大體積混凝土嚴(yán)寒地區(qū)施工中的溫度及裂縫控制措施

張亞琴，張成斌，田 坤，李雪坡，程 慧

1中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司設(shè)計(jì)分公司，河北 廊坊

3中國石油管道局工程有限公司人事部(黨委組織部)，河北 廊坊

1.引言

中俄原油管道二線工程加格達(dá)奇泵站位于嚴(yán)寒地區(qū)加漠公路7.5 km處，常年受西伯利亞寒流影響，其冬季時(shí)間較長(zhǎng)(5～6個(gè)月)。站內(nèi)有4座1900 kW大型輸油泵，泵基礎(chǔ)尺寸為2.85 m × 6.7 m × 4.5 m，屬于典型的大體積混凝土基礎(chǔ)。由于混凝土體積較大澆筑時(shí)間長(zhǎng)，并且需要一次成型，加之現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度惡劣(夜間溫度極低，晝夜溫差較大)，如何在混凝土養(yǎng)護(hù)過程中控制溫度及裂縫成為關(guān)鍵點(diǎn)[1][2][3][4][5]。單一對(duì)大體積混凝土加熱、保溫的方法很難保證混凝土養(yǎng)護(hù)成型，而一旦形成大面積開裂無論從工期和經(jīng)濟(jì)成本角度來講，都會(huì)造成重大損失。因此，從施工的籌備環(huán)節(jié)，就借鑒了大量的相關(guān)資料和施工工法，并按照數(shù)模理論從裂縫產(chǎn)生的原因到各變量可能帶來的影響與偏差，從理論計(jì)算到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行周密的分析，最終采取密閉蓄熱保溫暖棚對(duì)4臺(tái)泵基礎(chǔ)進(jìn)行保溫。

2.混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土裂縫的產(chǎn)生，通常發(fā)生在養(yǎng)護(hù)階段，是由混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力及變形、內(nèi)外約束的影響、外界氣溫的影響以及材料的性質(zhì)變化等因素引起的。產(chǎn)生的裂縫雖然在規(guī)范允許范圍內(nèi)，對(duì)泵基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度不產(chǎn)生影響，但是泵基礎(chǔ)的耐久性卻大大減少，所以在施工過程中，對(duì)混凝土裂縫要進(jìn)行嚴(yán)格控制。

1) 混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力及變形?；炷翝仓瓿珊?，隨著齡期的增加，內(nèi)部溫度會(huì)逐漸升高，達(dá)到700℃左右，甚至更高。內(nèi)部急劇增加的熱量會(huì)造成混凝土內(nèi)外產(chǎn)生溫差，隨著溫差的增大，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力變形，尤其在大體積混凝土施工過程中，溫度應(yīng)力引起的變形及裂縫的幾率就越高。

2) 混凝土內(nèi)外約束的影響?；炷猎陴B(yǎng)護(hù)期由于內(nèi)部水化熱溫度高，產(chǎn)生熱膨脹，中心部位產(chǎn)生壓應(yīng)力，而混凝土表面承受拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度和鋼筋的約束作用時(shí)，混凝土表面會(huì)有細(xì)小的開裂。

3) 混凝土外界氣溫變化的影響。加格達(dá)奇泵站位于嚴(yán)寒地區(qū)，周圍環(huán)境氣溫低，混凝土在澆筑階段會(huì)受到環(huán)境氣溫變化的影響，當(dāng)周圍溫度低、混凝土表面散熱快，表面快速收縮，而混凝土內(nèi)部的溫度散熱較慢逐步向外擴(kuò)算的同時(shí)內(nèi)部收縮緩慢，當(dāng)混凝土內(nèi)外變形不同步時(shí)，混凝土表面也將開裂。

3.大體積混凝土裂縫控制措施

大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生主要是由混凝土的體型、材料的水化熱和外界環(huán)境溫度變化所決定，裂縫的控制可以從4個(gè)方面采取有效的設(shè)計(jì)和施工管理方案。

3.1.混凝土摻和外加料和外加劑

在購買商品混凝土和現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土?xí)r，可摻入一定量的粉煤灰，提升混凝土的密實(shí)度，盡量選擇C3A和C3S含量較低的低水化熱水泥，減小水泥的細(xì)度，例如礦渣水泥；另外，可摻入適量的膨脹劑補(bǔ)償混凝土的收縮，提升混凝土的抗拉強(qiáng)度。

3.2.混凝土的保溫隔熱

混凝土保溫隔熱是蓄熱的關(guān)鍵，可以避免內(nèi)外的溫度擴(kuò)散速度不同而產(chǎn)生的裂縫，在地下低溫環(huán)境下保溫需要大量的保溫隔熱材料，如棉被，毛氈，塑料布，聚氨酯泡沫板等；為避免混凝土表面散熱過快，在模板上增加保溫隔熱材料是延緩降溫的方法，建議大體積混凝土在支模方式上采用雙層木膠模板(中間夾裹泡沫保溫板) (圖1)，改善混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)期的保溫和保濕能力，減小溫差防止溫度應(yīng)力過大。

Figure 1.Diagram of framework圖1.支模方式示意圖

3.3.暖棚保護(hù)

為改善大體積混凝土在澆筑期和養(yǎng)護(hù)期具有相對(duì)恒溫的環(huán)境，在大體積混凝土基礎(chǔ)周圍搭建暖棚并通過節(jié)能燃煤鍋爐供暖以提高暖棚溫度，并以工業(yè)電熱風(fēng)供暖作為備用方案應(yīng)對(duì)故障突發(fā)情況，將暖棚內(nèi)溫度控制在10℃左右，保持大體積混凝土養(yǎng)護(hù)期處于恒溫狀態(tài)，以避免冷空氣來襲，溫度驟降，引起裂縫。

該泵站施工前，根據(jù)建模理論，提供一個(gè)足夠的熱源來維持棚內(nèi)的環(huán)境溫度，從經(jīng)濟(jì)安全考慮，主熱源采用2 t燃煤鍋爐供暖，輔助熱源由100 kW發(fā)電機(jī)帶動(dòng)20臺(tái)大功率工業(yè)熱鼓風(fēng)機(jī)(備用)；其他常規(guī)熱源如碳筒、煤油爐等加熱方式也在考慮范圍內(nèi)(由于有CO中毒風(fēng)險(xiǎn)，放在最后的備用方案里)。主要方法是沿暖棚四周布置熱源(散熱盤管)，用鍋爐加熱的熱水進(jìn)行棚內(nèi)溫度提升，再通過熱水循環(huán)的方式持續(xù)24 h不間斷供暖，以維持環(huán)境溫度5℃的一個(gè)暖棚內(nèi)溫度。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)階段建模理論的各項(xiàng)模擬變量測(cè)定，進(jìn)行了為期10 d左右的穩(wěn)定數(shù)據(jù)采集與分析，對(duì)各變量進(jìn)行調(diào)差處理；混凝土冬季施工，采取常規(guī)加熱各組分骨料，科學(xué)配比投料與溫水?dāng)嚢?水溫在 40℃～60℃)等措施，進(jìn)行自攪拌及“地泵”輸送澆筑，完成施工任務(wù)。

3.4.混凝土內(nèi)部冷卻循環(huán)系統(tǒng)

為保證大體積混凝土內(nèi)部溫度與外界溫差不超過25℃，可以在混凝土基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置直徑60 mm × 3.5 mm的鋼管循環(huán)冷卻系統(tǒng)，降低混凝土內(nèi)部溫度。通過對(duì)混凝土進(jìn)行熱工計(jì)算來確定循環(huán)冷卻系統(tǒng)方案，根據(jù)混凝土配比、保溫措施及養(yǎng)護(hù)方案明確混凝土熱工計(jì)算的系數(shù)，從而計(jì)算出第3、6、9、12 d的混凝土內(nèi)部和外界的溫差，若出現(xiàn)溫差超過25℃，則需要安裝循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

混凝土熱工計(jì)算需要從混凝土絕熱溫升、混凝土中心溫度、混凝土表面溫度、混凝土收縮變形值、混凝土收縮當(dāng)量溫差、混凝土最大綜合溫差、溫度應(yīng)力(表1)、抗裂度是否滿足要求等多方面來計(jì)算確定。

Table 1.The statistics of thermal parameters calculation results of concrete in various periods表1.各齡期混凝土熱工參數(shù)計(jì)算統(tǒng)計(jì)表

通過計(jì)算混凝土各齡期的溫差和抗裂度驗(yàn)算，各齡期溫差都小于25℃，抗裂度滿足要求，顧可不做內(nèi)部循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。

若混凝土在計(jì)算過程中出現(xiàn)溫差大于25℃時(shí)，循環(huán)水系統(tǒng)盤可按圖2布置，但是循環(huán)水管長(zhǎng)需要單獨(dú)確定。

Figure 2.The sketch of circulating water system disk design圖2.循環(huán)水系統(tǒng)盤設(shè)置方案示意圖

3.5.溫度監(jiān)測(cè)

該泵站基礎(chǔ)溫度檢測(cè)時(shí)，派專人負(fù)責(zé)記錄混凝土內(nèi)外溫差，在剛澆筑完的3 d時(shí)間里，混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度是相差較大，因此每隔2 h測(cè)量1次，之后每隔4～8 h測(cè)量1次。根據(jù)測(cè)溫結(jié)果，隨時(shí)控制暖棚內(nèi)的溫度變化，保證內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)。

4.結(jié)語

在加格達(dá)奇泵站基礎(chǔ)大體積混凝土施工過程中，針對(duì)溫度和裂縫控制采取針對(duì)性措施，通過材料選擇、摻和外加劑、合理制定養(yǎng)護(hù)方法、增設(shè)冷卻系統(tǒng)及改善周圍環(huán)境等措施，使得大體積混凝土基礎(chǔ)的裂縫減少到合理范圍內(nèi)。