大體積混凝土溫度控制技術(shù)研究

李潤(rùn)成

(山西省交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

大體積混凝土在橋梁墩臺(tái)工程中應(yīng)用廣泛。其施工的特點(diǎn)在于:施工周期長(zhǎng)，可能經(jīng)歷一年中最高溫和最低溫季節(jié);結(jié)構(gòu)尺寸長(zhǎng)，澆筑方量大;泵送混凝土施工，膠材用量高，水化熱溫升大，易產(chǎn)生溫度裂縫［1，2］。對(duì)大體積混凝土而言，造成混凝土開裂最主要的原因是由干縮和溫度應(yīng)力引起的［3］。由于水泥和水之間發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)物理變化，新的生成物導(dǎo)致了混凝土的凝結(jié)和硬化。在大體積的混凝土澆筑施工后，水泥在水的激發(fā)下水化放熱，將逐漸經(jīng)歷誘導(dǎo)期、升溫期、降溫期以及穩(wěn)定期這四個(gè)階段，在此過程中混凝土的體積也隨著構(gòu)筑物溫度的升降而產(chǎn)生一定的膨脹或收縮變形，當(dāng)周圍條件的約束限制各塊混凝土體積的自由脹縮變化時(shí)，就在結(jié)構(gòu)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生一定程度的溫度應(yīng)力［3，4］。為此，本文根據(jù)混凝土的物理和熱學(xué)性能常規(guī)試驗(yàn)，計(jì)算了大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度分布狀態(tài)，并根據(jù)分析結(jié)果提出了相應(yīng)的溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施，以防出現(xiàn)有害溫度裂縫。

1 工程概況

本文以結(jié)構(gòu)尺寸為15 m×30 m×17.5 m的大體積混凝土為例，該結(jié)構(gòu)分9層澆筑。施工中采用C40混凝土分層進(jìn)行澆筑，每層一次澆筑，兩層之間澆筑間隔時(shí)間為7 d。

1.1 分層及冷卻水管布置

本文主要以錨碇中單個(gè)錨塊單個(gè)錨體錨塊結(jié)構(gòu)尺寸為15 m×30 m×17.5 m，采用C40混凝土，分9層澆筑，每層一次澆筑。

將冷卻水管分為1層或2層布設(shè)在每層混凝土內(nèi)部。其中冷卻水管直徑為40 mm的薄壁鋼管，同一層冷卻水管的水平間距為1 m，這些冷卻水管與混凝土結(jié)構(gòu)的側(cè)面距離應(yīng)該大于1.0 m。為保證降溫效果，每根冷卻水管的長(zhǎng)度最好不要超過200 m。同時(shí)，冷卻水管的進(jìn)、出水口位置應(yīng)該集中布置、統(tǒng)一管理，并標(biāo)識(shí)清楚。水管由離心泵供水。冷卻水管的平面、立面布置圖見圖1。

圖1 水管平面及立面布置圖（單位：m）

混凝土澆筑預(yù)計(jì)歷時(shí)2個(gè)月，從4月份～6月份，澆筑溫度應(yīng)該按25℃計(jì)算。

在計(jì)算過程中，按頂面蓄水0.15 m深的情況考慮，經(jīng)熱工計(jì)算可以得到結(jié)構(gòu)側(cè)面的保溫系數(shù)為840 kJ/(m2·d·℃)，頂面的保溫系數(shù)為1 200 kJ/(m2·d·℃)。

在進(jìn)行熱工計(jì)算時(shí)，考慮冷卻水管的降溫效果。單個(gè)錨塊混凝土中共布設(shè)17層φ40 mm的黑鐵管，冷卻水管水平間距為1.0 m，錨塊連接處共布設(shè)17層黑鐵管。這些冷卻水管的水平間距為1.0 m。經(jīng)估算，對(duì)于錨塊強(qiáng)度等級(jí)為C40的混凝土而言，絕熱溫升37.9℃。

在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土的澆筑溫度、間歇期以及結(jié)構(gòu)的內(nèi)表溫差，采取有效的溫度控制措施，以避免錨塊混凝土產(chǎn)生溫度裂縫。

1.2 冷卻水管埋設(shè)及測(cè)點(diǎn)布置

1)當(dāng)混凝土澆筑到各層冷卻水管的標(biāo)高之后，開始通水，通水持續(xù)時(shí)間為10 d～15 d，具體需要多久時(shí)間應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)來確定。而通水流量應(yīng)不小于25 L/min;2)當(dāng)混凝土采用分層澆筑時(shí)，在上層混凝土澆筑施工結(jié)束后，結(jié)構(gòu)物底層混凝土的頂面處的冷卻水管應(yīng)立即進(jìn)行通水，以降低混凝土的溫度回升幅度;3)對(duì)進(jìn)出水溫度應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。在保證冷卻水管的進(jìn)水溫度和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最高溫度之差不高于25℃的條件下，冷卻水應(yīng)當(dāng)盡量采用適宜的溫水或者循環(huán)水;4)冷卻水管停止使用后，應(yīng)采用C35水泥砂漿進(jìn)行封閉灌漿。

冷卻水管埋設(shè)及測(cè)點(diǎn)布置圖如圖2所示。

圖2 測(cè)點(diǎn)平面及立面布置圖（單位：m）

2 混凝土的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)及措施

2.1 混凝土的溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

1)結(jié)構(gòu)物的最大內(nèi)外溫差不得大于25℃;2)在養(yǎng)護(hù)時(shí)，表面的養(yǎng)護(hù)水流和混凝土結(jié)構(gòu)物的表面溫度差值應(yīng)該控制在15℃以內(nèi);3)在溫度峰值過后，應(yīng)采取保溫措施使結(jié)構(gòu)物混凝土的最大降溫速率控制在2.0℃/d以內(nèi)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)的溫控措施

本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程經(jīng)驗(yàn)，提出了如下措施。

2.2.1 混凝土原材料選擇及配合比設(shè)計(jì)

1)配合比設(shè)計(jì)及試配宜采用60 d強(qiáng)度;2)避免使用早強(qiáng)型水泥與高C3A含量水泥，而應(yīng)選用水化熱及堿性量比較低的水泥品種;3)盡量降低單方混凝土中的膠結(jié)料及硅酸鹽水泥用量，但其前提是應(yīng)滿足混凝土強(qiáng)度要求;4)減水劑的選用應(yīng)是性能優(yōu)良、高效的，同時(shí)盡量減少拌和的用水量。

2.2.2 混凝土澆筑溫度的控制

降低混凝土的澆筑溫度是控制混凝土開裂破壞的重要途徑?；炷恋娜肽囟茸詈媚芸刂圃?5℃之內(nèi)，不應(yīng)當(dāng)高于28℃，應(yīng)視氣溫不同而進(jìn)行調(diào)整。通常可采取的溫控措施有如下幾種: 1)水泥在使用前應(yīng)當(dāng)采取散放等措施充分冷卻降溫，務(wù)必保證其在施工期間的實(shí)測(cè)溫度不得高于50℃。2)為保證混凝土在入模前模板溫度、鋼筋溫度和附近局部的空氣溫度不得高于40℃，應(yīng)合理進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)，特別是在炎熱天氣時(shí)，大體積混凝土應(yīng)在夜間澆筑比較合適。3)為降低澆筑溫度，可采用冷卻系統(tǒng)對(duì)拌和所用的自來水進(jìn)行冷卻，或者通過加入冰塊降低溫度。4)在高溫天氣下需要加快運(yùn)輸效率，提高入倉(cāng)速度，盡量減少混凝土的冷量損失。5)將砂石料的堆存高度增加到6 m～8 m以上，并采取適當(dāng)?shù)母采w遮陽措施，使用時(shí)應(yīng)盡量從靠近地表或者地表以下(料堆底層)取料。6)用草袋為混凝土泵管遮陽，并及時(shí)灑水降溫。7)采用遮陽隔熱方法給運(yùn)輸車降溫。

2.3 大體積混凝土溫度以及內(nèi)表溫差控制措施

對(duì)于大體積混凝土來說，在降溫階段氣溫較低時(shí)，或者突然遭遇大風(fēng)降溫、混凝土的內(nèi)表溫差高于20℃，這樣的情況就必須對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)加強(qiáng)保溫養(yǎng)護(hù)措施。

夏天應(yīng)控制混凝土澆筑溫度不超過25℃。同時(shí)，由于水泥水化熱引起的溫升效應(yīng)，需要采取有效的降溫措施來盡可能地降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，使混凝土的內(nèi)外溫差控制到不大于25℃。

層與層之間的混凝土澆筑間隔時(shí)間控制按前次澆筑混凝土核心溫度與其表面溫度差應(yīng)小于20℃，同時(shí)已澆筑混凝土的強(qiáng)度應(yīng)大于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%。

冬季控制澆筑溫度不低于10℃，可通過加熱拌合水達(dá)到要求。

對(duì)于暴露于大氣中的新澆混凝土結(jié)構(gòu)的表面，應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行水膜養(yǎng)護(hù)?；炷辽媳砻姹M可能采用蓄水養(yǎng)護(hù)，立面混凝土拆模宜使用自動(dòng)噴水系統(tǒng)不間斷噴水，人工灑水易造成混凝土表面干濕循環(huán)，產(chǎn)生干縮裂縫。

2.4 養(yǎng)護(hù)措施

混凝土養(yǎng)護(hù)工作一般包括濕度和溫度兩個(gè)方面。施工養(yǎng)護(hù)過程中的溫度和濕度養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，在很大程度上能影響到混凝土結(jié)構(gòu)表層的抗裂性和耐久性能。通?？刹捎萌缦麓胧?1)在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完畢的12 h～18 h左右，應(yīng)及時(shí)開展養(yǎng)護(hù)工作;對(duì)于炎熱干燥的天氣情況，還應(yīng)當(dāng)提前進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。一般而言，摻粉煤灰的混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于21 d，而普通混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于14 d;2)可以采用覆蓋濕麻袋或濕土工布養(yǎng)護(hù)，并配合經(jīng)常灑水，使混凝土的表面處于濕潤(rùn)狀態(tài);3)夏季氣溫高時(shí)采用表面流水方法冷卻混凝土，在混凝土終凝并鑿毛后即開始流水，在混凝土表面形成流動(dòng)的水層，水層厚2 mm～8 mm，水流速度不大于0.8 m/s。

在施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格遵照J(rèn)TJ 04189公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)厚度、工藝順序和方向操作。大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的溫度、應(yīng)力狀態(tài)受外界溫度、濕度、現(xiàn)場(chǎng)施工條件、原材料品質(zhì)等因素的影響，其發(fā)展過程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問題。下面通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)了解混凝土的溫度變化情況。

3 實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析

每層澆筑間隔時(shí)間為7 d，大體積混凝土澆筑時(shí)，選擇有代表性的第1層、第3層、第5層、第7層、第9層溫度實(shí)測(cè)值，列入圖3～圖7。

從以上實(shí)測(cè)溫度曲線可知，溫度在第2 d，3 d達(dá)到高溫之后緩慢下降。隨著層數(shù)的增加，下面已澆筑的混凝土達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)變化十分緩慢，幾乎不變，而上部新澆筑的混凝土最高溫度均比下面已澆筑的混凝土的最高溫度要高，所以，在施工開始直至施工結(jié)束時(shí)，要確保每一層的水管都能順利通水且有足夠的接入水管，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度做出相應(yīng)措施，保證溫差控制在25℃內(nèi)。

圖3 第1層溫度曲線及內(nèi)外溫差曲線

圖4 第3層溫度曲線及內(nèi)外溫差曲線

圖5 第5層溫度曲線及內(nèi)外溫差曲線

同時(shí)，通過采取相應(yīng)的溫度控制措施，各層內(nèi)外溫差均控制在25℃內(nèi)，這說明以上溫度控制是可行的。從第3層溫度變化線看出，3—外—木曲線(外模采用木模)與3—外—鋼(外模采用鋼模)溫度差2℃～3℃，外界溫度降低時(shí)木模外表皮溫度比鋼模溫度高，外界溫度高時(shí)鋼模的外表皮溫度比木模高，因此可以根據(jù)施工時(shí)節(jié)不同選用木模和鋼模。

圖6 第7層溫度曲線及內(nèi)外溫差曲線

圖7 第9層溫度曲線及內(nèi)外溫差曲線

4 結(jié)語

1)對(duì)于大體積混凝土，當(dāng)澆筑8 h左右時(shí)，溫度一般在30℃左右，可以試通水，測(cè)一下水溫。通水時(shí)盡量不要停止，這樣溫度達(dá)到峰值溫度會(huì)比間斷通水時(shí)達(dá)到的峰值低，且要根據(jù)測(cè)得表皮溫度與內(nèi)部溫度，保證內(nèi)外溫差不超過25℃時(shí)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度采取相應(yīng)的控制措施。

2)隨著層數(shù)的增加，下面已澆筑的混凝土?xí)?duì)上部新澆筑的混凝土有一定的影響，下面已澆筑的混凝土達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值時(shí)變化十分緩慢，幾乎不變，而上部新澆筑的混凝土最高溫度均比下面已澆筑的混凝土的最高溫度要高，所以，在施工開始直至施工結(jié)束時(shí)，要確保每一層的水管都能順利通水且有足夠的接入水管，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度采取相應(yīng)措施，保證溫差控制在25℃內(nèi)。

3)由于鋼模受外界溫度影響較大，即降溫快升溫也快，而木模受外界溫度影響較小但變形較大，因此，在選擇外模時(shí)可以根據(jù)需要選取。

［1］ 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1999.

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