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摘 要：大体积混凝土在施工过程中，水化热使混凝土内部温度急剧上升。由于大体积混凝土内部温度不易散发，表面温度散发较快，使得混凝土内外温度相差较大，是导致裂缝出现的原因之一。本文通过对大体积混凝土水化热产生内部温度曲线进行研究，提出了水化热抑制剂与冷却水管在大体积混凝土工程中对温度的控制措施。着重从大体积混凝土产生的温度进行阐述，通过优化大体积混凝土水化抑制剂配合比与设计大体积混凝土冷凝水管布置方案，并详细阐明了二者对大体积混凝土降低温度产生的影响，通过本单位承建华岳武鸣河大桥拱座这一事例，掌握了大体积混凝土温度的变化关系，对水化热抑制剂与冷却水管给予了充分的证明，取得了较好的效果，得到了建设单位相关部门的好评，本文所进行的工作以及相关结论可以为大体积混凝土施工质量进行指导。

关键词：大体积混凝土 水化热抑制剂 冷却水管 温度

引言

水泥混凝土是当今世界使用最多的建筑材料，广泛用于市政、桥梁、铁路、水利水电等工程。水泥混凝土具有价格便宜、浇筑成型方便、抗压强度强、耐久性长的优点;与此同时，混凝土又是一种脆性材料，具有抗折强度低、容易开裂等缺点。水泥加水后，与水发生水化反应的同时，放出大量的热，导致混凝土结构自浇筑开始的短期内迅速温升，此现象在大体积混凝土施工中尤其显著。大体积混凝土指的是最小断面尺寸大于1m以上的混凝土结构，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度改变和收缩而致使有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土具备结构厚实，体积大，工程条件复杂，施工技术要求高等特性。在大体积混凝土施工中水泥在水化过程中要产生大量的热量，这是大体积混凝土内部热量的重要来源。由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在结构内部不易散失，使混凝土内部的温度上升当混凝土的内部与表面温差过大时，就会产生温度变形，这就是大体积混凝土易产生裂缝的重要原因之一。针对此问题，通常采用降低水泥用量、使用大掺量矿物掺合料、埋设冷却水管等措施，可以在一定程度上改善内部温度过高的问题。

1.工程概况

1.1项目简介

本项目起终点里程为K125+000-K139+267，起点位于武鸣区龙庆村，线路向南，跨武鸣河，在华岳村与国道G358交叉，路线总长14.267公里，沿线经过行政区依次为锣圩镇、丁当镇、金陵镇、双定镇，共4个镇。本施工段落采用双向六车道高速公路标椎，设计速度120Km/h，路基长度12.716公里，路基宽度34米，总挖方量472万方，总填方量241万方，弃方131万方;桥梁总长1593m/9座，车行天桥2座，现浇箱梁3联。涵洞、通道46道;隧道一处，共计565m。设置互通一处（丁当互通）。

1.2项目建设需求

华岳武鸣河大桥为采用主跨140m中承式钢管混凝土拱桥，位于华岳村西侧，为跨越武鸣河而设，路线与河流流向呈右偏120度斜交，最大桥高18.5米。拱座基础釆用C30钢筋混凝土实体扩大基础，武鸣河大桥 0、1 号拱座结构为多边形结构，全桥共4个拱座，拱座需浇筑混凝土2万方。

2. 水化热抑制剂的研究与应用

2.1试验原材料

机制砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.7%，泥块含量0.4%，含泥量0.1%。

水化热抑制剂：交通运输部公路科学研究院研制的液态水化热抑制剂，与减水剂混合后使用。

碎石（0-5、10-20、16-31.5）：按照20%：55%：25%掺配比例，表观密度2686kg/m3，泥块含量0.2%，含泥量0.6%，压碎值12%。

水泥：海螺P·O42.5水泥，基本性能看下表。

水泥的基本性能指标：

水泥：海螺P·O42.5水泥，比表面积3490 cm2/g，标准稠度用水量27.1%，初凝时间164min、终凝时间266min，抗压强度3天26Mpa、28天48.6Mpa，抗折强度3天4.1Mpa、28天4.1Mpa。

粉煤灰：广西钦州发电厂Ⅱ级粉煤灰，烧失量3.74%，细度14.2%，需水量比98%。

减水剂：苏博特新材料公司生产的聚羧酸高性能减水剂PCA-1，减水率28%，含固量21.34%。

2.2试验室基准配合比

2.3试验方法

将三种不同试验室基准配合比进行拌合，按照试验室配合比称取原料，向拌合机内依次加入碎石，机制砂，胶凝原料（水泥、粉煤灰）后搅拌30 s，待原材料混合均匀，再向搅拌机内加入外加剂和水，期间拌合机保持转动，直至搅拌2分钟结束。搅拌完成后将拌合物从拌合机内取出，再进行人工搅拌，待均匀后根据 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行坍落度、扩展度测试，完成后取出2倍以上所需坍落度试验的混凝土，将其放入保温保湿袋中，防止水分蒸发，待一小时后再次进行坍落度、扩展度测试。两次试验分别记录数据。

将三种不同配合比的混凝土成型，放入150mm×150mm×150mm的试模中，依据 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行成型，养护和检测。需要测试其1d、2d、3d、7d、28d抗压强度，并保留数据。

利用混凝土搅拌机将三种不同的配合比混凝土搅拌均匀，分别装入400mm×400mm×400mm的模型中，直至装满，再利用40mm的保温板将模型外部周围进行双层包裹，并在保温板的正反面上贴上反光良好的贴纸，此步骤是为了模拟大体积混凝土内部水化热不易流失的原理。温度收集则使用济南环宇公司生产的型号为TG-8温度记录仪。配合其公司云采集系统：寰宇夺标云设备数据统一管理平台施行温度监控。

2.4水化热抑制剂对混凝土拌合物性能的影响与分析

由上表可见根据水化热抑制剂的添加混凝土坍落度和扩展度呈下落趋势，在初始情况下，三种配合比坍落度较配合比1下降了7%、21%，扩展度下降了3.8%、10.6%。保温保湿1h后三种配合比坍落度较配合比1下降了12.2%和31.7%，扩展度下降了6.5%和18.5%。由此可见当配合比2加入0.35%的水化热抑制剂对混凝土拌合物性能没有造成很大的影响，配合比3加入0.7%水化热抑制剂对混凝土拌合物性能造成严重的影响。由上表还可以看出该混凝土当加入了0.35%水化热抑制剂，1h后配合比1的坍落度损失和扩展度损失要略小于配合比2。尽管配合比2损失要略大一些，但还是具有良好的工作性。不会对施工现场浇筑混凝土造成困扰。反观加入0.7%水化热抑制剂的混凝土，则不具备良好的工作行，会对现场混凝土浇筑产生不利影响。

综合以上分析可以得出，水化热抑制剂对混凝土拌合性能的影响明显，主要是因为水化热抑制剂亲水的原因，吸附了混凝土中大量自由水，在迟缓水泥水化同时降低了混凝土中的自由水含量，使得混凝土的流动性差。

2.5水化热抑制剂对混凝土力学性能的影响与分析

由上表可以看出配合比1与配合比2混凝土在1d、2d、3d、7d、28d会随着养护时间的增长，强度也在稳步增加，配合比3混凝土1d和2d抗压强度随着水化热抑制剂掺量的提高而呈现下降趋势;3d与7d龄期掺加水化热抑制剂的混凝土抗压强度略低于配合比1与配合比2，当到达28d后唯独配合比3混凝土强度没有达到合格标准。

总体上得知，水化热抑制剂亲水的作用迟缓了水泥水化，在前期明显影响了混凝土抗压强度，后期又致使水泥水化不充分，使得水化产物减少，从而使混凝土在后期达不到强度要求，造成质量安全问题。

2.6水化热抑制剂对混凝土温度的影响与分析

由上述两表可以看出配合比1，其温升曲线的温峰出现在22.3 h，随后混凝土内部温度开始下降，没有出现第二个峰值。降温时间持续近96 h。直至接近室温27.3℃。

由上述两表可以看出配合比2，其温升曲线第1个温峰出现在25.7 h，随后混凝土内部温度开始下降，降温时间持续24.3h。随后温度再次上升，第2次温峰出现在 60.7 h，温峰为36.0℃。此时配合比1温度再次下降，直至接近室温26.8℃。

由上述两表可以看出配合比3，其温升曲线第1个温峰出现在30.8 h，随后混凝土内部温度开始下降，降温时间持续22.6h。随后温度再次上升，第2次温峰出现在60.9h，温峰为34.6℃。此时配合比1温度再次下降，直至接近室温26.4℃。

2.7结论

掺入水化热抑制剂后会明显降低混凝土的机坍落度和扩展度，并缩短混凝土的坍落度和扩展度持续时间;当掺量在0.7%时对混凝土流动性及坍落度、扩展度保持性能有严重影响。水化热抑制剂会严重影响混凝土1d龄期的抗压强度，并且随其掺量的增加，混凝土28d抗压强度逐渐下降，当掺量为0.7%混凝土28d抗压强度达不到设计值。水化热抑制剂可以明显降低混凝土温升，其温升曲线有2个突出的峰值，水化热抑制剂的作用缩短了水泥的水化，是因为放热的速度小于散热速度，随后水化热抑制剂的抑制效果消失，水泥水化加速导致放热速度增快，温度升高。

综上所述三种配合比相互比较发现，采用配合比2制备的大体积混凝土既满足其工作性和力学性要求又使内部温度在可控的范围内，由于试验室条件与现场条件存在差异，最终还需在现场进行温度监测。

3. 冷却水管的研究与应用

3.1施工做法

拱座为大体积混凝土结构，为降低混凝土内温度，缩小内外温差，采取预埋钢管作为拱座结构的冷却管。布置原则：冷却水管平面布置按蛇形布设，水管之间采用热熔焊接连接，并确保不漏水。加固采用绑线绑扎固定在拱座竖向钢筋上。冷却管布设完毕后，采用通水方式测试冷却管的是否畅通，确保密封、不渗漏，同时外部接进出水总管、高压水泵。该拱座基础冷却管布置图如下：

3.2测温点及冷却水管保护措施

冷却水管布置完成后采用木塞或胶带将冷却管的端头进行封堵牢固，避免后续混凝土浇注时灌进冷却管。混凝土放料时，混凝土不可直接冲击测温线，特别是感温头。振捣混凝土时要特别注意，振动棒不得接触测温线，防止测温元件失效。混凝土整平人员要注意，整平时禁止将露在外面的测温线插头嵌入混凝土内。

3.3水管冷却的通水方式

冷管注水必须专人作业。混凝土浇筑完成表面初凝后便可以通冷却水，保证从进水口进入的水是常温水，进出水口每8小时交换一次，使得大体积混凝土内部温度比较均一，降低温度裂隙出现的可能性。

3.4保温养护所用保温材料和方法

塑料薄膜、草袋、棉絮、黏土等具有隔热保温的材料均可用作保温材料，但在实际作业环境中，根据工程需要，采用既经济又隔热保湿效果好的材料。本项目采用的是土工布，在混凝土浇筑后立刻覆盖保温保湿，在混凝土初凝后，定时在土工布上洒水，确保混凝土表面湿润。确保拆模前的养护时间，通过模板对混凝土实现保温养护。冷凝水管持续通水4天以上，直至冷凝管出水口的水温降至常温后才可停止通水。

3.5现场监测的要求与布置

大体积混凝土灌注时内部温度的测试，在混凝土浇筑后，每天不得少于4次;入模温度的测试，每台班不少于2次。大体积混凝土浇筑体内监测点的布置，应真实地反映出混凝土浇筑体内部温度，监测点的布置范围应以所选混凝土浇筑体平面图为测试区，在测试区内监测点的位置及数量可根据混凝土浇筑体内温度场分布情况和温控的要求确定。

下图为布置方式：在测试区内按装四个均匀布置的监测点，沿混凝土浇筑体厚度方向在每个监测点安装4处温度传感器。

温度传感器的布置应符合以下规定：温度传感器接头安装位置应准确，固定应稳固，并与内部结构钢筋绝热，温度传感引线最好集中分布，温度传感器周围应进行保护，混凝土灌注过程中，放料时不可直接冲击温度传感器和引线;振捣时，振捣器不可触及温度传感器和引线。测试过程中及时标记出各点的温度变化曲线;发现温控数值异常应报警时，应采取本应的措施。

4. 现场温度监测

4.1混凝土养护测温结果（冷却水管法）

4.2混凝土养护测温结果（水化热抑制剂法）

由于试验室条件与现场条件存在差异，试验得到的温度数据不能代替现场温度数据，故采用2.6中配合比2施工时，还需监测其现场实际温度。

4.3结论

采用冷却水管法时，在大体积混凝土浇筑完成后，打开冷却循环水，导致底层混凝土温度偏高，尽管测温结果还是满足规范要求，但如果混凝土灌注时间较长，宜提早将冷却循环水打开。采用水化热抑制剂法时，水化热抑制剂可以明显降低混凝土温升，随后水化热抑制剂的抑制效果消失，水泥水化加速导致放热速度增快，温度升高，故出现第二个温峰。

5. 经济效益与结论

本课题提出两种控制大体积混凝土内部温度的方法，一种采用水化抑制材料抑制混凝土水化热的反应，另一种采用冷却水管布设的方法降低其内部温度。

以华岳武鸣河钢拱桥拱座实体计算，比较上述两种方法带来的经济效益，经粗略测算分析为，掺入抑制剂的综合单价为403元/方，预埋冷却水管综合单价为430元/方，每方混凝土节省直接综合费用27元，对于2万方混凝土节省的直接经济成本为54万元;间接成本为省去了冷却水控温装备1套，节省操控冷却设备操作人工费，因省去冷却水管布设和后续管内灌浆工序提高施工效率，降低裂缝开裂机率，估算间接节省费用约为100万元，两种方法相比都可以有效地降低大体积混凝土内部温度，都满足其适用性。但出于经济效益考虑本项目采用水化热抑制剂法来代替冷却水管法。

参考文献：

[1]卞桂荣.水化热抑制剂和抗裂剂对混凝土基本性能的影响[J].新型建筑材料界，2019，46（10）：152-156，161.

[2]何贝贝，侯维红，纪宪坤，等.水化热抑制剂对大体积混凝土温度裂缝的影响研究[J].新型建筑材料，2018，45（11）：123-126，138.

[3]郝兵，赵文丽，臧圣国.水化热抑制剂对大体积混凝土性能的影响研究[J].建筑技术，2017，48（10）：1073-1075.

[4]贾福杰，张加奇，聂风义，等.水化热抑制型膨胀剂在工程中的应用[J].混凝土与水泥制品，2013（7）：70-73.

[5]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[6]梅权武 .冷却循环水降温在大体积混凝土施工中的应用[J].山西建筑，2017（43）13：99-100.