特高拱坝用大体积水工混凝土的温控防裂方法技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及水利水电领域中一种特高拱坝用大体积水工
混凝土的温控防裂方法。
背景技术
随着国内水电水利工程的发展，在国内西南地区和世界水电资源丰富地区将建起
一大批特高拱坝，特高拱坝往往库容量较高，一旦发生溃坝将导致下游人民生命财产的损
失，所以安全是首先考虑的问题。
特高拱坝一般采用大体积混凝土，根据国家标准GB50496-2009《大体积混凝土施
工规范》中的定义：“混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会
因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”。
在特高拱坝建设过程中，单一浇筑仓实体最小几何尺寸一般为3m，由于特高拱坝
一般要求低温封拱，需要采用低温水冷的方式使坝体温度在短期内降至封拱温度，降温幅
度大、速度快，再加上二冷时上下层相互约束大等问题，更易出现超标拉应力而出现裂缝。
因此大体积水工混凝土对混凝土的温度变化和收缩要求更高。在特高拱坝的强约束区，对
混凝土的温度变化和收缩更敏感，因此，采用有效措施降低温度变化和收缩就很有必要。
发明内容
[要解决的技术问题]
本发明的目的是解决上述现有技术问题，提供一种特高拱坝用大体积水工混凝土
的温控防裂方法。该方法通过对水工混凝土的出机口温度、浇筑温度和最高温度进行控制，
满足了特高拱坝对大体积混凝土温度的要求，并且通过四级配骨料和加入PVA纤维的措施，
满足大体积水工混凝土对限制收缩的要求。
[技术方案]
为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：
一种特高拱坝用大体积水工混凝土的温控防裂方法，它是通过对水工混凝土原材
料组成的设计及浇筑过程的控制，控制水工混凝土出机口温度夏季≤7℃、冬季≤9℃；浇筑
温度≤12℃和最高温度≤27℃；
其中，所述水工混凝土是由以下质量份原料配制而成：
78～84份水，123～133份低热水泥，67～72份Ⅰ级粉煤灰，460～452份砂，1851～
1918份四级配骨料，1.140～1.435份减水剂，0.0380～0.0923份引气剂。
根据本发明更进一步的技术方案，在水工混凝土的配制过程中，还掺入了PVA纤
维，所述PVA纤维的掺量为0.9kg/m3。
根据本发明更进一步的技术方案，所述PVA纤维长度为12mm～15mm，当量直径为14
μm～20μm，断裂强度≥1500MPa。
根据本发明更进一步的技术方案，所述水是冷水和片冰；其中，所述冷水的温度为
5℃～7℃，所述片冰温度为-7℃～-5℃。
根据本发明更进一步的技术方案，在配制水工混凝土的过程中，需首先预冷所述
四级配骨料，其预冷方式是用风冷方式控制四级配骨料温度为-2℃～1℃。
根据本发明更进一步的技术方案，在配制水工混凝土前，所述减水剂需现场配制
成质量浓度为20％的溶液，所述引气剂需现场配制成质量浓度为1％的溶液。
根据本发明更进一步的技术方案，所述特高拱坝的坝高≥200m。
根据本发明更进一步的技术方案，所述低热水泥是满足GB200-2003《中热硅酸盐
水泥低热硅酸盐水泥低热矿渣硅酸盐水泥》要求的低热硅酸盐水泥。
根据本发明更进一步的技术方案，所述Ⅰ级粉煤灰的掺量为35％；所述四级配骨料
是由426～441份粒径为5mm～20mm的小石、444～460份粒径为20mm～40mm的中石、555～576
份粒径为40mm～80mm的大石和426～441份粒径为80mm～120mm的特大石组成。
根据本发明更进一步的技术方案，在所述浇筑过程的控制是指在浇筑过程中埋设
冷却水管，水工混凝土浇筑过程中即通水。
下面将详细地说明本发明。
本发明中，所述的水是冷水和片冰，该冷水和片冰应用在低热水泥、Ⅰ级粉煤灰、
砂、四级配骨料、减水剂和引气剂的各原料配制过程中。使用冷水或片冰对各原料进行配
制，可进一步的控制原料的温度，以保证整个水工混凝乳的温度在适当的低温状态下。
本发明在水工混凝土尺寸的限制下，在水工混凝土配制上，首先使用了低热水泥，
虽然低热水泥在商品混凝土、水工混凝土中均有应用，但是在特高拱坝中却没有应用的先
例；其次，本发明使用了Ⅰ级粉煤灰，并且其是大掺量的(35％)，这里的掺量是指I级粉煤灰
占胶凝材料的质量百分比，大量使用I级粉煤灰在于减少胶凝材料的水化热、降低水工混凝
土的最高温度，同时也满足了水工混凝土对凝结时间的要求，这里所述的凝胶材料是低热
水泥加Ⅰ级粉煤灰的混合物。本发明中，结合其他原材料的加入，选择最佳的Ⅰ级粉煤灰的掺
量为35％。另外，本发明还使用了四级配骨料，不仅能节约投资，还能起到限裂的作用。此
外，本发明还在水工混凝土的配制搅拌过程中进一步增加了PVA纤维，其主要作用是增加硬
化后水工混凝土的韧性，降低脆性，从而达到抗裂的目的。纤维的长度和当量直径的范围是
纤维的特征，选择本发明中PVA纤维特征。综上所述，本发明从混凝土原材料选材开始，综合
考虑各种原材料的优势从源头控制水工混凝土的温度。
本发明的减水剂是JM-IIC或JM-PCA，引气剂为ZB-1G。在配制水工混凝土前，所述
减水剂需现场配制成质量浓度为20％的溶液，所述引气剂需现场配制成质量浓度为1％的
溶液。就是将减水剂和引气剂用水配制成相应浓度的溶液，所用的水就是78～84份水中的
部分水。
此外，在水工混凝土的配制过程中，根据天气情况和出机口温度调整片冰的加入
量，夏天控制出机口温度≤7℃，冬季根据天气情况，控制出机口温度≤9℃。其外，还可以采
用常规的技术手段如优化运输、机械振捣、控制坯层覆盖时间等措施，控制浇筑温度≤12
℃，通过规划运输线路、运输工具，配合水工混凝土拌和系统生产能力，达到快速入仓、快速
覆盖振捣的效果，降低浇筑温度。本发明的水工混凝土的浇筑过程中，埋设冷却水管，浇筑
完成后，通过冷却水管并能结合水工混凝土使用的低热水泥、高摻量粉煤灰控制最高温度
≤27℃。
本发明为满足特高拱坝超大体积混凝土对温度的特殊要求，采取多种方式控制混
凝土的出机口温度、浇筑温度和最高温度，其中出机口温度采用骨料预冷、加冷水和片冰拌
和等措施进行冷却，浇筑温度还可采用优化运输、振捣、覆盖等措施控制，最高温度采用低
热水泥、高掺粉煤灰、埋设冷却水管等措施控制；为满足特高拱坝大体积混凝土对收缩的影
响，采用PVA纤维、四级配骨料等措施控制。
[有益效果]
本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：
本发明首次提出低热水泥在特高拱坝中使用，并配合其他措施控制混凝土的出机
口、浇筑和最高温度，满足大体积水工混凝土对温度变化的要求。
本发明利用四级配骨料加PVA纤维措施，满足大体积水工混凝土对限制收缩的要
求。
本发明有效的限制水工混凝土的温度变化和收缩，有效的防止其在特高拱坝使用
上，出现温度裂缝。
具体实施方式
下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。
实施例1～5制备的特高拱坝的坝高≥200m，其使用的水工混凝土是由以下质量份
的原料配制而成：
78～84份水，123～133份低热水泥，67～72份Ⅰ级粉煤灰，460～452份砂，1851～
1918份四级配骨料，1.140～1.435份减水剂，0.0380～0.0923份引气剂。并且，在水工混凝
土的配制过程中，还掺入了PVA纤维，所述PVA纤维的掺量为0.9kg/m3。所述PVA纤维长度为
12mm～15mm，当量直径为14μm～20μm，断裂强度≥1500MPa。所述水是冷水和片冰；其中，所
述冷水的温度为5℃～7℃，所述片冰温度为-7℃～-5℃。所述低热水泥是满足GB200-2003
《中热硅酸盐水泥低热硅酸盐水泥低热矿渣硅酸盐水泥》要求的低热硅酸盐水泥。所述四级
配骨料是由426～441份粒径为5～20mm的小石、444～460份粒径为20～40mm的中石、555～
576份粒径为40～80mm的大石和426～441份粒径为80～120mm的特大石组成。在配制水工混
凝土前，所述减水剂需现场配制成质量浓度为20％的溶液，所述引气剂需现场配制成质量
浓度为1％的溶液。配制减水剂溶液和引气剂溶液的水使用的是原料78～84份水中的部分
水。在浇筑过程中，埋设冷却水管，水工混凝土浇筑即通水冷却，并结合原料中使用的低热
水泥和高掺粉煤灰控制最高温度≤27℃。根据天气情况和出机口温度调整片冰的加入量，
使出机口温度≤7℃(冬季≤9℃)；采用优化运输、机械振捣、控制坯层覆盖时间等措施，控
制浇筑温度≤12℃。
实施例1：
首先，将利用减水剂现场配制成质量浓度为20％的溶液，引气剂现场配制成质量
浓度为1％的溶液备用；然后，用风冷的方式将四级配骨料冷却至温度为-2～1℃；按照程
序，称量各种原材料的重量，并在称量小石完成后，在小石称量斗中加入PVA纤维；最后根据
设定的先后顺序先后投入称量好的原材料进行搅拌，根据现场浇筑情况实时调整混凝土生
产速度，达到浇筑与生产协调。
本实施例的水工混凝土的配方如表1所示：
表1水工混凝土的配方
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表1中，所述百分号均是指该原料的掺量。
实施例2
其水工混凝土的配制过程同实施例1，其水工混凝土的配方如表2所示：
表2水工混凝土的配方
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实施例3
其水工混凝土的配制过程同实施例1，其水工混凝土的配方如表3所示：
表3水工混凝土的配方
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实施例4
其水工混凝土的配制过程同实施例1，其水工混凝土的配方如表4所示：
表4水工混凝土的配方
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实施例5
其水工混凝土的配制过程同实施例1，其水工混凝土的配方如表5所示：
表5水工混凝土的配方
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对比例1～5
配方出使用中热水泥代替低热水泥，其余分别与实施例1～5的水工混凝土配方一
样。并且对比例1～5水工混凝土的配制步骤和方法同实施例1～5。
为对比分析，选取同时段中热水泥与低热水泥进行分析，在施工条件相同情况下，
对出机口温度、浇筑温度和最高温度进行分析，具体见表6。
表6实施例1～5与对比例1～5的出机口温度、浇筑温度、最高温度对比
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从表6中可以看出，对比例1～5为中热水泥配制的水工大体积混凝土，出机口和浇
筑温度是在短时间内发生的，与拌和等各种冷却措施有关，中热水泥和低热水泥在相同的
施工条件下，出机口和浇筑温度相当。
分析混凝土浇筑后的最高温度，重点对发生的时间和最高温度参数进行分析，实
施例中最高温度为23.1℃，发生时间平均为8.2d，对比实施例中最高温度为28.6℃，发生时
间平均为7.6d，本发明的实施例最高温度降低5.5℃，降低比例为19.23％，降低效果显著。
对比例6
与实施例1的区别在与水泥使用的中热水泥，并且没有加入PVA纤维。
对比分析中热水泥配制的水工混凝土与低热水泥加PVA纤维配制的水工混凝土自
生体积变形的比较，具体见表7。
表7水工混凝土自生体积变形对比
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从表7中可以看出，中热水泥配制的水工大体积混凝土180d自生体积变形值为-
37.95×10-6，低热+PVA纤维配制的水工大体积混凝土，180d自生体积变形值为-20.44×10
-6，实施例比对比例自生体积降低了46％，降低效果显著。
对比例7～11
对比例7～11分别与实施例1～5比较，其未使用PVA纤维，且引气剂、水、水泥、粉煤
灰有所微调的水工混凝土配方如表8所示：
表8水工混凝土的配方
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实施例1～5与对比例7～11的水工混凝土性能对比如表9所示：
表9水工混凝土性能对比强度结果
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从表9中的结果，实施例1～5的极限拉伸值平均为1.11，与对比例相同，但实施例
的极限拉伸值稳定，波动较小。从抗压强度、劈拉强度和拉压比看，实施例平均拉压比为
0.070，对比例拉压比为0.067，实施例比对比例高4.5％，实施例韧性提高，抗裂能力提高。
尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发
明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人
员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则
范围和精神之内。