合理展開，同時確保溫度測點的設置具有代表性，既要強調關鍵點，又要考慮整體情況，監測大塊混凝土中的溫度變化，以指導實施或調節溫控措施，確保溫度控制指標達到預期。溫控監測流程見圖5。

3.3 環境體系溫度監測

環境體系溫度測量包括環境氣溫、冷卻水進水、出水溫度。在水管進水口、出水口等關鍵位置布置溫度傳感器，測量冷卻水的溫度。

3.4 監測元件布置原則

施工期間，需要對混凝土的出模溫度、澆筑溫度、冷卻水進出水溫度、外界溫度等進行實時監測，并對內部溫度進行實時監測，并對其進行適時的調節和優化?；炷羶炔繙囟葴y點的布設應遵循以下幾個原則：

（1）在構件對稱性的基礎上，選擇1/4的構件作為檢測點，將監測點設在結構豎向的中部以及頂底面。

（2）根據溫度場的分布情況，對測溫點在高程上的間距進行了適當的調節，使其與管道之間的距離大于25 cm。

（3）在評價過程中要充分考慮溫度控制指數。測溫測點的設置主要有：外表測溫點（布置在構件中部的短邊長邊的中線上5 cm）、內部測溫點（設置在構件中部）。

3.5 溫度監測頻率及要求

混凝土溫度監測頻率和記錄要求如下：

（1）混凝土入模溫度監測：每次澆筑時監測2次。

（2）澆筑塊體溫度場監測：環境溫度、冷卻水進水、

出水溫度和內部溫度在升溫期間每2 h測量一次，在降溫過程中的第一周，每4 h測量一次，然后在一周之后，選擇一天中的一個典型的溫度變化周期，每天監測2～4次。特殊情況下，如大風或氣溫驟降期間，適當增加監測次數。

（3）溫度監測持續時間：當混凝土的內部最高溫度與環境溫度之差連續3 d＜25 ℃時，且降溫速率≤2 ℃/d、內表溫差≤25 ℃時，即可終止溫度監測。溫度監測持續時間一般不少于14 d。

4 結束語

大體積混凝土的施工質量對結構的整體品質具有重要的影響。因此，有必要從多個方面對大體積混凝土的施工技術進行全面深入分析。該文結合大體積混凝土溫度控制經驗以及溫度監測管理，總結出以下經驗：

（1）大體積混凝土水化熱溫度可通過配合比優化、澆筑溫度控制及冷卻水管布置等方面進行控制，從而對溫度裂縫形成及發展進行精準控制。

（2）采用冷卻水管智能循環控制系統可對冷卻水管進行智能化、自動化管理。

（3）現場溫度監測工作的合理開展可確保施工品質和溫度管理的有效性，從而實現信息化施工建設。

參考文獻

[1]劉美菊. 市政橋梁工程大體積混凝土施工質量控制研究[J]. 工程技術研究， 2023（7）： 121-123.

[2]姚瑞. 橋梁結構承臺大體積混凝土水化熱溫度效應研究[D]. 西安：長安大學， 2021.

[3]莊寶振. 公路橋梁大體積混凝土常見裂縫與施工控制工藝分析[J]. 中國住宅設施， 2021（10）： 127-128.

[4]游志雄. 大體積混凝土溫度應力場分析與溫控措施研究[D]. 重慶：重慶大學， 2019.