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大體積混凝土溫度控制
綏芬河市五花山水庫溢洪道工程
混凝土配合比設計及溫度監(jiān)測方案
為了確保黑龍江省綏芬河市五花山水庫溢洪道工程中大體積泵送混凝土的施工質量，受黑龍江省水利第二工程處委托，黑龍江省水利科學研究院結構材料研究所根據(jù)委托方的技術要求，針對工程實際，研究、設計五花山水庫溢洪道工程大體積泵送混凝土的配合比及工程控制措施，為工程提供技術支持和質量保障。
各種大型水工建筑物就其尺寸和體積來說，都是大體積混凝土。水工混凝土大體積澆筑時水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土內部易產生溫升過高。當混凝土內部的溫度與混凝土表面的溫度差超過規(guī)范規(guī)定的上限時，混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，當拉應力超過混凝土的早期抗拉強度時，混凝土就會被拉裂，產生溫差裂縫。造成這種結果的主要原因一是混凝土體積大，收縮量大，易產生收縮裂縫。二是混凝土量大，水泥水化熱產生的熱量大，加之混凝土為熱的不良導體，短時間內混凝土內部的熱量很難散去，如果降溫速度過快，混凝土會產生較大的溫差，而大體積混凝土是不可能一起隨溫差應力作用而變形的，再加之混凝土失水引起的體積收縮變形與混凝土受到地基和其它結構邊界條件的約束引起的拉應力的共同作用，易產生有害的溫度裂縫。所以大體積混凝土施工的關鍵問題是控制由混凝土中水泥水化熱所產生的混凝土內部溫度與外界環(huán)境溫度之差以及由此產生的混凝土收縮問題，也就是說控制混凝土水化熱的釋放速率、釋放量和混凝土的降溫速率問題。對于溫度裂縫，應該在設計和施工中加強溫度控制和混凝土的質量管理。在工程實際中，一方面是加強施工的溫度控制，降低結構的溫度拉應力；另一方面是加強混凝土施工的質量控制，提高混凝土的均勻性和抗裂能力。
大體積混凝土產生裂縫的原因很多，但溫度原因是主要的，而且溫度裂縫的成因非常復雜，所以大體積混凝土防裂研究通常先從溫控著手。從工程實踐中已知要降低水工混凝土施工中的水化熱必須從控制混凝土的水化溫升、延緩降溫速率、減小混凝土收縮、提高混凝土的極限拉伸強度、改善約束條件和設計構造等方面全面考慮，結合工程實踐采取相應措施。
（1）降低水泥用量，延緩水化熱集中釋放。選用低水化熱或中水化熱的水泥品種配制混凝土，在考慮到實際工程混凝土耐久性及工程要求的條件下盡量選用P·O42.5或P·C32.5及其以上等級的水泥。
（2）摻加適量摻合料和外加劑，改善混凝土和易性，降低水灰比。針對工程的實際情況，摻加適量摻合料替代水泥，降低水泥用量，同時使用外加劑降低用水量和水灰比，從而達到保證混凝土和易性，降低水化熱的目的，并在工程規(guī)定的條件下充分利用混凝土的后期強度，采用60天或90天強度驗收。
（3）盡量選用粒徑較大、級配良好的粗骨料及品質優(yōu)良的細骨料。
（4）降低混凝土的入模溫度。選擇較適宜的氣溫澆筑大體積混凝土，盡量避開炎熱天氣澆筑大體積混凝土。
（5）加強施工中的溫度控制。在混凝土澆筑之后，做好混凝土的保溫養(yǎng)護，緩緩降溫。夏季應避免暴曬，注意保濕，冬季應采取措施保溫覆蓋，以免產生急劇的溫度梯度。必要時采取延長養(yǎng)護時間，規(guī)定合理的拆模時間，延緩降溫時間和速度，合理安排施工程序，盡量薄層澆注，控制混凝土在澆筑過程中溫度均勻上升，避免混凝土拌和物堆積過大等措施。
針對芬河市五花山水庫溢洪道工程混凝土的施工，主要進行以下幾個方面的工作: （1）“事前”：按照設計、施工要求設計混凝土配合比，通過混凝土的熱力學性能計算驗證混凝土配比；（2）“事中”：大體積混凝土澆筑施工過程的溫度監(jiān)測與監(jiān)控；（3）“事后”：大體積混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理與分析。
一、綏芬河市五花山水庫溢洪道工程大體積混凝土配合比設計
1設計原則
(1)混凝土配合比的設計及優(yōu)化應根據(jù)大體積混凝土的結構特點和溫控要求進行；
(2)為降低混凝土內部的溫升和水化熱,宜采用“摻合料取代”或“雙摻”技術；
(3)應滿足結構物設計強度的要求，根據(jù)其所處環(huán)境的重要性,從保證結構安全的角度出發(fā),并考慮到混凝土原材料、拌和、運輸、澆筑和養(yǎng)護等的差異進行配合比設計,以滿足設計強度的要求；
(4)應滿足工作性能的要求，大體積混凝土,采用泵送方式澆筑施工，混凝土的目標坍落度宜為180～220 mm,試配時必須經多次試拌調整,并保證混凝土拌和物不離析、不泌水,確保新拌混凝土有良好的工作性能。
2 技術要求
綏芬河市五花山水庫溢洪道工程混凝土技術要求見表1。
表1 混凝土 技術要求
序號
混凝土設計指標
級配
坍落度
1
C25F200
16～31.5mm（碎石）
180-220mm
3 試驗依據(jù)
試驗嚴格按照現(xiàn)行國家和行業(yè)的有關規(guī)程規(guī)范進行，使用的主要標準有：
《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）；
《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）；
《水工混凝土外加劑技術》（DL/T5100-1999）；
《外加劑》（GB8076-2008）；
《混凝土膨脹劑》（JC476-2001）；
《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》（GB/T1346-2001）；
《水泥密度測定方法》（GB/T208-1994）；
《水泥比表面積測定方法（勃氏法）》（GB8074-2008）；
《水泥化學分析方法》(GB176-2008)；
《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）；
《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》(GB17671-1999)；
《通用硅酸鹽水泥》(GB175-2007)；
《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)范》(DL/T5055-2007)。
4 原材料試驗
遵循經濟適用、就地取材,且符合業(yè)主指定的材料范圍的原則,組成大體積混凝土的各種材料應盡量有利于降低混凝土發(fā)熱量的原則。
（1） 水泥
水泥水化過程釋放熱量,每克水泥可產生熱量500J左右,而混凝土導熱性能較差,大體積混凝土因熱量積聚絕熱溫升可達70℃或更高，當內外溫差產生的約束應力超過混凝土抗拉強度時,將導致裂縫，因此避免用高熱量水泥，本研究結合工地實際情況采用建設方提供的牡丹江牌P.C32.5復合硅酸鹽水泥。試驗結果顯示，該水泥的各項指標滿足國家標準要求。
（2） 粉煤灰
大體積混凝土要求水泥用量應在保證混凝土抗壓強度的同時,盡可能降低水泥用量,以達到降低水化熱的目的,粉煤灰作為大體積混凝土摻合料,其應用技術及理論已發(fā)展的較為完善,其應用范圍極廣,國內外應用于水利工程的范例也不勝枚舉。粉煤灰混凝土中,粉煤灰中的活性組分反應生成的水化硅酸鈣可以填充其中的孔隙,以及其微粒填充效應也可改變混凝土微觀結構使之結構密實，同時摻加粉煤灰也可取代部分水泥并有利于泵送，使得工作性能滿足施工要求。本工程采用Ⅱ級粉煤灰，通過試驗測試各項指標滿足《水工混凝土摻用粉煤灰技術規(guī)程》（DL/T5055-2007）中對Ⅱ級粉煤灰的質量要求。
（3） 骨料
混凝土中，砂、石骨料用量約占混凝土質量的70%，合理的骨料用量可以提高混凝土的抗壓強度及耐久性、減少混凝土的變形、降低工程造價。骨料質量的好壞不僅能夠對混凝土的性能產生影響，甚至可以起到決定性作用，所以，合理選用骨料及其級配組成對保證混凝土質量、降低水泥用非常重要。本項目采用建設方提供的粗、細骨料。
（4） 泵送引氣劑
本項目采用的外加劑為黑龍江省翔波公司生產的復合型泵送引氣劑SB-M-Ⅲ。該泵送劑有明顯的減水引氣效果，可有效的降低水灰比，并且利于泵送。依據(jù)《外加劑》（GB8076-2008）和《水工混凝土外加劑技術》（DL/T5100-1999）對泵送劑進行了性能檢驗，各項指標滿足規(guī)范要求。
試驗室對委托方送檢材料進行大量試驗，各種材料性能指標見附件。
5 配合比設計
（1）依據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》JGJ55-2000、《水工混凝土試驗規(guī)程》（SL352-2006）、《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）進行混凝土配合比設計。混凝土保證率取95%，施工配制制度按下式計算：
f配 = f設 + 1.645 σ
公式中：f配———混凝土配置強度，MPa；
f設———混凝土設計強度，MPa；
σ———混凝土強度標準差，MPa。
混凝土強度標準差σ根據(jù)規(guī)范取5.0，通過計算C25混凝土的配置強度為33.2MPa。本次為減少水泥用量，減少混凝土的溫升，充分利用混凝土的后期強度(60d或90 d強度)，根據(jù)水利工程對混凝土的要求,采用28 d強度達到設計標號110%，即27.5MPa進行設計。
（2）骨料最優(yōu)級配及砂率選擇
骨料級配對混凝土的和易性、強度等都有較大的影響，合理的骨料級配應是在相同體積條件下，混合料的比表面積最小、空隙率最小、密實度最高的級配。一般采用最大容重法選擇骨料的最優(yōu)級配，本工程的粗骨料為16～31.5mm碎石材料，為使得結果更加準確反應實際情況，選取大量材料進行試驗。砂率是砂子占砂石總體積的百分率，最佳砂率選擇是在選定骨料級配比例和水膠比的前提下，用水量最小時所對應的砂率為最佳砂率。
（3） 混凝土水膠比及最優(yōu)用水量的選擇
混凝土水膠比的選擇，應同時兼顧混凝土的各項性能指標，既要參考《水工混凝土施工規(guī)范》（DL/T5144-2001）對最大水灰比限值的規(guī)定，又要參考類似工程經驗。本次試驗采用的水膠比范圍確定為0.40～0.50。
（4） 摻合料、外加劑摻量的選擇
根據(jù)原材料性能試驗結果，泵送劑摻量選1.2%（以水泥總量計），粉煤灰摻量選擇20～25%（水泥用量計），并采用等量取代法。
（5）混凝土配比試驗
在選定以上各項參數(shù)后進行混凝土成型，針對技術要求，設計混凝土配比交叉試驗。依照規(guī)范要求，分別對各組配比的新拌混凝土和標準養(yǎng)護后達到齡期的硬化混凝土進行測試，測試項目包括：坍落度、含氣量、泌水率、抗壓強度、抗凍性能等，根據(jù)已完成試驗及委托方要求選定C25F200混凝土配合比如表2。
表2 混凝土配合比 （kg）
序號
配合比
C
S
W
G
外加劑
粉煤灰
含氣量（%）
坍落度 （mm）
備注
水泥
砂
水
石
SB-M-Ⅲ
1
C25F200
285
744
160
1165
5.7
75
4.1
19.5
32.5水泥
2
C25F200
280
735
165
1150
5.6
80
4.4
18.1
42.5水泥
3
C25F200
300
670
172
1200
SB-G0.4
60
4.4
4.5
42.5水泥
注:1組配比強度試驗7d、28d強度為別為17.9MPa,28.1MPa。
（6）依據(jù)膠凝材料水化熱經驗值對第1組混凝土配合比的絕熱溫升進行計算分析，配合比水化熱溫升可以通過下式計算:
T = ∑Wi Qi/ Cρ
式中：
W — 混凝土中膠凝材料用量（kg）
Q — 活性膠凝材料水化熱（kJ /kg）
C — 混凝土比熱（此處取0.96）（kJ /kg·℃）
ρ — 混凝土容重（kg/m3）
膠凝材料水化熱經驗取值詳見表3。
表3 膠凝材料水化熱取值
材料名稱
水泥
粉煤灰
kJ /kg
310
150
通過計算，得出本配比的水化熱溫升結果：
T = 34.9 ℃
不摻加摻合料單純水泥為膠凝材料的絕熱溫升為：
T0 = 43.9 ℃
通過合理的配合比設計使得混凝土的絕熱溫升降低了9℃。同理2、3組通過復摻技術在一定程度上也使得混凝土的絕熱溫升有所降低。
二、大體積混凝土施工過程的溫度監(jiān)測與監(jiān)控
實踐經驗表明，大體積混凝土結構內一旦出現(xiàn)裂縫，要通過修補來恢復結構整體性是非常困難的，尤其是當產生的裂縫對結構受力有重大影響時，需要補救或拆除，這樣，不但造成了重大經濟損失也延誤了工期。因此在施工中，大體積混凝土結構的溫度控制是非常重要的。為了防止出現(xiàn)溫度裂縫，把混凝土的溫差、降溫速率控制在允許的范圍內，又不增加太多的費用，有必要從全過程來看待溫控問題，采取“全程溫控”。
1大體積混凝土溫度變化規(guī)律
混凝土結構由于水化熱引起了各個截面的溫度變化。開始時，截面的的溫度大體上一致，但隨著混凝土水化程度的不斷加深以及表面的混凝土與空氣接觸，熱交換劇烈。在大量的水化熱不斷散失的影響下，混凝土表面和接近表面的溫度增長比混凝土內部的溫度發(fā)展較為緩慢一些，同時由于混凝土材料的不均勻性，經過一段時間后，在混凝土的內部逐漸形成了較為明顯的溫度分布即溫度場，常規(guī)大體積混凝土的最高溫度一般出現(xiàn)在70 —120小時這個時間段。混凝土在達到最高溫度值之前，溫度急劇上升；在達到最高溫度后，溫度逐步下降，但溫度下降的幅度要小于溫度上升的幅度，這是由于混凝土內部的水泥水化作用絕大部分集中在在澆筑后的起初幾天內發(fā)生，由此產生的熱量遠大于混凝土構件所能散失的熱量，而后混凝土內部的水化作用逐漸減弱，混凝土內部產生的水化熱與混凝土所能散失的熱量基本持平，同時混凝土內部溫度也達到其最高值，隨著時間的推移混凝土內部的溫度會逐漸降低。
2混凝土溫度監(jiān)測與降溫措施
（1）混凝土溫度監(jiān)測
施工前布點，溫度監(jiān)測應在混凝土澆筑完成時立即進行，溫度測試實施自動數(shù)據(jù)采集，配備溫度報警系統(tǒng)，指導施工科學順利的進行，盡量避免裂縫的產生。
（2）混凝土溫度降溫措施及施工管理
嚴格控制混凝土溫度是防止裂縫的最重要措施。一方面在澆注時降低內外溫差，減小自約束應力，另一方面降低相臨上下澆注層溫差，減小外約束應力，如溫度變化超標，應提供降如下溫措施：
1）降低混凝土澆注溫度，通過冷卻拌和水、加冰拌和、預冷骨料等辦法降低混凝土出機口溫度。一般來說預冷石子效果最好，次為預冷砂和水。
2）表面保濕、保溫。一般在混凝土表面澆水后覆蓋一層塑料薄膜，再覆蓋土工布等其它保溫材料。在混凝土頂面蓄水可以起到保濕和保溫的雙重效果。
3）在混凝土澆注塊中，強度是不均勻的，裂縫總是從強度最低的薄弱處開始開裂，因此應加強施工管理，是提高施工質量的根本保障。
4）加強養(yǎng)護，延長養(yǎng)護時間。
3大體積混凝土現(xiàn)場溫度監(jiān)控
（1）監(jiān)測基本技術要求
以《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2009）中溫控指標作為參考基準：
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