高溫地區(qū)大體積混凝土溫控及防裂措施研究

郭振亮，李鳳林

（中交天航港灣工程建設(shè)有限公司，天津 300450）

高溫地區(qū)大體積混凝土溫控及防裂措施研究

郭振亮，李鳳林

（中交天航港灣工程建設(shè)有限公司，天津 300450）

選取5塊2.5m×2.5m×1.3m的大體積混凝土試塊分別模擬5種高溫地區(qū)施工工況，并采用光纖光柵傳感器對其溫度進行長期監(jiān)測，獲取了不同施工工況下混凝土內(nèi)部的溫度分布規(guī)律。試驗表明：拌和水加冰、夜間施工、分層施工和調(diào)整混凝土配合比影響混凝土溫度程度不同，并根據(jù)試驗結(jié)果提出防裂措施。

大體積混凝土；溫度裂縫；光纖光柵傳感器；防裂措施

大體積混凝土是指結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸不小于1 m的大體量混凝土，其特點是體積厚大，能滿足現(xiàn)代建筑大體積、大跨度發(fā)展的需要，但也由此帶來了一些問題，譬如大體積混凝土表面溫度裂縫[1]等。大體積混凝土澆筑完成后水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，由于混凝土材料是熱的不良導(dǎo)體，熱量在混凝土內(nèi)部聚集，而表面因為與外界環(huán)境接觸熱量消散相對較快，這就導(dǎo)致了大體積混凝土內(nèi)外產(chǎn)生溫差。此溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)脹外縮引起表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過抗拉強度時混凝土表面發(fā)生開裂。在南方高溫地區(qū)由于平均氣溫較高，混凝土水化熱釋放速度快，大體積混凝土溫度裂縫問題更為突出。溫度裂縫的出現(xiàn)會降低混凝土的耐久性，如抗凍融、抗疲勞及抗?jié)B透能力等，尤其對于長期服役于海洋環(huán)境的的港工結(jié)構(gòu)，氯離子會沿著裂縫快速侵蝕到混凝土內(nèi)部，從而導(dǎo)致保護層剝落、露筋、鋼筋銹脹等現(xiàn)象出現(xiàn)，嚴(yán)重影響構(gòu)件的承載力，給碼頭安全運營帶來嚴(yán)重隱患。本文選取了5塊大體積混凝土試塊模擬5種施工工況，并采用光纖Bragg光柵（FBG）傳感器對混凝土試塊內(nèi)部溫度進行長期監(jiān)測，獲取不同施工工況下混凝土內(nèi)部的溫度分布規(guī)律，以檢驗不同施工方法對溫度的控制效果，并由此提出高溫地區(qū)大體積混凝土的防裂措施。

1 工程概況

某國際郵輪港二期工程位于海南省三亞市，本地區(qū)的年平均氣溫為25.7℃，月平均氣溫最高的月份為6月份，月平均氣溫28.7℃。該碼頭主要結(jié)構(gòu)形式為沉箱重力式，上部結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆L型胸墻，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，水泥品牌為海島昌江，混凝土設(shè)計強度為C35。在高溫高濕條件下，采取何種技術(shù)措施能確保大體積混凝土的施工質(zhì)量、減少溫度裂縫的產(chǎn)生顯得尤為重要，目前工程中一般從原材料、施工工藝和散熱降溫等方面采取相應(yīng)的技術(shù)措施來保證大體積混凝土的實際溫差在允許溫差范圍內(nèi)，從而有效控制溫度應(yīng)力的變化及溫度裂縫的產(chǎn)生。但這些措施是否適用于三亞這種高溫高濕地區(qū)的大體積混凝土施工，目前尚不清楚。

2 大體積混凝土試驗監(jiān)測

2.1 試驗方案設(shè)計

內(nèi)外溫差是造成大體積混凝土表面開裂的主要原因之一[2]。大體積混凝土澆筑后，由于體積大熱量不易消散，內(nèi)部溫度遠比表面高，易形成較高的內(nèi)外溫差而導(dǎo)致混凝土表面開裂，影響混凝土澆筑的質(zhì)量乃至整個結(jié)構(gòu)的安全。因此需對高溫條件下進行現(xiàn)澆胸墻結(jié)構(gòu)施工的施工方法及溫度控制策略進行系統(tǒng)研究，防止混凝土開裂的發(fā)生。要控制大體積混凝土溫差，主要考慮三個特征溫度：混凝土澆筑溫度Tp（此為混凝土的起始溫度）；混凝土最高溫Tm(Tm= Tp+ Tr,Tr為水化熱溫升)；最終穩(wěn)定溫度Tf。最終穩(wěn)定溫度Tf取決于當(dāng)?shù)貧夂驐l件和結(jié)構(gòu)型式，因此一般很難用人工方法進行控制，故只能采用降低澆筑溫度Tp和水化熱溫升Tr這兩條途徑來控制大體積混凝土的內(nèi)外溫差[3]。澆筑溫度Tp取決于拌合料的溫度，可采用在混凝土攪拌過程中降低拌和料溫度或在周圍環(huán)境溫度較低的時間進行澆筑的方法，如拌合水加冰、夜間施工等。水化熱溫升Tr取決于混凝土的單位水泥用量、水泥水化熱、水泥放熱速率等，其關(guān)系為：

式中：C0為單位水泥用量，kg/m3；H0為水泥的水化熱，J/kg；ρc為混凝土表觀密度，kg/m3；Cc為混凝土的比熱，kg/m3.℃； a為試驗常數(shù)，與水泥的放熱速率有關(guān)。

因此在配制大體積混凝土?xí)r，可選用水化熱低、放熱速率慢的水泥，并盡可能減少混凝土中的水泥用量。以此來減少水泥的水化放熱總量，延緩水泥水化放熱速率從而保證混凝土內(nèi)部的溫度有足夠的時間散發(fā)，降低內(nèi)外溫差[4]。如調(diào)整配合比、分層施工等。采用光纖光柵傳感技術(shù)從混凝土澆筑到固結(jié)整個試驗過程進行長期的跟蹤監(jiān)測，獲取不同施工工況下的混凝土內(nèi)部溫度分布規(guī)律，通過試驗數(shù)據(jù)結(jié)果評價各個施工工況的優(yōu)劣。為此選取了5塊2.5 m×2.5 m×1.3 m的大體積混凝土方塊為監(jiān)測對象，分別模擬常規(guī)施工工況（試塊B1）、拌合水加冰施工工況（試塊B2）、夜間施工工況（試塊B3）、分層施工工況（試塊B4）和調(diào)整混凝土配合比施工工況（試塊B5）。其中試塊B1～B4混凝土配合比一致（水膠比0.40），具體詳見表1；試塊B5降低混凝土配合比（水膠比為 0.38），具體詳見表2。

表1 B1～B4混凝土配合比設(shè)計Tab.1 Concrete mix proportion of B1-B4

表2 B5混凝土配合比設(shè)計Tab.2 Concrete mix proportion of B5

2.2 光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)

海港碼頭構(gòu)件所處的海洋環(huán)境具有涉水性和強腐蝕性的特點。傳統(tǒng)的電類傳感器在強腐蝕性的海水環(huán)境中不易成活，其適用性受到限制。基于光纖（Bragg）光柵（FBG）傳感器因其具有體積小、精度高、抗電磁干擾強、防水性強、耐腐蝕強、耐久性好等優(yōu)點，正逐漸取代傳統(tǒng)的電類傳感器，廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、水壩、海洋平臺及碼頭等土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測中。

光纖（Bragg）光柵（FBG）是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈永久性、周期性變化的一種光柵[5]。由于光纖纖芯折射率周期變化造成光纖波導(dǎo)條件的變化，從而使一定波長的光波發(fā)生相應(yīng)的模式藕合，使得其透射光譜和反射光譜在該波長處出現(xiàn)奇異性，在纖芯內(nèi)形成一個窄帶的透射或反射的濾波器。當(dāng)具有一定帶寬的入射光沿光纖光柵傳播時，峰值波長滿足λB= neffΛ（neff為光纖纖芯有效折射率，Λ為光纖光柵長度周期）條件的光被反射，其余波長的光透過光纖光柵[6-7]。光纖光柵傳感器工作原理見圖1。當(dāng)光纖光柵的周圍環(huán)境如應(yīng)變、溫度等條件發(fā)生變化時，會引起光纖纖芯有效折射率neff和光纖光柵長度周期Λ發(fā)生改變，從而引起中心波長值λB發(fā)生偏移。通過對由環(huán)境改變引起的λB偏移量的測量得到被測參數(shù)。假設(shè)溫度與應(yīng)變導(dǎo)致的中心波長是相互獨立的，溫度與應(yīng)變共同產(chǎn)生的中心波長偏移ΔλB為

式中：Δε為應(yīng)變的變化；ΔT為溫度的變化；ρα為光纖的光彈系數(shù)；ξ為光纖的熱光系數(shù)。當(dāng)Δε = 0時，通過分析可得出ΔλB= λB(1+ξ)ΔT，通過測得中心波長偏移量ΔλB即可得出大體積混凝土溫度的變化。

本文采用光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)主要由以下部分組成：光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵解調(diào)儀、光纜、3G發(fā)射模塊、采集分析軟件、工控機及相關(guān)配件組成。該系統(tǒng)可實現(xiàn)24 h全天候在線監(jiān)測，數(shù)據(jù)采樣頻率1.0 Hz、數(shù)據(jù)無線傳輸，可從云端自動獲取數(shù)據(jù)，可通過電腦、手機、ipad等終端設(shè)備實時查看混凝土內(nèi)部的溫度狀態(tài)，并可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理分析。

由于光纖光柵傳感器必須在混凝土澆筑前埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，裸光纖光柵直徑小且脆弱，很容易折斷，在施工擾動條件下很難成活。為保證傳感器成活率，試驗用光纖光柵傳感器采用金屬套筒進行封裝，并按規(guī)范規(guī)定進行浸泡試驗后沿混凝土澆筑體厚度方向綁扎固定在鋼筋上。為真實的反映大體積混凝土內(nèi)部最高溫升、內(nèi)外溫差、降溫速率及環(huán)境溫度，在混凝土澆筑前在每個大體積混凝土試件距頂面50 mm、距底面50 mm及塊體中間位置設(shè)置了3個溫度測點，并在混凝土澆筑現(xiàn)場附近設(shè)置環(huán)境溫度監(jiān)測點測量環(huán)境溫度。溫度測點布置示意圖和溫度傳感器安裝圖分別見圖2和圖3所示。

圖1 光纖光柵傳感器工作原理示意圖Fig.1 Working principle of fiber grating sensor

圖2 溫度測點布置示意圖Fig.2 Layout of temperature measuring points

圖3 溫度傳感器安裝圖Fig.3 Installation drawing of fiber grating sensor

3 試驗結(jié)果分析

光纖光柵溫度傳感器安裝完成后進行混凝土澆筑，溫度采集從混凝土澆筑到養(yǎng)護整個過程，采集頻率為1 Hz，足以實現(xiàn)監(jiān)測整個過程中的各種細微變化。監(jiān)測過程中環(huán)境溫度為26.2℃～40.6℃。各試塊具體澆筑時間為：試塊B1于2016年6月18日16：50澆筑；試塊B2于 2016年6月21日11：10澆筑；試塊B3于 2016年6月20日21：30澆筑；試塊B4分兩層澆筑，第1層2016年6月18日17：30澆筑，厚度為0.65m，第2層待第1層澆筑完畢53分鐘后開始澆筑；試塊B5于2016年6月18日17：30澆筑。大體積混凝土試塊澆筑完成后，用礦棉氈整體覆蓋并澆水養(yǎng)護。由于混凝土養(yǎng)護后期溫度與氣溫接近且變化較小，因此只對前16 d的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計出各混凝土試塊入模溫度、核心區(qū)最高溫度及達到最高溫所需時間、最大降溫速率、最大溫升、最大內(nèi)外溫差和表面與環(huán)境溫度差，詳見表3。根據(jù)溫度測試結(jié)果繪制各試塊測點的溫度變化曲線見圖4～圖8。

表3 大體積混凝土試塊溫度統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of mass concrete temperature

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB50496-2012）的規(guī)定：最大溫升是指混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的最大溫升值，最大不宜超過50℃；內(nèi)外溫差是指混凝土澆筑塊體不含混凝土收縮當(dāng)量溫度的混凝土核心區(qū)與表面的溫差，最大不宜超過25℃。降溫速率是指混凝土澆筑體達到溫升峰值后，單位時間內(nèi)溫度下降的值，不宜大于2.0℃/d。混凝土澆筑體的表面溫度與環(huán)境溫差不宜大于20℃。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)和溫度變化圖可知，常規(guī)施工工況（B1）的入模溫度最高為39.1℃，拌和水加冰工況（B2）的入模溫度最低為33.7℃。由于入模溫度較高，常規(guī)施工水化反應(yīng)速度快，易在核心區(qū)形成高溫。因此常規(guī)施工工況的核心區(qū)最高溫度（83.8℃）、最高溫升（44.7℃）和最大內(nèi)外溫差（30.1℃）是所有施工工況中最高的。其中常規(guī)施工工況最大內(nèi)外溫差超出了規(guī)范規(guī)定的最大溫差限值25℃，故很多混凝土表面可能會出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，必須采取措施進行處理。而拌和水加冰工況入模溫度最低，水化熱反應(yīng)速度慢，因此核心區(qū)最高溫度（68.5℃）、最大溫升（34.8℃）和最大內(nèi)外溫差（19.7℃）都是所有施工工況中最高的，且從混凝土澆筑到核心區(qū)達到最大溫度的時間也最長。

夜間施工時周圍環(huán)境溫度相對較低，能降低混凝土的水化反應(yīng)速度。試塊B3～B5都為夜間施工，三種施工工況的入模溫度相差無幾，但試塊B3混凝土澆筑時間最晚，周圍環(huán)境的溫度最低，因此核心區(qū)混凝土最高溫度為73.4℃，最大溫升為35.8℃，是這三種工況中最低的，達到最高溫度的時間也是三者中最長的。試塊B4采用分層施工，雖然核心區(qū)最高溫度和最高溫升都比B3高，但其最大內(nèi)外溫差為20.4℃，是三種工況中最低的。由此可見，分層施工能有效降低混凝土內(nèi)外最大溫差。

圖4 試塊B1溫度變化曲線Fig.4 Temperature variation curve of B1

圖5 試塊B2溫度變化曲線Fig.5 Temperature variation curve of B2

圖6 試塊B3溫度變化曲線Fig.6 Temperature variation curve of B3

圖7 試塊B4溫度變化曲線Fig.7 Temperature variation curve of B4

圖8 試塊B5溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation curve of B5

試塊B5降低了混凝土配合比，將水膠比降為0.38，但其核心區(qū)最高溫度為77.4℃、最大溫升為39.6℃、最大內(nèi)外溫差為24.0℃，僅次于常規(guī)施工工況。且該工況達到最高溫度的時間為22 h，是所有工況中最快的。

根據(jù)溫度變化曲線可知，混凝土試塊底面溫度達到最高溫度的時間比核心區(qū)和表面達到最高溫的時間長，且底面溫度消散的速度也是三個測點中最慢的?；炷猎噳K表面最高溫度受入模溫度、水化熱溫升和環(huán)境溫度共同影響。

各混凝土試塊最大降溫速率均超過2.0℃/d，混凝土表面與環(huán)境的溫差中常規(guī)施工工況、夜間施工工況和分層施工工況均超過限值20℃。這與后期養(yǎng)護過程中保溫措施相關(guān)。

4 結(jié)論

（1）拌和水加冰能有效降低混凝土入模溫度，從而明顯降低試塊核心區(qū)最高溫度、最大溫升、最大內(nèi)外溫差等各項指標(biāo)。從溫度控制角度考慮，該施工方法效果最明顯，可采用降低沙石骨料溫度等方法進一步降低混凝土入模溫度，最大可能的減少裂縫產(chǎn)生。但由于三亞地區(qū)在高溫季節(jié)氣溫較高，要進一步降低混凝土入模溫度勢必大大增加建設(shè)成本。

（2）夜間施工和分層施工能有效延緩水泥放熱過程，降低混凝土核心區(qū)的溫度及最大溫升，二者可以搭配同時采用，都能起到降低混凝土核心區(qū)最高溫度、最大溫升和最大內(nèi)外溫差，減少溫度裂縫產(chǎn)生的效果。

（3）降低混凝土配合比的溫控效果相對較差，且水膠比降低后，水化反應(yīng)速度加快，混凝土核心區(qū)達到最高溫度時間減少。

（4）各混凝土試塊最大降溫速率、混凝土表面與環(huán)境溫差均較大，特別是最大降溫速率均超出限值，因此在后期大規(guī)模澆筑胸墻時必須加強后期養(yǎng)護過程中的保溫措施。

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Research of mass concrete temperature control and crack prevention measure in high temperature area

GUO Zhen-liang, LI Feng-lin
(CCCC TDC Harbor Engineering Co., Ltd., Tianjin 300450, China)

In this paper, fi ve mass concrete blocks with size of 2.5m×2.5m×1.3m were selected to simulate fi ve working conditions in high temperature area. Fiber bragg grating sensor was used for long-term monitoring of concrete temperature, and the temperature distribution regularities inside the concrete under different working conditions were obtained. The results show that mixing water with ice, constructing in night, changing mix proportion and layered construction can impact the temperature of concrete to varying degrees. In the end, the crack prevention measure was proposed.

mass concrete; temperature crack; FBG sensor; crack prevention measure

TU 755

A

1005-8443(2017)03-0281-05

2017-03-27；

2017-06-08

郭振亮（1981-），男，天津市人，工程師，主要從事水運工程施工及管理工作。Biography:GUO Zhen-liang(1981-),male,engineer.