大體積混凝土溫度智能控制技術(shù)及防護措施研究

楊志學(xué), 張林艷, 王立偉

中國葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

目前,大體積混凝土已廣泛應(yīng)用于建筑物、橋梁、隧道等重要工程中。由于混凝土水化反應(yīng)會產(chǎn)生大量熱量,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高,易引起裂縫等損害,因此,在大體積混凝土施工過程中,需要采取有效的溫度控制和防護措施。

當(dāng)前,大體積混凝土的溫度控制和防護主要依靠經(jīng)驗及傳統(tǒng)手段,效果有限,難以滿足工程質(zhì)量和安全要求。智能溫控系統(tǒng)作為近年新興技術(shù),在大體積混凝土施工中的應(yīng)用逐漸受到重視。該技術(shù)利用數(shù)學(xué)模型、計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)實現(xiàn)對混凝土內(nèi)部溫度的實時監(jiān)測和控制,可以精準地預(yù)測混凝土內(nèi)部溫度場分布,及時采取措施控制溫度升高,為混凝土養(yǎng)護提供科學(xué)依據(jù)。

1 混凝土水化反應(yīng)與溫度升高的關(guān)系

混凝土的水化硬化過程是水泥與水混合后發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)過程。在這個反應(yīng)過程中,水泥與水中的鈣離子和硅酸根離子結(jié)合成水化硅酸鹽,其中包括硅酸二鈣、硅酸三鈣和硫鋁酸鈣,這些反應(yīng)產(chǎn)物的生成與混凝土強度的提升密切相關(guān)。溫度對混凝土水化反應(yīng)的影響主要是加速反應(yīng)速度[1]。

當(dāng)混凝土受到高溫影響時,其中的水化反應(yīng)將加速,混凝土早期強度也會增加。但是隨著時間的推移,溫度過高會對混凝土水泥石膠凝結(jié)晶產(chǎn)生不可逆的影響,導(dǎo)致混凝土的強度和耐久性下降。高溫易造成混凝土內(nèi)部蒸汽壓力迅速增加,從而引起混凝土孔結(jié)構(gòu)的膨脹,形成裂縫,進而加速混凝土的龜裂和破壞。另外,高溫還會導(dǎo)致混凝土內(nèi)的凍融損傷、鋼筋銹蝕等問題,因此,在混凝土的使用和施工中,溫度控制十分重要。通過采用智能溫控系統(tǒng)及相應(yīng)技術(shù)手段,可以對大體積混凝土進行實時、精確的溫度監(jiān)測和控制,降低溫度對混凝土品質(zhì)和性能的不良影響,提高混凝土的耐久性和使用壽命。

2 應(yīng)用實例

本研究應(yīng)用于貴州某高速引底河特大橋主墩承臺,引底河特大橋為山區(qū)V型溝谷而設(shè)。橋梁按路線分幅設(shè)計,主橋平面位于直線上,主橋縱斷面位于直線上,橋梁縱坡:左幅為1.00%,右幅為0.70%。引底河特大橋左右幅孔跨布置:(96+180+96) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)加1×30 m簡支T梁。左幅橋起點樁號:ZK14+240.120,終點樁號:ZK14+654.800,橋梁全長414.68 m,中心樁號:ZK14+432.000;右幅橋起點樁號: YK14+240.120,終點樁號:YK14+654.800,橋梁全長 414.68 m,中心樁號:YK14+432.000。主墩均為雙肢薄壁空心墩接箱型空心墩及雙肢薄壁空心墩。每肢薄壁墩釆用箱型截面,橫橋向8.5 m,順橋向3.2 m,兩片墩間凈距為6.6 m。墩身上部端與箱梁0號梁段固接,下部端接箱型空心墩。箱型空心墩釆用單箱3室截面,橫橋向?qū)?.5 m,順橋向?qū)?3 m,箱型空心墩上部與雙肢薄壁墩固結(jié),下部與承臺固結(jié)。2號主墩承臺采用24 m×17.5 m×6.0 m矩形承臺,1號主墩承臺釆用15.5 m×18 m×6.0 m矩形承臺,過渡墩承臺釆用8.8 m×12 m×4 m矩形承臺,承臺底層設(shè)有C25片石混凝土墊層。

本文中的結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制采用預(yù)埋冷卻水管循環(huán)通水降溫,內(nèi)部測溫采用建筑電子測溫儀進行。該測溫儀是根據(jù)我國建筑行業(yè)施工特點和有關(guān)技術(shù)規(guī)范研制的專業(yè)測溫儀器,可直觀、準確、快捷地顯示被測溫度,具有可靠性好、適用范圍廣、寬溫操作環(huán)境、體積小重量輕、操作簡單等優(yōu)點。它由主機和測溫線組成,主機為便攜式儀表,設(shè)有電源開關(guān)、照明開關(guān)、插座和液晶顯示屏,可顯示被測溫度值,測溫線為預(yù)埋式,由插頭、導(dǎo)線和溫度傳感器制成,每支測溫線可測1個點的溫度。測溫時按下主機電源開關(guān),將測溫線插頭插入主機插座中,主機顯示屏即可顯示相應(yīng)測溫點的溫度[2]。

2.1 冷卻水循環(huán)

根據(jù)冷卻水管布置層數(shù)、進水口位置,采用1臺或2臺離心式增壓泵統(tǒng)一供應(yīng)循環(huán)水,每個散熱管的進水口連接在1根供水管上,分別設(shè)閥門,單根水管流速按0.8～1.0 m/s控制。為便于控制溫度,每個承臺應(yīng)預(yù)備足夠的供水水源,抽取河水作為冷卻供水,且將出口水匯于同一水箱內(nèi),降溫后備用,做到循環(huán)利用。

在水冷卻降熱過程中,應(yīng)通過調(diào)節(jié)進水流量及水溫控制進水溫度與混凝土最高溫度之間的溫差,宜為15～25 ℃;出水溫度與進水溫度之差為3～6 ℃;降溫速率每天不宜大于2 ℃,且4 h不宜大于1 ℃。當(dāng)混凝土內(nèi)部最高溫度與表層溫度之差不大于15 ℃時,可暫停水冷卻作業(yè);當(dāng)測溫管實測混凝土內(nèi)部溫度與表層溫度之差大于25 ℃時,應(yīng)重新啟動水冷卻系統(tǒng),并調(diào)整進水水溫,若水溫比混凝土內(nèi)部溫度低得多,則加熱進水。

混凝土澆筑前,應(yīng)在冷卻水管中預(yù)先注滿冷卻水,每層冷卻水管被澆筑的混凝土覆蓋,振搗完畢初凝后,即可啟動該層冷卻水管通水降溫。承臺從澆筑起至澆筑完畢,應(yīng)連續(xù)不間斷注水,至混凝土溫度滿足上述要求,方可停止冷卻水循環(huán);水冷卻降溫結(jié)束后,應(yīng)及時用水泥漿對冷卻水管進行壓漿封堵。

2.2 混凝土溫度監(jiān)測

2.2.1 測區(qū)及測點布置

據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準》(GB 50496—2018)、《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》(GBT 51028—2015)規(guī)定,溫控測試區(qū)和監(jiān)測點布置位置要求如下。

1)測試區(qū)選擇混凝土澆筑體平面圖對稱軸線的半條軸線,測試區(qū)內(nèi)監(jiān)測點按平面分層布置。

2)在檢測區(qū)內(nèi),監(jiān)測點的位置與數(shù)量可根據(jù)混凝土澆筑體內(nèi)溫度場的分布及溫控要求確定。

3)在每條測試軸線上,監(jiān)測點位應(yīng)不少于4處,根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸布置(見圖1)。

單位:mm。

4)按混凝土厚度,每個測位布置3～5個測點,分別位于混凝土表層(距表面50 mm)、中心、底層(距底面50～100 mm)及中上、中下部位(見圖2)。

5)本方案采用冷卻水降溫,測位和測點均布置在相鄰2層冷卻水管中間位置。

6)砼澆筑時安排3名人員輪班進行溫度檢測,1次/h。

圖2 大橋2#墩測溫點立面布置圖

2.2.2 測溫元件選擇

據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準》(GB 50496—2018)規(guī)定,本方案所用測溫元件應(yīng)滿足以下幾點要求。①25 ℃環(huán)境下,測溫誤差不應(yīng)大于0.3 ℃。②溫度測試范圍應(yīng)為-30～120 ℃。③測試元件絕緣電阻應(yīng)大于500 MΩ。④測溫線的長度為測溫點的深度再加上200 mm。

2.2.3 測溫元件安裝及保護

1)測溫元件安裝前,應(yīng)在水下1 m處浸泡24 h不損壞。

2)預(yù)埋元件安裝。將測溫元件綁扎固定在支撐物上(采用?16 mm以上豎向鋼筋,其長度為澆筑體厚度再加上20 cm)。澆筑混凝土前,將綁好測溫線的支撐物植入混凝土中,固定牢固,不同高度位置測溫點的溫度傳感器不得與支撐物、承臺構(gòu)造筋接觸(采用30 mm×30 mm×30 mm的小方木作為隔離)[3]。

3)每個測溫點的測溫元件引出線集中布置,不同高度的引出線做好相應(yīng)高度標(biāo)簽,連接插頭留在混凝土外面并用塑料袋罩好,避免潮濕,保持清潔。

4)混凝土澆筑過程中,應(yīng)對測溫元件進行保護,下料和振搗時不得直接沖擊和觸及測溫元件及引出線。

2.2.4 溫度控制指標(biāo)及測溫頻率

1)溫度監(jiān)控指標(biāo):里表溫差小于28 ℃。

由于現(xiàn)有大型鍛壓機械已無法在設(shè)備和工藝上進行大范圍的改動，因此，在設(shè)備、工藝及周圍環(huán)境已經(jīng)確定的情況下，隔絕噪聲的傳播途徑是降噪的主要措施。

2)降溫速率不宜大于2 ℃/d,且4 h不宜大于1 ℃。

3)揭開保溫層時的混凝土表面與環(huán)境最大溫差應(yīng)小于20 ℃。

4)停止溫度監(jiān)測指標(biāo):滿足上述1)條,且混凝土最高溫度與環(huán)境最低溫度之差連續(xù)3 d小于25 ℃。

5)監(jiān)測周期與頻率。①混凝土澆筑結(jié)束后3 d內(nèi):每隔2 h測1次。②混凝土澆筑結(jié)束后4～15 d:每隔4 h測1次。③混凝土澆筑結(jié)束后16 d:每隔24 h測1次。④當(dāng)里表溫差小于25 ℃時,停止測溫[4]。

2.2.5 溫控監(jiān)測規(guī)定

1)大型混凝土澆筑室內(nèi)監(jiān)測點的設(shè)置,應(yīng)當(dāng)以能夠準確反映澆筑室內(nèi)最熱增加量、芯部溫度與表面溫差、降溫速度和周圍溫度等為依據(jù)。

2)監(jiān)測點位布設(shè)以測試區(qū)為基準,測試區(qū)中的監(jiān)測點位按照一定的代表性,進行分層布設(shè),在基座對稱軸上不少于4個,并根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何特征進行布設(shè)。

3)在混凝土澆筑體壁厚的方向上,外表面應(yīng)有一定的排布。底部及中央溫度測量點、其他測量點的距離不應(yīng)超過600 mm。

4)大容積混凝土澆筑后,至少4次/d,每天至少檢測4次核心與表面的溫差、冷卻率、環(huán)境溫度和應(yīng)變,每個工班至少檢測2次。

5)澆筑在混凝土表面以下500 mm范圍內(nèi)的,建議設(shè)置在混凝土表面以下。

2.2.6 減輕溫度應(yīng)力的措施

通過提高骨料級配、使用干法、摻合料、添加引氣劑和增塑劑等方法來降低混凝土的水泥用量。在溫度超過25 ℃時,澆筑時應(yīng)減小澆筑層的厚度,并充分利用澆筑層的熱量。在混凝土內(nèi)部埋置1根軟管,注入涼水使其冷卻。為防止混凝土表層出現(xiàn)明顯的溫差,設(shè)定合理的拆模時間,在氣溫突然下降時做好表層隔熱處理。

3 混凝土保溫養(yǎng)護措施

大體積混凝土在每次澆筑完成后,除了按照一般混凝土進行常規(guī)養(yǎng)護之外,還應(yīng)該按照溫度控制技術(shù)措施的要求,對大體積混凝土進行保溫養(yǎng)護。

1)保持水分的保鮮期,至少要28 d。保溫罩的拆除要分階段進行,在混凝土表面溫度與外界最大溫差不超過20 ℃的情況下,可以徹底拆除。

2)養(yǎng)護時,要確保膠膜和養(yǎng)護涂料完好,使混凝土表面始終保持濕潤。

3)在大體積混凝土的保溫與養(yǎng)護過程中,對其內(nèi)部與表面的溫度、冷卻速度等參數(shù)進行監(jiān)測,如果監(jiān)測值達不到控溫指標(biāo),則需要及時調(diào)整保溫與養(yǎng)護方法。

4)大型混凝土在拆除模板后,要做好防凍、降溫、強干的養(yǎng)護工作。一般情況下,大體積混凝土的拆除時間可適當(dāng)推遲,而將模板用作保溫和維護措施時,則須按溫度控制的需要來決定拆除時間[5]。

4 混凝土特殊氣候條件保障措施

在遇到炎熱、冬季、大風(fēng)或者雨雪天氣等特殊氣候條件時,大體積混凝土施工必須采用行之有效的技術(shù)措施,確?；炷翝仓宛B(yǎng)護的質(zhì)量,并且還應(yīng)該符合以下規(guī)定。

1)當(dāng)在炎熱季節(jié)澆筑大體積混凝土?xí)r,應(yīng)該將混凝土原材料進行遮蓋,避免日光暴曬,并用冷卻水?dāng)嚢杌炷?或采用冷卻骨料、攪拌時加冰等方法降低入模溫度,必要時采用混凝土中埋入冷卻管措施,在混凝土澆筑之后,應(yīng)及時進行保濕養(yǎng)護。

2)在冬天,用熱水?dāng)嚢韬凸橇霞訜岬确椒▉硖岣呋炷猎系臏囟?使混凝土的入模溫度不能低于5 ℃。在澆筑完混凝土后,要立即做好保溫和濕潤的工作。

3)在強風(fēng)條件下進行混凝土澆筑,施工現(xiàn)場要做好防風(fēng)工作,減小混凝土表層的流速,加大對混凝土表層的刮除力度,并要及時鋪上塑料布等隔熱材料,以保證混凝土表層的水分不會流失,以免出現(xiàn)干燥現(xiàn)象。

4)惡劣的氣候條件下,不能在戶外進行混凝土澆筑,如果確需在室外進行,必須采取相應(yīng)的措施,以保證混凝土質(zhì)量。在澆筑過程中,如果突然遇到了下雨或者大雪天氣,在結(jié)構(gòu)合理的位置上要預(yù)留施工縫,并在最短時間內(nèi)停止?jié)仓炷?并且對尚未硬化的混凝土進行覆蓋,防止雨水對新澆筑混凝土的直接沖刷。

5 結(jié)束語

本文深入剖析了混凝土溫度對強度和耐久性的影響,并詳細闡述了混凝土溫度控制技術(shù),系統(tǒng)介紹了混凝土溫度監(jiān)測的規(guī)范標(biāo)準。同時,還探討了大體積混凝土的保護措施,這些保護措施的實施能幫助降低溫度對混凝土品質(zhì)和性能的不良影響,提高混凝土的耐久性和使用壽命。