實體結構混凝土早期溫度發(fā)展特征與凝結時間關系

費曉春，李 明，王方剛，徐 文

(1.中國中鐵四局集團第二工程有限公司，蘇州 215131；2.江蘇省建筑科學研究院有限公司,高性能土木工程材料國家 重點實驗室，南京 210008；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，南京 211103)

0 引 言

與實驗室單一因素、標準條件相比，實體混凝土自澆筑后即處于水化-溫度-濕度-約束的多場耦合作用環(huán)境[1-2]，因此，直接利用實驗室測試的凝結時間結果并不能很好的滿足實際工程施工需求，若忽視室內測試的凝結時間與實體結構凝結時間存在的差別，容易在澆筑過程中因實體結構混凝土凝結時間顯著縮短不利于振搗而出現(xiàn)冷縫或板類結構抹面時機把握不準確而出現(xiàn)鼓包的現(xiàn)象。此外，實體結構凝結時間的確定也有助于實體結構監(jiān)測變形零點的選取[3-4]，為補償收縮類膨脹材料在實體變形的補償效果評價提供支撐。

實體結構混凝土溫度發(fā)展受膠凝材料水化放熱與結構散熱的影響[5]，通常情況下，在凝結前的塑性階段，膠材水化速度較慢，實體結構的溫升速率也較小，混凝土凝結后，膠凝材料水化處于加速期，混凝土溫升速率發(fā)展迅速。因此，混凝土早期溫度發(fā)展歷程在一定程度上可反映出實體結構混凝土的凝結時間。已有的研究根據(jù)室內試件[6-8]或實體混凝土變形特征[9]進行混凝土凝結時間的確定，鑒于實體結構溫度監(jiān)測的便利性，本文則根據(jù)大量實體工程監(jiān)測結果，基于早期溫度發(fā)展特征反演推算出實體結構凝結時間，同時將反演結果與室內標準條件及現(xiàn)場同條件測試結果進行了比較，為工程施工方案的制定提供參考。

1 工程基本概況

基于大量的工程實踐積累，統(tǒng)計了城市軌道交通工程地下車站側墻、現(xiàn)澆隧道底板、側墻、頂板及橋梁索塔實心段等工程混凝土實體溫度監(jiān)測結果，其中混凝土強度等級為C35、C40、C50，厚度為0.7 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.6 m、3 m，采用鋼模板。工程基本概況見表1。在實體結構中心位置埋設溫度探頭，必要時在墻體結構中心位置對應的內、外側表處(距離表面約5 cm)及板類結構中心對應的底部及頂部上表處(距離底面或上表面約5 cm)同時埋設溫度探頭，采用混凝土溫度-應變無線監(jiān)測系統(tǒng)，采集頻率設置為0.5 h/次或1.0 h/次。

表1 工程基本概況Table 1 Basic information of the projects

2 結果與討論

2.1 不同結構混凝土早期溫度發(fā)展歷程

針對墻體、板類等典型結構，根據(jù)工程進展情況，對不同季節(jié)施工的側墻、頂板、底板等混凝土結構中心點進行了溫度監(jiān)測，統(tǒng)計分析不同厚度結構混凝土溫升階段監(jiān)測結果如圖1～圖7所示。結果表明，混凝土中心點溫度發(fā)展歷程受自身因素如配合比及周圍散熱條件如模板類型、結構形式及厚度、施工季節(jié)等因素的影響，整體上隨強度等級的提高及結構厚度的增大而表現(xiàn)出早期溫升速率加快及溫峰值增高。不同結構混凝土中心測點溫度增長規(guī)律復合Boltzmann增長曲線，曲線上存在明顯的轉折特征區(qū)域，新拌混凝土澆筑后開始的一段時間內溫度增長緩慢或者說可以忽略不計，超過一定時間后迅速增長。結構混凝土中心測點溫度增長驅動力來自膠凝材料的水化放熱，在此過程中伴隨結構的形成，混凝土由塑性階段向硬化階段轉變?？紤]到凝結前水化反應速度較慢，相應的水化放熱造成的溫升驅動力較弱，隨著水化反應進入加速期而開始快速放熱并帶來快速的溫升，混凝土結構也隨之形成。因此，結構混凝土早期溫度發(fā)展歷程可反映出實體結構的凝結時間。

圖1 工況A 側墻中心溫度
Fig.1 Center temperature of sidewall under construction condition A

圖2 工況B1側墻中心溫度
Fig.2 Center temperature of sidewall under construction condition B1

圖3 工況B2側墻中心溫度
Fig.3 Center temperature of sidewall under construction condition B2

圖4 工況B3側墻中心溫度
Fig.4 Center temperature of sidewall under construction condition B3

圖5 工況B4頂板中心溫度
Fig.5 Center temperature of roof under construction condition B4

圖6 工況B5底板中心溫度
Fig.6 Center temperature of bottom plate under construction condition B4

圖7 工況C索塔實心段中心溫度Fig.7 Center temperature of cable tower under construction condition C

結合水泥水化反應特點及實體結構溫度增長規(guī)律，則溫度開始明顯增長可作為實體結構混凝土初凝時間(ti)，溫度開始快速增長可作為實體結構混凝土終凝時間(tf)。忽略混凝土生產及運輸時間，以混凝土自澆筑開始作為零點，對溫升階段中心測點溫度發(fā)展曲線進行微分處理。結果表明，dT/dt微分曲線規(guī)律同水泥水化反應規(guī)律類似，因此，可較為直觀的根據(jù)中心測點溫度微分曲線推算出實體結構凝結時間。由圖1可推算出0.7 m厚側墻中心點混凝土初凝、終凝分別為13.0 h、14.0 h，由圖2可推算出1.1 m厚側墻中心點混凝土初凝、終凝分別為5.5 h、6.5 h，由圖3可推算出1.3 m厚側墻中心點混凝土初凝、終凝分別為15.0 h、17.0 h，由圖4可推算出1.5 m厚側墻中心點混凝土初凝分別為14.0 h、17.0 h，由圖5可推算出1.3 m厚頂板中心混凝土初凝、終凝分別為16.0 h、 18.0 h，由圖6可推算出1.6 m厚底板中心混凝土初凝、終凝分別為6.0 h、8.0 h，由圖7可推算出實心段中心混凝土初凝、終凝分別為4.5 h、6.0 h。受混凝土配合比、結構尺寸及散熱條件的影響，初凝時，混凝土已溫升約1～3℃，終凝時，混凝土已溫升約2～4 ℃。

2.2 不同測點混凝土早期溫度歷程

針對墻體及板類結構特點，在側墻內、外側表及頂板底部、上表同步進行了溫度監(jiān)測，選取的工況B3某現(xiàn)澆隧道1.5 m厚側墻，其內側表與地連墻相接，外側采用鋼模板。圖8(a)為側墻混凝土內側表早期溫度監(jiān)測及微分處理結果，結果表明，內側表溫度增長規(guī)律與中心測點增長規(guī)律相同，最大溫升值小于中心測點。根據(jù)溫度發(fā)展歷程推算的初凝、終凝分別為14.0 h、17.0 h，與圖4所得結果相同。圖8(b)為側墻混凝土外側表早期溫度監(jiān)測及微分處理結果，結果表明，由于鋼模板散熱較好，外側表溫度發(fā)展受周圍環(huán)境溫度、拆模及保溫養(yǎng)護措施的影響較大，但早期仍存在快速增長的階段，據(jù)此推算該測點附近混凝土初凝、終凝分別為16.0 h、19.0 h，較中心及內側點延長2.0 h。選取的工況B4某現(xiàn)澆隧道1.3 m頂板，其底部為鋼模板，頂部二次抹面后覆蓋帶塑料內膜的土工布進行養(yǎng)護，底部及上表測點混凝土早期溫度監(jiān)測及微分處理結果如圖9(a)、9(b)所示，結果表明，底部測點溫度增長規(guī)律與中心測點增長規(guī)律類似，推算的凝結時間較中心測點延長1.0 h，頂部上表面測點溫度發(fā)展歷程同樣受周圍環(huán)境及養(yǎng)護措施的影響較大，推算的凝結時間較中心測點延長2.0 h。由于散熱條件不同，表面測點與中心測點溫度發(fā)展歷程存在一定的差別，由此造成凝結時間的差異，但整體上差別不大。

圖8 工況B3側墻內側和外側表溫度
Fig.8 Inner and outside surface temperature of sidewall under construction condition B3

圖9 工況B4頂板底部和上表溫度
Fig.9 Bottom and top surface temperature of roof under construction condition B4

2.3 凝結時間測試結果比較

在實體結構澆筑的同時，從混凝土拌合物中篩出砂漿用貫入阻力法同步測試了置于溫度為(20±2) ℃的環(huán)境標準條件及現(xiàn)場同條件下的試樣的凝結時間，統(tǒng)計結果如表2所示。結果表明，標準條件下的測試結果與同條件測試結果存在一定的區(qū)別，根據(jù)實體溫度監(jiān)測結果反演推算的凝結時間顯著小于標準條件及同條件測試結果，這主要是由于溫度對水化反應的影響所致。采用貫入阻力法測試的試樣體積尺寸較小，試樣水化放熱反應幾乎不會產生溫升，因此，試樣的凝結時間主要受周圍環(huán)境溫度影響，一般情況下，周圍環(huán)境溫度越高，試樣水化反應速度越快，對于夏季工況下，同條件測試結果小于標準條件測試結果，冬季工況下，同條件測試結果大于標準條件測試結果。由于混凝土為熱的不良導體，一般情況下，與結構表面處相比，結構中心處混凝土受環(huán)境溫度影響較小，新拌混凝土自澆筑后即處于水化-溫度-濕度-約束的多場耦合作用環(huán)境，受混凝土配合比、外加劑及結構尺寸的影響，中心處混凝土因自身水化反應累計放熱加速了水化反應速度，使得實體結構混凝土凝結時間顯著小于單一因素條件下的測試結果，表面測點混凝土受散熱條件的影響，其凝結時間一般較中心測點凝結時間有所延長。

因此，直接利用標準條件下或同條件測試的凝結時間結果來指導實際工程澆筑、振搗及抹面等工作可能會導致因實體結構凝結時間縮短而出現(xiàn)冷縫或板類抹面時機把握不當而出現(xiàn)鼓包等質量問題。將表2所示的中心測點實體反演凝結時間結果與標準條件及同條件測試結果進行擬合如圖10所示，結果表明，實體反演結果與同條件測試結果存在較好的相關性，實體反演的終凝時間與標準條件測試的終凝時間存在一定的相關性，其中，同條件測試的初凝時間約為實體反演結果的1.8倍，終凝時間約為實體反演結果的2.0倍。因此，實體結構澆筑前，在測試室內標準條件下混凝土凝結時間的同時，宜在待澆筑結構處同步測試同條件下混凝土凝結時間，并根據(jù)澆筑組織需求適當調整混凝土凝結時間。實體結構澆筑過程中，在實體溫度監(jiān)測的基礎上，宜同步開展同條件凝結時間測試，以為信息化施工提供支撐。

圖10 初凝結果比較及終凝結果比較
Fig.10 Comparison of initial setting and comparison of final setting

3 結 論

不同結構混凝土中心測點溫度增長規(guī)律復合Boltzmann增長曲線，曲線上存在明顯的轉折特征區(qū)域，新拌混凝土澆筑后開始的一段時間內溫度增長緩慢或者可以忽略不計，超過一定時間后迅速增長。利用溫度開始明顯增長可作為實體結構混凝土初凝時間，溫度開始快速增長可作為實體結構混凝土終凝時間。實體反演結果與同條件測試結果存在較好的線性相關性，同條件測試的初凝時間約為實體反演結果的1.8倍，終凝時間約為實體反演結果的2.0倍。結合標準條件測試結果，可進一步根據(jù)同條件凝結時間測試結果制定預先施工方案。