大體積混凝土溫控措施探討

摘要：本文通過(guò)對(duì)佛山市汾江路南延線工程（瀾石路至裕和路段）中沉管隧道主體大體積混凝土施工溫控實(shí)例的分析，介紹高溫天氣下大體積混凝土溫度控制的主要措施及混凝土澆筑溫度的計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土；溫度控制；沉管隧道；入模溫度

1、前言

自1894年美國(guó)在波斯頓修建世界上第一座沉管隧道以來(lái)，到現(xiàn)在世界上已經(jīng)修建了一百多座沉管隧道[1]。沉管法作為一種先進(jìn)的隧道施工方法發(fā)展至今，已有了其成熟的施工工藝。其主要施工工序有：管節(jié)主體預(yù)制、基槽開(kāi)挖、管節(jié)沉放安裝、基礎(chǔ)處理、最終接頭處理、管內(nèi)鋪裝等。管節(jié)主體預(yù)制作為施工過(guò)程中極其重要的一環(huán)，其實(shí)施的好壞直接關(guān)系到整個(gè)工程的質(zhì)量。

沉管隧道作為水下大體積鋼筋混凝土建筑物，其預(yù)制階段的裂縫控制直接關(guān)系到整條隧道的防水性及耐久性?；炷翝仓陂g，混凝土內(nèi)部溫度由于水化熱聚集且難以散發(fā)，將明顯升高；而混凝土表面溫度則由于散熱條件良好，將較快下降。溫差產(chǎn)生的混凝土表面拉應(yīng)力將逐漸增大，當(dāng)該應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面將產(chǎn)生溫度裂縫。因此，作為減少溫度裂縫的重要手段，合理的混凝土溫度控制措施是沉管管節(jié)主體預(yù)制質(zhì)量保證的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

2、溫度控制措施介紹

2.1、概述

2.1.1、溫控措施概述

大體積混凝土溫控措施主要包括三大部分，即實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化配置、混凝土入模溫度控制、混凝土澆筑后溫度控制。

實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化配置包括：原材比選、膠凝材料體系優(yōu)化、配合比優(yōu)化等。

混凝土入模溫度控制包括：膠凝材料溫控、骨料溫控、拌合用水溫控、拌制及運(yùn)輸設(shè)備溫控、控制混凝土運(yùn)輸時(shí)間、合理選擇澆筑時(shí)間等。

混凝土澆筑后溫度控制包括：埋設(shè)混凝土內(nèi)部冷卻水管、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)、布設(shè)測(cè)溫點(diǎn)記錄溫度變化狀況等。

2.1.2、設(shè)計(jì)要求

本工程沉管段主體混凝土設(shè)計(jì)為C40P10防水混凝土，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用壽命100年，混凝土出槽及澆筑入模溫度≤30℃，混凝土里表溫差（除側(cè)墻外）≤20℃，混凝土里表溫差（側(cè)墻）≤15℃，混凝土內(nèi)部最高溫度≤70℃，混凝土表面與環(huán)境溫差≤20℃，混凝土表面與養(yǎng)護(hù)水溫差≤15℃，降溫速率≤2℃/d。

2.2、實(shí)驗(yàn)室優(yōu)化配置

2.2.1、原材料的比選

本工程通過(guò)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)附近混凝土拌合站的生產(chǎn)能力、技術(shù)實(shí)力、至工地的運(yùn)輸時(shí)間等方面進(jìn)行調(diào)研，在拌和站對(duì)各種混凝土原材進(jìn)行取樣檢測(cè)及比選，形成最優(yōu)原材料配置方案。

2.2.2、膠凝材料體系優(yōu)化設(shè)計(jì)

膠凝材料主要包括水泥及粉煤灰、礦渣粉等摻合料，選擇水化熱低、放熱慢的膠凝材料體系是混凝土溫度實(shí)驗(yàn)室控制的重要部分。在混凝土中摻加粉煤灰及礦渣粉代替部分水泥或細(xì)骨料，不僅能降低成本及水化熱，而且能提高混凝土的各項(xiàng)性能，減少混凝土的收縮和開(kāi)裂等[3]。

本工程利用膠凝材料體系水化熱測(cè)定裝置，通過(guò)對(duì)純水泥體系、單摻粉煤灰體系、雙摻粉煤灰及礦渣粉體系進(jìn)行放熱性能測(cè)定研究，在滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度、抗?jié)B性能、耐久性等要求的前提下，選擇最有利于混凝土溫度控制的組合。

2.2.3、配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

本工程通過(guò)對(duì)侖頭-生物島隧道、洲頭咀隧道、港珠澳大橋沉管隧道等已完成或在建的隧道工程混凝土配合比進(jìn)行調(diào)研，分別按不同水膠比、按不同比例單摻粉煤灰或雙摻粉煤灰及礦渣粉、按不同重量使用水泥及骨料等等進(jìn)行初步配置，對(duì)按照不同配比產(chǎn)出的混凝土進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試，最后在一系列組合中選擇符合設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)配合比。

2.3、混凝土入模溫度控制

2.3.1、膠凝材料溫度控制

按照施工需求提前2～3天安排水泥、粉煤灰、礦渣粉等膠凝材料進(jìn)場(chǎng)，盡可能降低膠凝材料在生產(chǎn)過(guò)程中殘留的熱量。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)新進(jìn)場(chǎng)水泥溫度約70～80℃，放置2～3天可降低至約55℃。

2.3.2、骨料溫度控制

按照配合比計(jì)算可知，骨料所占混凝土重量比例為（（727+1046）/2361.4=）75%，因此降低骨料溫度可以更為明顯的降低混凝土出倉(cāng)溫度。按照以往施工經(jīng)驗(yàn)，可采取以下措施降低骨料溫度：

（1）加裝遮陽(yáng)棚對(duì)骨料進(jìn)行遮擋，避免陽(yáng)光直射；

（2）抽取深井水或冷卻水對(duì)粗骨料進(jìn)行噴淋，同時(shí)應(yīng)注意測(cè)定使用時(shí)粗骨料的含水率，并對(duì)理論配合比用水量進(jìn)行修正。

（3）選擇氣溫較低的時(shí)候使用骨料。

（4）采取風(fēng)冷措施，在骨料倉(cāng)內(nèi)利用0℃以下的冷風(fēng)對(duì)骨料進(jìn)行降溫，該方法普遍應(yīng)用于低溫混凝土的生產(chǎn)。

（5）采用液氮降溫，利用液氮的超低沸點(diǎn)，在使骨料快速降溫的同時(shí)，又不影響混凝土性能。該方法同樣可利用于拌合用水的降溫及混凝土成品的降溫。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)骨料在露天陽(yáng)光直射的情況下，溫度可達(dá)42℃，考慮到混凝土產(chǎn)量及成本，本工程僅采取了方法（1）～（3）對(duì)骨料進(jìn)行降溫。采取方法（1）之后，骨料溫度可降低至34℃；采取方法（3）之后，骨料溫度可減低至28℃；采取方法（2）之后，粗骨料溫度可降低至25℃。

2.3.3、拌合用水溫度控制

混凝土施工中通常采用抽取深井水、拌合用水加碎冰、工業(yè)冷水機(jī)降溫等形式控制拌合用水溫度。

本工程采取加碎冰的形式控制拌合用水溫度，實(shí)測(cè)加冰前水溫約22℃，加冰后水溫約10℃。

2.3.4、其他控制措施

（1）抽取深井水，對(duì)攪拌機(jī)、原材倉(cāng)、料斗、運(yùn)輸攪拌車進(jìn)行噴淋降溫。

（2）控制混凝土運(yùn)輸時(shí)間：混凝土運(yùn)輸應(yīng)充分考慮惡劣天氣、節(jié)假日及上下班時(shí)段等車流高峰期，避開(kāi)繁忙路段，同時(shí)應(yīng)事先安排好備選運(yùn)輸路線，保證在出現(xiàn)塞車、道路橋梁維修等意外情況時(shí)，仍能夠及時(shí)將混凝土運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。

（3）施工現(xiàn)場(chǎng)夏季14：00氣溫較20：00至次日8：00氣溫可高出5～7℃，選擇夜間施工可以有效的降低混凝土入模溫度。

2.3.5、理論溫度計(jì)算及實(shí)際對(duì)比

采取降溫措施前，砂含水率取4%，碎石含水率取0%；采取降溫措施后，砂含水率取4%，碎石含水率取1%。

混凝土理論拌合溫度T0=總熱量/總熱當(dāng)量=107743/2690=40℃，不符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，必須采取溫度控制措施。

（1）混凝土理論拌合溫度計(jì)算

理論拌合溫度T0=總熱量/總熱當(dāng)量=72607/2690=26.99℃。

（3）混凝土理論澆筑溫度計(jì)算

理論入模溫度T3=T1-（a1t1+0.032n+a2t2）×（T1-T4）=28.65℃≤30℃

其中：T1為混凝土理論拌合溫度，取26.99℃

T4為環(huán)境溫度，取32℃

a1為運(yùn)輸溫度損失系數(shù)，按混凝土攪拌車運(yùn)輸，取0.252/小時(shí)

t1為混凝土運(yùn)輸時(shí)間，按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，取1小時(shí)

n為混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，按出倉(cāng)各入模1次，取2次

a2為澆筑溫度損失系數(shù)，取0.003℃/分鐘

t2為混凝土澆筑時(shí)間，取5分鐘

（4）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)混凝土入模溫度基本保持在28～30℃范圍內(nèi)，與理論計(jì)算值基本一致。

2.3、混凝土澆筑后溫度控制

2.3.1、埋設(shè)混凝土內(nèi)部冷卻水管

考慮到本工程側(cè)墻混凝土里表溫差要求較高（≤15℃），因此在側(cè)墻厚度中心位置以0.4～0.8m排距埋設(shè)6排φ30循環(huán)冷卻水管，流量約50～60m3/h，以帶走內(nèi)部混凝土水化熱的形式減低混凝土中心溫度。

2.3.2、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

保濕保溫養(yǎng)護(hù)可以讓混凝土具備更好的硬化條件，提高混凝土濕度可以減少干縮裂縫的產(chǎn)生，加快混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)；降低混凝土表面溫度散失速率可以降低混凝土里表溫差，在提高混凝土強(qiáng)度的同時(shí)減少溫度應(yīng)力，從而減少溫度裂縫的產(chǎn)生。

2.3.3、布設(shè)測(cè)溫點(diǎn)記錄溫度變化狀況

在結(jié)構(gòu)側(cè)墻、底板、頂板、轉(zhuǎn)角位、最厚混凝土、對(duì)稱軸等具有代表性的位置，參照實(shí)際情況各設(shè)置一組測(cè)溫點(diǎn)，分別位于該位置的混凝土中心及表面；設(shè)置一處環(huán)境測(cè)溫點(diǎn)；設(shè)置一處養(yǎng)護(hù)水測(cè)溫點(diǎn)；冷卻水管進(jìn)出口各設(shè)置一處測(cè)溫點(diǎn)；用于監(jiān)測(cè)混凝土中心溫度、表面溫度、降溫速率、里表溫差、表面與環(huán)境溫差、表面與養(yǎng)護(hù)水溫差、冷卻水降溫效率等等。

3、結(jié)語(yǔ)

沉管隧道主體結(jié)構(gòu)預(yù)制過(guò)程中，可根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，計(jì)算多種組合情況下混凝土理論入模溫度，確定經(jīng)濟(jì)、合理、行之有效的溫度控制方案，在確保施工質(zhì)量的前提下，保證施工的順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]沉管隧道的發(fā)展綜述及瓊州海峽沉管隧道方案[Z].

[2]胡勇前，鄧春林等.佛山市汾江路南延線工程沉管混凝土配合比設(shè)計(jì)及大體積混凝土防滲抗裂和耐久性技術(shù)研究[Z].

[3]用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T1596-2005）[S].