高原高寒地區(qū)大體積混凝土防開裂措施試驗研究

董興平

（山東省城鄉(xiāng)規(guī)劃設計研究院，濟南 250013）

0 引言

大體積混凝土在承臺、大壩等結構中的應用越來越多，且隨著工程規(guī)模的不斷增大，混凝土的澆筑方量也在不斷增大，大體積混凝土的溫度裂縫控制越來越成為施工中的重點問題［1-3］。

實際工程中大體積混凝土裂縫控制方法主要有降低混凝土入模溫度、增大混凝土導熱系數(shù)、減少單次澆筑方量和埋設水管降溫等。上述方法對于一般的結構是適用的，且能夠取得較好的溫控效果［4-5］。然而，在一些特殊地區(qū)，如青海、西藏等高原高寒地區(qū)，大體積混凝土施工難度較大，傳統(tǒng)的溫控方法不一定適用［6］。韓連濤［7］通過對青海高原大溫差地區(qū)某拱座大體積混凝土施工溫度實施監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，大溫差的氣候條件會導致混凝土里表溫差、日降溫速率等遠遠超過規(guī)范限制，混凝土開裂較為嚴重。部分學者提出了從水化熱抑制劑的角度來控制溫度裂縫。呂志鋒等［8］以玉米淀粉為原料生產(chǎn)水化熱抑制劑，最高可降低水化熱放熱速率60%以上；徐仕林等［9］在某工程中應用水化熱抑制劑，混凝土水化熱峰值溫度降低3.4 ℃，里表溫差降低2.9 ℃。賈福杰等［10］將水化熱抑制劑用于某工程地下墻的施工中，發(fā)現(xiàn)混凝土峰值溫度降低約14 ℃，混凝土表面未開裂。劉磊等［11］通過對保溫隔熱材料在外墻保溫中的應用研究發(fā)現(xiàn)，寒冷地區(qū)的巖棉、?；⒅?、EPS 和XPS 的最佳保溫層厚度分別為60 mm、70 mm、80 mm 和60 mm。王振宇等［12］通過對大體積混凝土水化熱模擬研究發(fā)現(xiàn)，XPS 保溫層厚度為5 cm 時，保溫效果較好，且隨著保溫層厚度的增大，保溫效果并未有明顯的提升。高分子保溫材料多用于建筑結構的外墻保溫中，在大體積混凝土中應用較少，雖有一定的借鑒意義，但是否適用于嚴寒地區(qū)仍需進一步研究。

本文進行了高原高寒地區(qū)大體積混凝土防開裂措施試驗研究，依據(jù)實測數(shù)據(jù)給出了推薦的大體積混凝土防開裂措施，并通過有限元參數(shù)分析，確定小保溫層厚度，最后指導了實際工程，取得了較好的應用效果。

1 試驗概況

1.1 試驗模型設計

依托青海省黃南州同仁縣境內(nèi)的某工程的大體積混凝土承臺，本試驗制作了3 組試驗模型，開展大體積混凝土防開裂措施研究。為模擬真實的施工環(huán)境，試驗場地設在承臺施工現(xiàn)場。試驗現(xiàn)場位于青藏高原高寒地區(qū)，平均海拔超過2 000 m，具有太陽輻射強、日溫差與年溫差大、氣候嚴寒、降水量少、冬季持續(xù)時間長等特點。這樣的氣候特點導致每年的有效施工時間較短，因此，需要克服在冬季嚴寒的氣候條件大體積混凝土施工的難題。為此，本文提出了采用在混凝土中加入水化熱抑制劑和在混凝土外側設擠塑式聚苯乙烯板（通常稱XPS保溫板）兩種方法來研究大體積混凝土防開裂措施，為實際工程提供施工建議。

本文共制作了3 個試驗模型，分別是空白對照模型、混凝土內(nèi)添加了水化熱抑制劑的試驗模型和混凝土外側采用XPS保溫板進行保溫的試驗模型。為方便表達，模型編號分別為1#、2#和3#。本文試驗模型尺寸均為2.5 m×2.5 m×2.5 m，滿足《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）對大體積混凝土最小體量（1 m×1 m×1 m）的要求。試驗模型示意如圖1所示。

圖1 試驗模型示意Fig.1 Test model schematic

1.2 材料性能

試驗所采用的混凝土材料（C40）均為施工現(xiàn)場的材料，水泥為祁連山水泥，粉煤灰為西固Ⅱ級灰，減水劑采用西寧不凍泉高效緩凝聚羧酸減水劑，HHC-S 水化熱抑制劑，混凝土配合比的詳細參數(shù)見表1。XPS 保溫板的導熱系數(shù)介于0.028～0.034 W/（m?℃），壓縮強度不小于0.25 MPa，吸水率不大于0.1。

表1 混凝土配合比Table 1 Concrete mix ratio

1.3 測點布置

測點共布置5 層，每層的編號從A 到E，各層測點布置如圖2 所示。A、C 和E 層測點布置較多，且主要布置在中心點、外表面、邊角以及中心向邊角過渡的位置，混凝土表面的測點設在混凝土外表面以內(nèi)5cm 處。每個模型測點的數(shù)量為20個，三個模型合計60個測點。由于本文研究的內(nèi)容主要集中在典型測點的溫度和里表溫差時程變化上，因此，在后文的分析中僅用到了部分測點的數(shù)據(jù)?；炷羶?nèi)部溫度采用高靈敏度的溫度傳感器采集，如圖3（a）所示，傳感器量程為-55～+125 ℃，精度為0.01 ℃，采用鋼筋骨架固定，安裝誤差不超過2 cm。

圖2 溫度測點布置Fig.2 Temperature measuring points layout

1.4 試驗方案

1#和2#試驗模型混凝土澆筑完成后，進行混凝土養(yǎng)護；3#模型在澆筑前將除上表面外的其他XPS保溫板固定，然后澆筑混凝土，最后蓋上上層XPS 保溫板，進行混凝土養(yǎng)護。本次試驗采用的XPS保溫板的厚度為5 cm。三個混凝土模型同時澆筑，兩天后同時拆除模板?，F(xiàn)場采用全自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行溫度數(shù)據(jù)的長期采集，數(shù)據(jù)上傳至云主機，再通過網(wǎng)絡下載至計算機，數(shù)據(jù)采集設備如圖3（b）所示。數(shù)據(jù)采集時間間隔為5 min，采集時間為2018 年11 月5 日—11 月14 日，累計時長為10 天。同時采集大氣溫度。溫度控制指標采用《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）中的指標。

圖3 溫度數(shù)據(jù)采集儀器Fig.3 Temperature data acquisition instruments

2 試驗結果分析

2.1 溫度實測分析

圖4 為1#試驗模型（對照組）典型測點（A1、C1、E1、C3 和E4）和環(huán)境溫度隨時間的變化曲線，本文選取從混凝土澆筑開始至10 天齡期內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)進行分析?？梢钥闯?，各測點總體溫度變化為溫度先快速升高，達到峰值溫度后緩慢下降，且過了峰值溫度后，混凝土表面的測點隨環(huán)境溫度不斷起伏變化，如E1 和E4 測點。混凝土的入模溫度在7～8 ℃，各測點最大溫升值不超過50 ℃，滿足《大體積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）中的要求?；炷羶?nèi)峰值溫度最高的點是中心點C1，自澆筑開始，約37 h 達到峰值溫度，為50.61 ℃，之后溫度緩慢降低。但由于混凝土導熱性差，內(nèi)部溫度與外部環(huán)境溫度有一定的滯后，所以受外部環(huán)境影響較小。其次，溫度較高的是E1 測點，約40 h 時達到峰值溫度，為48.23 ℃。之后，溫度降低較快，且由于E1 位于混凝土模型的上表面，受環(huán)境溫度的影響較大，溫度呈現(xiàn)出周期性的起伏變化狀態(tài)，并最終與環(huán)境溫度變化曲線幾近重合。A1位于混凝土模型的下表面，與土基接觸，受環(huán)境溫度影響較小，溫度變化較為平緩，約40 h 時達到峰值溫度，為30.04 ℃。此外，位于混凝土模型外表面中心的C3測點，由于受中心較高的水化熱溫度的影響，升溫較快，約36 h達到峰值溫度，為45.62 ℃。降溫階段同樣受環(huán)境的影響，溫度變化略有起伏。溫度最低的是位于上表面邊角的E4 測點，約30 h 時達到峰值溫度，為29.21 ℃，原因是角點位置與空氣接觸面積大，而大氣溫度降低，導致測點溫度最低。降溫階段受環(huán)境溫度的影響，呈現(xiàn)出周期性變化規(guī)律，約120 h 后與環(huán)境溫度變化曲線幾近重合。由上述分析可知，混凝土內(nèi)部，靠近中心點的溫度最高，從內(nèi)向外溫度逐漸降低，與大氣接觸面最廣的上部角點位置溫度最低。

圖4 1#模型典型測點溫度變化曲線Fig.4 Temperature change curve of typical measuring point of model 1

2#試驗模型（抑制劑組）和3#試驗模型（XPS保溫板組）測點溫度變化與1#試驗模型基本相似，此處不一一介紹。圖5 為三個試驗模型典型測點溫度變化對比曲線，可以看出，內(nèi)部測點C1 的峰值溫度最高的是3#試驗模型，為56.88 ℃；其次是1#模型，為50.61 ℃；最后是2#模型，為45.81℃；且3#試驗模型C1 測點達到峰值溫度的時間早于1#和2#試驗模型，最晚的是2#模型，晚于1#和3#模型分別3 h 和6 h。原因是3#試驗模型外側有XPS 保溫板，與大氣進行熱交換的速率顯著降低，保溫效果好，能夠保持混凝土水化熱釋放的熱量，促進水化熱反應；而2#試驗模型中添加了水化熱抑制劑，可能會導致水化熱不完全充分，因此，混凝土內(nèi)部溫度相對較低，同一測點位置處混凝土溫度低于其他兩個模型，如圖5 中的E1 測點溫度變化曲線。此外，3#試驗模型由于外側設了XPS 保溫板，混凝土表面受環(huán)境影響較小，測點溫度不會隨環(huán)境溫度出現(xiàn)周期性的起伏變化，如圖5 中的3#模型E1測點。

圖5 三個試驗模型典型測點溫度變化對比曲線Fig.5 Comparison curves of temperature changes at typical measuring points of three test models

通過上述分析可知，混凝土水化熱抑制劑有明顯的抑溫效果，升溫速率明顯減緩，混凝土核心峰值溫度顯著降低，溫峰平臺延長，控溫效果明顯。然而表層混凝土仍然受環(huán)境溫度影響較大，無法解決表面混凝土溫度隨環(huán)境溫度驟變的問題。此外，XPS保溫板具有很好的保溫效果，混凝土中心峰值溫度有所提高，且表面溫度與環(huán)境的熱交換效率低，表面溫度降溫速率顯著降低。

2.2 里表溫差分析

混凝土里表溫差，即混凝土內(nèi)部最高溫度與表面溫度的差值。溫差過大，則混凝土內(nèi)產(chǎn)生較大的拉應力，混凝土容易開裂?！洞篌w積混凝土施工標準》（GB 50496—2018）規(guī)定混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25 ℃。圖6-圖8 為1#～3#試驗模型典型測點里表溫差變化曲線，本文選取了混凝土中心測點C1 與表面中心測點A1、E1 和C3 以及邊角測點A7、C7和E4的里表溫差進行分析。

圖6 里表溫差時程變化曲線Fig.6 Time history curve of temperature difference between inside and outside

圖6 中C1-E1 即為C1 測點和E1 測點的溫差，其他符號含義與之相同。圖6 中，各表面測點和邊角測點與中心點溫差大多呈現(xiàn)出先隨混凝土齡期的增長，溫差先升高，后不斷降低的趨勢，直至達到平衡。由于受環(huán)境溫度的影響，溫差不斷起伏變化。各測點溫差中，位于邊角的E4 和A7 測點的溫差較高，最大溫差分別為40.37 ℃和33.05 ℃，均超過規(guī)范限值，其他測點均未超限。2#試驗模型與1#試驗模型的里表溫差變化相似，亦有兩個測點溫差超限。3#試驗模型僅E4 測點里表溫差超限，其他測點均未超限。E4 測點由于未能完全與空氣隔絕，導致與環(huán)境熱交換一直在進行，因此，其里表溫差相對其他測點較高。若能做到完全密封保溫板，則所有測點的里表溫差都不會超限。此外，由于3#試驗模型外側包裹了XPS 保溫板，受環(huán)境影響較小，溫差曲線相對平滑，較少出現(xiàn)起伏變化。

通過上述分析可知，混凝土抑制劑雖然能夠有效地降低水化熱溫度，但由于無法改變混凝土表面溫度隨環(huán)境溫度驟變的問題，因此，其里表溫差無法得到有效控制，仍存在較高的開裂風險。而XPS 保溫板由于優(yōu)良的保溫效果，雖然提高了混凝土核心溫度峰值，但有效降低了里表溫差，混凝土開裂的風險明顯降低。

2.3 混凝土強度測試

在進行模型試驗的同時，進行了混凝土試塊強度試驗。分別用澆筑三個模型的混凝土制做混凝土標準抗壓強度試件，其中3#模型試塊用XPS保溫板進行保溫。分別做了1 天、3 天、5 天、7 天、14 天、21 天和28 天強度試驗，試驗結果如圖7 所示。混凝土強度在前7 天增長較快，之后增長放緩，且3#模型混凝土試塊強度始終高于其他兩個模型試塊，28 天強度比2#試驗模型試塊高約7%，1#和2#模型試塊混凝土強度差別不大。說明XPS保溫板能夠有效地保證混凝土強度的增長，保溫效果較好。

圖7 混凝土強度增長曲線Fig.7 Strength growth curve of concrete

2.4 洛氏硬度測試

洛氏硬度是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值的指標，在一定程度上能夠反映混凝土水化的完成程度。混凝土水化熱完成得越充分，洛氏硬度值越大。對三個齡期28 天的混凝土試驗模型進行鉆心取樣，采用硬度測試儀測定取樣混凝土的硬度值。從混凝土模型上表面鉆芯取樣，試樣直徑為20 cm，取樣深度為50 cm，每10 cm 測定一組硬度值，每組測定5 個硬度值，取平均值即為該組的硬度值。三個試驗模型硬度值隨取樣深度的變化如圖8 所示。可以看出，混凝土的硬度值隨取樣深度的增加不斷增大，充分說明混凝土內(nèi)部溫度越高越能促進水化熱反應的進行，使得混凝土更加密實。對比三個試驗模型可以發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)添加了抑制劑的2#試驗模型的硬度最低，設了XPS 保溫板的3#試驗模型的硬度最高，未做任何處理的1#試驗模型居于中間。3#試驗模型在表面以下50 cm位置處的洛氏硬度分別比1#和2#試驗模型高7.8%和12.5%。通過硬度測試試驗可以看出，混凝土外側設XPS保溫板能夠有效地保證在低溫條件下混凝土水化熱完全反應，而增加水化熱抑制劑對混凝土工作性能的形成較為不利。

圖8 三個試驗模型混凝土洛氏硬度曲線Fig.8 Three test models concrete Rockwell hardness curve

試驗模型澆筑28 天后對三個試驗模型表面的裂縫進行觀察，發(fā)現(xiàn)1#試驗模型表面出現(xiàn)較多1～2 mm 的裂縫，2#試驗模型表面出現(xiàn)少量0.5～1 mm 的裂縫，3#試驗模型表面未出現(xiàn)裂縫，僅邊角部位出現(xiàn)少許裂縫。綜合上述試驗測試結果，XPS保溫板可作為低溫條件下大體積混凝土防開裂材料，應用于實際工程可取得較好的效果。

3 有限元仿真分析

選定XPS保溫板作為大體積混凝土防開裂材料，進行有限元模擬分析，以確定XPS保溫板的最佳厚度，給出施工建議。

3.1 有限元模型驗證

采用Midas FEA 進行大體積混凝土水化熱仿真分析。采用實體模型進行模擬，有限元模型尺寸與試驗模型一致，為2.5 m×2.5 m×2.5 m，網(wǎng)格劃分大小取10 cm。模型與地面有熱傳導，建5 m×5 m×2 m 的土基來模擬地基。XPS 保溫板采用實體單元模擬，材料的熱工參數(shù)見表2。數(shù)值模擬應符合以下基本假定：①材料為均值的各向同性材料，結構構件的溫度變形符合伯努利平面假定；②材料特性不對溫度改變而改變；③熱源的放熱率是時間的函數(shù)，與空間變量無關。由于結構是對稱的，因此只需要建1/4 模型即可，模型如圖9所示。水化熱分析建立地基時，由于混凝土產(chǎn)生的熱量將充分傳遞給地基，后續(xù)不再傳遞溫度，也不存在溫差和相對位移，因此將地基下部的邊界條件設為完全固結。水化熱的熱傳遞特性有比熱容和導熱系數(shù)確定，三種材料的熱工參數(shù)見表2。此外，還需要給定溫度邊界條件，與大氣接觸的部分采用對流邊界，地基采用固定溫度邊界，內(nèi)部混凝土切面采用絕熱邊界。環(huán)境溫度采用現(xiàn)場實測的環(huán)境溫度，初始溫度取實測混凝土入模溫度7.8 ℃，土基的初始溫度取與初始環(huán)境溫度接近的-3 ℃，熱邊界條件假定混凝土模型底部與土基接觸良好，側面及頂部與環(huán)境發(fā)生熱交換。此外，由于混凝土的方量相對較小，因此混凝土為一次澆筑完成。

圖9 有限元模型概況（1/4模型）Fig.9 Finite model overview（1/4 model）

表2 材料熱工參數(shù)Table 2 Material thermal parameters

圖10（a）、圖10（b）和圖10（c）分別是0 cm 保溫層厚度（即無XPS 保溫板的對照組1#試驗模型）、5 cm 保溫層厚度（即設XPS 保溫板的3#試驗模型）試驗模型中心點溫度和里表溫差的有限元模擬與實測對比結果，可以看出有限元模擬結果與實測結果有一定的偏差。產(chǎn)生偏差的原因主要是溫度場模擬需要考慮的環(huán)境因素，如太陽輻射、風速、風向和濕度等，這些因素在模型中未考慮。但從結果來看，有限元模擬值和實測值偏差在可接受的偏差范圍內(nèi)，可以認為該有限元模擬方法可靠，可以采用該方法進行參數(shù)分析。

圖10 有限元模型驗證Fig.10 Finite element model validation

3.2 參數(shù)分析

模擬混凝土模型外包給0 cm、5 cm、8 cm 和10 cm 厚的XPS 保溫板內(nèi)部溫度場進行模擬，有限元參數(shù)分析結果如圖11 所示。圖中曲線為模型中心點溫度時程變化曲線，可以看出，隨著XPS保溫板厚度的增大，混凝土模型中心測點水化熱峰值溫度在不斷增大，且里表溫差在不斷降低。當厚度超過8 cm后，溫度增長效果不明顯，且溫差降低也不明顯。因此，建議保溫層厚度取8 cm。

圖11 有限元參數(shù)分析結果Fig.11 The finite element parameters analysis results

4 工程應用

應用工程為16 m×10 m×6 m 的大體積混凝土承臺，如圖12 所示。由于該承臺體積較大，混凝土水化熱產(chǎn)生的熱量較大，且混凝土方量大，無法一次澆筑完成，因此進行混凝土分層澆筑。承臺總共分為兩層四個塊段，每個塊段的尺寸為8 m×10 m×3 m，體積為240 m3。施工過程中為防止混凝土水化熱過高，設有冷卻水管，在混凝土澆筑開始時就通水，連續(xù)通水7 天?；炷敛捎猛鈱影黊PS保溫板的方法進行溫度裂縫控制。通過上述分析，保溫板厚度取8 cm 即可，實際施工過程中采用標準的10 cm 厚度的XPS 保溫板進行保溫。此外，在施工過程中同時進行混凝土溫度監(jiān)控，限于篇幅原因，具體的監(jiān)控方案和溫度監(jiān)測結果不在本文介紹。

圖12 承臺澆筑完成Fig.12 The completed cushion cap

施工完成后通過肉眼觀察和以前檢測兩種方法檢查混凝土的澆筑質(zhì)量。從圖12 可以看出，混凝土澆筑完成后，承臺表面混凝土澆筑質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)裂縫，僅有部分由于施工不到位導致的蜂窩麻面。而承臺棱角的地方發(fā)現(xiàn)了較多的裂縫，其原因是XPS 保溫板無法完全覆蓋邊角部位，該部位受環(huán)境溫度影響較大，導致混凝土里表溫差較大，這與試驗和有限元模擬的結果較為一致。裂縫的長度和深度均較小，對結構的安全無影響，后期對裂縫進行修復即可。

5 結論

（1）混凝土水化熱抑制劑在一定程度上能夠有效降低水化熱溫度，減小混凝土開裂風險。但其對混凝土的使用性能可能有一定的影響，在使用混凝土水化熱抑制劑前應進行充分的試驗驗證。

（2）XPS 保溫板是非常有效的防開裂材料，既能降地混凝土里表溫差，又能使得水化熱反應充分，可以作為高原高寒地區(qū)大體積混凝土防開裂材料。工程應用中保溫層厚度應不小于8 cm。

（3）環(huán)境條件如太陽輻射、風速、風向和濕度等對大體積開裂的影響還需進行進一步研究。