大體積承臺(tái)混凝土溫度監(jiān)測(cè)控制技術(shù)及應(yīng)用

劉離榕,梁 峰

(1.中交三公局第四工程分公司,重慶 401147;2.上海先行建設(shè)監(jiān)理有限公司,上海 200070)

大體積承臺(tái)混凝土溫度監(jiān)測(cè)控制技術(shù)及應(yīng)用

劉離榕1,梁 峰2

(1.中交三公局第四工程分公司,重慶 401147;2.上海先行建設(shè)監(jiān)理有限公司,上海 200070)

大體積混凝土的溫度監(jiān)測(cè)與控制對(duì)于避免或減輕其溫差裂縫具有至關(guān)重要的意義。文中以某橋梁承臺(tái)大體積混凝土為例,進(jìn)行了混凝土參數(shù)計(jì)算,并根據(jù)結(jié)果分析提出了通過溫控實(shí)現(xiàn)減輕溫差裂紋的混凝土選材與澆筑工藝,施工措施和檢測(cè)方案,有效防止了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生,保證了工程質(zhì)量,為后續(xù)工程的順利實(shí)施提供了可靠保障。

大體積混凝土;參數(shù)計(jì)算;控制措施;監(jiān)測(cè)方案

大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力[1-3]所致。新澆筑的混凝土在水泥化過程中產(chǎn)生的水化熱累積引起混凝土內(nèi)部溫度急劇上升,而受氣溫影響的混凝土體表層部分溫度較低,斷面上較低的溫差使混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)其大于混凝土當(dāng)時(shí)的抗裂強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫,對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的危害。鑒于此,本文以位于我國(guó)西南山區(qū)的某大橋?yàn)槔?根據(jù)相關(guān)計(jì)算分析,從材料選擇、現(xiàn)場(chǎng)施工等技術(shù)層面提出大體積混凝土溫度控制措施及相應(yīng)的監(jiān)測(cè)方案。該大橋南引橋采用組合跨徑設(shè)計(jì),即4×35 m先簡(jiǎn)支后結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁+2×90 mT構(gòu)箱梁,橋梁全長(zhǎng)326 m。南塔承臺(tái)為矩形,平面尺寸為20.5 m×20.5 m,厚6.0 m;承臺(tái)采用C30混凝土。單個(gè)承臺(tái)混凝土方量為2 521.5 m3,采用一次澆筑成型。

1 混凝土溫控參數(shù)計(jì)算

不同的原材料參數(shù)對(duì)混凝土的水化熱和大體積承臺(tái)內(nèi)外溫差具有不同程度的影響,因此,有必要對(duì)該工程所選材料的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行介紹。各指標(biāo)的計(jì)算依據(jù)文獻(xiàn)[4-5]進(jìn)行。

1.1 絕熱溫升計(jì)算

混凝土絕熱最高升溫:

W=水泥+粉煤灰+礦渣粉=350 kg,添加粉煤灰的水泥灰放熱量Q0=260 kJ/kg。

取混凝土的入模溫度為24℃,中心最高溫度為24+37.1=61.1℃。

絕熱溫升數(shù)值模型取雙曲線函數(shù):

式中:Tmax為絕熱最高溫升,α,β為絕熱溫升變化系數(shù)。

1.2 彈性模量

彈性模量隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線采用四參數(shù)雙指數(shù)形式 ,即

式中:E0為初始彈性模量,E1為最終彈性模量與初始彈性模量之差,α,β為與彈性模量增長(zhǎng)速率有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)。

1.3 徐變度

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),取混凝土徐變度如下(單位:10-6/MPa):

式中:C1=0.23/E2,C2=0.52/E2,E2為最終彈性模量。

1.4 放熱系數(shù)

混凝土表面通過保溫層向周圍介質(zhì)放熱的等效放熱系數(shù)可由下式計(jì)算:

式中:βs為等效放熱系數(shù),β為放熱系數(shù),hi為保溫層厚度,λi為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)。

通過上面混凝土溫控參數(shù)計(jì)算結(jié)果看,混凝土澆筑溫度控制不高于26℃,大體積混凝土的內(nèi)外溫差一般不應(yīng)超過25℃[6-7]?；炷恋奈锢頍釋W(xué)性能試驗(yàn)值見表1。

表1 混凝土物理、熱性能參數(shù)

2 大體積承臺(tái)溫控措施

2.1 通過選材控溫

由于水化熱對(duì)大體積混凝土澆筑質(zhì)量影響最大,會(huì)引起內(nèi)外溫度不同,溫差過大時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力,在其作用下混凝土可能會(huì)產(chǎn)生裂縫,所以首先可以從混凝土原材料的角度來操作。

在滿足施工要求的情況下,優(yōu)先選擇自然連續(xù)級(jí)配的粗、細(xì)骨料,合理骨料配制的混凝土具有較好的和易性、水和水泥用量較少。砂、石含泥量應(yīng)分別小于3%和1%,這樣可以減少用水量,混凝土的收縮和泌水可隨之減少,粗骨料宜采用連續(xù)級(jí)配,細(xì)骨料采用中砂,應(yīng)提高摻合料及骨料的含量,并降低原材料的溫度。

水泥應(yīng)盡量選用水化熱低、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的水泥,優(yōu)先采用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、大壩水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥等拌制混凝土。適當(dāng)降低水灰比(可加粉煤灰)、水泥用量,但必須保證混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)?；炷撩谒缘拇笮∨c用水量有關(guān),用水量多,泌水性大;且與溫度高低有關(guān),水完全析出的時(shí)間隨溫度的提高而縮短。所以,在選用礦渣水泥時(shí)應(yīng)盡量選擇泌水性小的品種,并應(yīng)在混凝土中摻入減水劑以降低用水量。

外加劑適量摻入在混凝土中,可達(dá)到減小新拌混凝土的泌水率,延緩混凝土的凝結(jié)和降低溫升的目的,在混凝土內(nèi)摻加緩凝高效減水劑則可保證其有足夠的緩凝時(shí)間,并在不增加拌合用水量的條件下增大了混凝土的坍落度,實(shí)現(xiàn)混凝土在澆筑過程中延緩內(nèi)部溫度峰值的出現(xiàn);增加了混凝土流動(dòng)性,從而獲得良好的可泵性。

在混凝土澆筑的過程中,可以根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)條件,制定切實(shí)可行混凝土澆筑方案:按全面分層[8-10]。同時(shí),應(yīng)降低混凝土入模溫度,降低拌合水的溫度(比如拌合水中加冰塊),骨料用水沖洗降溫,避免曝曬等。

2.2 通過養(yǎng)護(hù)控溫

保溫養(yǎng)護(hù)更是大體積混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)承臺(tái)拆模時(shí),要對(duì)拆模表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。一般采用澆溫水或進(jìn)行蒸汽養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)主要是保持適宜的溫度和濕度,降低混凝土塊體的自約束應(yīng)力,以便控制混凝上內(nèi)表溫差,降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度,防止混凝土裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

2.3 通過布設(shè)冷卻管控溫

除了從選材角度降低混凝土的水化熱和大體積承臺(tái)的內(nèi)外水化熱外,還可以可預(yù)埋冷水管,通過循環(huán)將混凝土內(nèi)部熱量帶走,進(jìn)行人工導(dǎo)熱。南塔承臺(tái)共設(shè)5層冷卻水管,冷卻水管為Φ 40×2 mm的薄壁鋼管,其水平間距為1 m,豎向間距1.1 m～1.2 m,冷卻水管距混凝土側(cè)面應(yīng)大于1.0 m,每根冷卻水管長(zhǎng)度不超過200 m。水管的出水口和進(jìn)水口采取集中布置、統(tǒng)一管理,并標(biāo)識(shí)清楚。水管由離心泵供水。承臺(tái)冷卻水管布置圖見圖1～圖3。

圖1 承臺(tái)冷卻水管與測(cè)溫點(diǎn)豎向布置圖(單位:cm)

圖2 承臺(tái)第一、三、五層冷卻水管水平布置圖(單位:cm)

圖3 承臺(tái)第二、四層冷卻水管水平布置圖(單位:cm)

根據(jù)每次所測(cè)的內(nèi)外溫差進(jìn)行比較,內(nèi)部溫度達(dá)到30℃時(shí)即開始試通水。當(dāng)所測(cè)內(nèi)部溫度過高且內(nèi)外溫差較大時(shí),將冷卻水管內(nèi)水流加大,同時(shí)承臺(tái)外表面加強(qiáng)保溫;當(dāng)內(nèi)部溫度低于外部溫度且溫差較大時(shí),內(nèi)部冷卻水管停止通水,對(duì)外表面采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?。根?jù)所測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)采取相對(duì)應(yīng)的措施,盡量減小混凝土內(nèi)外溫差,保證混凝土使用安全。

承臺(tái)內(nèi)部溫度一般通過冷卻水管內(nèi)水流大小來控制,而承臺(tái)表面溫度則一般通過在上表面澆筑熱水或覆蓋稻草及在側(cè)面鋪塑料紙等措施來進(jìn)行保溫,也可通過在其表面澆江水使其降溫。

冷卻管的彎頭采用彎管機(jī)加工,冷卻管的接頭采用橡膠套管并用鐵絲綁扎牢固不漏水,每端冷卻管伸入橡膠管15 cm。冷卻管進(jìn)出口伸出承臺(tái)80 cm,后用橡膠套管連接伸出鋼吊箱。進(jìn)水主管采用Φ 125 mm鋼管,位于鋼吊箱箱壁頂面進(jìn)水管附近,進(jìn)水管與進(jìn)水主管連接。冷卻管進(jìn)出口集中布置,故需在進(jìn)出口橡膠管上做出冷卻管號(hào)標(biāo)記。

冷卻管進(jìn)口采用每管一閥,每閥單獨(dú)控制流量。上、下游承臺(tái)各布置一臺(tái)CJDA80-17.5型二級(jí)離心泵(另備用一臺(tái))。冷卻水管安裝時(shí),將其按設(shè)計(jì)位置固定在支架上,并做到管道通暢,接頭可靠,不漏水、阻水。冷卻水管安裝完成后,進(jìn)行通水檢查?；炷翝沧⒌缴w住一層冷卻水管后,即可開始通水降溫,并且在進(jìn)出水口溫差較大時(shí),采取倒換進(jìn)出水口,使混凝土均勻降溫。

混凝土澆筑到各層冷卻水管標(biāo)高后,待混凝土終凝便開始通水,各層混凝土峰值過后應(yīng)停止通水,通水流量應(yīng)達(dá)到30 L/min,為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升,可采取二次通水冷卻,通水時(shí)間根據(jù)測(cè)溫結(jié)果確定。

應(yīng)嚴(yán)格控制進(jìn)出水溫度,在保證冷卻水管進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差不超過28℃條件下,盡量使進(jìn)水溫度最低;如果溫差超過這個(gè)標(biāo)準(zhǔn),可設(shè)置水箱,進(jìn)行循環(huán)水冷卻。

3 溫控測(cè)點(diǎn)布設(shè)與測(cè)試方法

在南塔承臺(tái)混凝土中布設(shè)5層溫度測(cè)點(diǎn),位于兩層冷卻水管中間,冷卻水管上也適當(dāng)布置測(cè)溫傳感器。承臺(tái)測(cè)溫點(diǎn)豎向布置示意見圖1,水平布置見圖4。溫度傳感器為高阻值高靈敏度溫度傳感器,直接埋入混凝土中。溫度檢測(cè)儀采用自行研制的KJ8312A型數(shù)字溫度測(cè)試儀(圖5),溫度傳感器的主要技術(shù)性能:①測(cè)溫范圍:-20℃～100℃;②工作誤差:±0.5℃。

圖4 承臺(tái)測(cè)溫點(diǎn)水平布置(單位:cm)

圖5 數(shù)字溫度測(cè)試儀及溫度傳感器

現(xiàn)場(chǎng)各項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目均在混凝土澆筑后立即進(jìn)行,連續(xù)不斷。混凝土的溫度監(jiān)測(cè),峰值以前每2 h監(jiān)測(cè)一次,峰值出現(xiàn)后每4 h監(jiān)測(cè)一次,持續(xù)5 d,然后轉(zhuǎn)入每天測(cè)2次,直到溫度變化基本穩(wěn)定,每次觀測(cè)完成后及時(shí)填寫記錄表?；炷恋谋O(jiān)測(cè),當(dāng)溫度達(dá)到30℃時(shí),對(duì)冷卻水管進(jìn)行試通水,當(dāng)溫度達(dá)到35℃時(shí)必須通水。混凝土澆筑結(jié)束后,其溫度達(dá)到峰值后穩(wěn)定下降,當(dāng)溫度達(dá)到40℃以下冷卻水管停止通水,讓混凝土緩慢冷卻,當(dāng)每層混凝土溫度均達(dá)到35℃時(shí)即可停止溫度監(jiān)測(cè)。

4 承臺(tái)溫度監(jiān)控結(jié)果分析

承臺(tái)溫度實(shí)測(cè)結(jié)果見圖6～圖9。需要說明的是,圖中的“外”代表的數(shù)據(jù)是圖4中位于承臺(tái)各側(cè)邊的4個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的幾何平均值;圖中的“內(nèi)”代表的數(shù)據(jù)是圖4中除了位于承臺(tái)各側(cè)邊的4個(gè)測(cè)點(diǎn)以外各測(cè)點(diǎn)溫度的幾何平均值。

圖6 上游第一層溫度時(shí)變曲線

圖7 上游第二層溫度時(shí)變曲線

圖8 上游第三層溫度時(shí)變曲線

圖9 上游第四層溫度時(shí)變曲線

從圖6～圖9各層溫度變化及內(nèi)外溫差變化曲線分析得知,各層溫度變化曲線基本類似,數(shù)據(jù)變化具有系統(tǒng)性。每層各測(cè)點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)基本變化一致,混凝土溫度達(dá)到高峰值后,呈降低趨勢(shì),最后趨于穩(wěn)定。具體而言,監(jiān)控結(jié)果顯示,承臺(tái)最大內(nèi)外溫差為 23.7℃,滿足規(guī)范要求的最大值控制限值25℃;承臺(tái)混凝土內(nèi)部最高溫度為62.2℃,接近第一節(jié)溫控計(jì)算所得混凝土中心最高溫度61.1℃;且最高溫度出現(xiàn)在澆筑后約60 h～96 h之間,也就是澆筑開始后約2 d～4 d時(shí)間后達(dá)到峰值,之后緩慢下降,趨于平緩。經(jīng)對(duì)承臺(tái)混凝土進(jìn)行外觀檢查,未發(fā)現(xiàn)有溫差裂縫產(chǎn)生,說明溫控措施達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié) 語

(1)對(duì)大體積混凝土的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,依據(jù)降低水化熱和溫差原則,擬定了工程所采用的混凝土材料類型及澆筑參數(shù)。

(2)通過對(duì)采用一次澆筑的南塔承臺(tái)混凝土布設(shè)五層冷卻水管作為降溫措施,監(jiān)測(cè)結(jié)果表明,全部指標(biāo)均未超過施工期內(nèi)保證承臺(tái)不出現(xiàn)有害溫度裂縫而制定的溫控標(biāo)準(zhǔn),溫控效果良好,且在混凝土澆筑7 d后拆模,經(jīng)外觀檢查承臺(tái)表面未發(fā)現(xiàn)有害溫度裂縫,說明大體積混凝土的溫控措施是行之有效的,對(duì)類似工程的大體積混凝土施工亦具有一定的參考價(jià)值。

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Application of Temperature Monitoring and Control Technologies for Massive Concrete Slab

LIU Li-rong1,LIANG Feng2
(1.CCCC-THB Fourth Engineering Co.,Ltd.,Chongqing401147,China;2.Shanghai Xianxing Construction Supervision Co.,Ltd.,Shanghai200070,China)

The temperature monitoring and control of massive concrete are of vital importance to avoid or reduce the cracks caused by differential temperature in the concrete.Taking the massive concrete of a bridge bearing for example,the parameter calculations of the concrete are made here,and based on the analysis results,the material selection and pouring process,the construction practices and the monitoring program for the concrete to control the temperature and reduce the temperature cracks are proposed,thus to effectively prevent the generation of cracks in concrete structures,ensure the quality of the project,and provide a reliable guarantee for the smooth implementation of follow-up projects.

mass concrete;parameter calculation;control measure;monitoring program

U445

A

1672—1144(2012)01—0083—05

2011-10-08

2011-11-21

劉離榕(1973—),女(漢族),河南修武人,工程師,主要從事公路工程施工管理。