淺談大體積混凝土溫控技術(shù)

李祥斌 張 奇

（湖北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 湖北 武漢 430079）

0 引言

水泥在水化過程中每克可釋放高達(dá)500J 左右的熱量。在大體積混凝土施工中，因熱量聚積可使內(nèi)部絕熱溫升高達(dá)70℃或更高。從而產(chǎn)生實(shí)體溫度梯度差，從而導(dǎo)致混凝土澆筑實(shí)體溫度—收縮應(yīng)力劇烈變化，引起構(gòu)件開裂現(xiàn)象不足為奇。大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下幾個(gè)方面：①水泥水化熱;②外界氣溫變化;③混凝土收縮?；炷练N用水量和水泥用量越高，混凝土收縮就越大。低熱水泥和粉煤灰水泥能減少收縮。混凝土內(nèi)部和外部的溫差過大也會(huì)產(chǎn)生裂縫，初期內(nèi)部產(chǎn)生大量水化熱，內(nèi)外溫差形成的拉應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂；拆模后，若表面溫度下降過快，也會(huì)產(chǎn)生裂縫；混凝土溫度達(dá)到峰值后，降溫的過程也是裂縫產(chǎn)生的高發(fā)期。從而形成內(nèi)部溫差產(chǎn)生裂縫;另外，水泥的安定性不合格也會(huì)引起裂縫。

如何防止大體積混凝土施工中出現(xiàn)使結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的整體性、承載力、耐久性及影響正常使用的裂縫發(fā)生是大體積混凝土施工中的關(guān)鍵技術(shù)問題。結(jié)合赤壁長(zhǎng)江大橋主3#塔承臺(tái)大體積混凝土的施工，對(duì)其溫控技術(shù)展開深入探討。

1 工程概況

本工程位于某省山區(qū)村鎮(zhèn)上，上部結(jié)構(gòu)采取掛籃懸臂澆筑施工，最大施工懸臂長(zhǎng)度為120m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，主墩承臺(tái)呈正方形，承臺(tái)平面尺寸23.0m×23.0m，厚度為5.5m?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40，單個(gè)承臺(tái)方量為2910m3，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

2 施工方法

重點(diǎn)在原材料質(zhì)量控制及施工及養(yǎng)護(hù)工藝方面改進(jìn)，確保承臺(tái)大體積混凝土溫度控制在合理范圍內(nèi)，監(jiān)測(cè)方法采用有限元橋梁專用程序Midas 的水化熱計(jì)算模塊進(jìn)行了溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算，該大體積混凝土承臺(tái)于2017年5～7月份施工，外界氣溫溫度分別為25℃～35℃。

3 溫控措施

3.1 施工階段的溫度控制

對(duì)于泵送混凝土而言，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)水灰比控制，不得超過0.6，控制好混凝土的塌落度，主要是對(duì)含砂率進(jìn)行調(diào)整，或者摻入一定量的減水劑，確保塌落度問題得以解決。選用低水化熱的水泥摻加高品質(zhì)的粉煤灰，是大體積混凝土溫控施工的有效措施。本工程原材料采用普通硅酸鹽PO42.5 水泥，水泥使用溫度不應(yīng)超過60℃，否則必須采取措施降低水泥溫度。盡量增加粉煤灰摻量，以推遲水化熱溫峰的出現(xiàn)，降低砼絕熱溫升。質(zhì)量應(yīng)符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）的規(guī)定。并采用中粗砂。細(xì)度模數(shù)在2.7 左右，砂含泥量必須小于2%，并無泥團(tuán)，其它指標(biāo)應(yīng)符合規(guī)范規(guī)定，石子級(jí)配必須優(yōu)良，來源穩(wěn)定。入場(chǎng)后分批檢驗(yàn)，嚴(yán)格控制其含泥量不超過1.0%，其它指標(biāo)必須符合規(guī)范要求。外加劑采用緩凝高效減水劑，以最大限度降低水泥用量，推遲水化熱溫峰的出現(xiàn)。外加劑的減水率應(yīng)大于15%，其緩凝成分禁止使用糖類化合物。

在施工過程中，禁止通過隨意加水的方式使混凝土塌落度增加。在進(jìn)行大體積混凝土施工前，應(yīng)當(dāng)做足各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，如備好物料、機(jī)械設(shè)備及相關(guān)設(shè)備。在分層澆筑過程中，倘若上層與下層澆筑時(shí)間間隔過長(zhǎng)，就會(huì)出現(xiàn)泌水層，可以在分層澆筑面設(shè)置集水坑，集中多余的水分，然后用泵將水抽除。至于分層澆筑間隔的控制，應(yīng)當(dāng)?shù)鹊缴蠈踊炷帘砻鏈囟冉抵镣饨鐪囟葹闇?zhǔn)。在綁扎上層鋼筋時(shí)，應(yīng)在下層混凝土強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，且混凝土表面溫度穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行。

在大體積混凝土施工中，由于模板既要承受混凝土的側(cè)壓力，也會(huì)受到振搗器的振動(dòng)壓力，所以，必須要確保模板支撐體系可靠，以免施工中模板發(fā)生形變。在正式進(jìn)行混凝土澆筑時(shí)，必須加強(qiáng)模板檢查，并對(duì)其進(jìn)行濕潤(rùn)處理。降溫可用冷卻水管，加強(qiáng)對(duì)混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)，以此來對(duì)冷卻水管的進(jìn)水量和溫度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.2 混凝土的溫度控制措施

在實(shí)際施工過程中，粗集料和水溫將直接影響混凝土的出機(jī)溫度，砂的溫度和水泥的溫度所產(chǎn)生的影響比較小。所以，為了降低混凝土的出機(jī)溫度，就要將粗集料的溫度降低至合理水平。夏季進(jìn)行施工時(shí)，由于環(huán)境溫度比較高，那么就要用篷布對(duì)施工材料作覆蓋處理，防止太陽直射造成砂石溫度過高，在進(jìn)行攪拌前，還要采取灑水降溫的措施。通常，還要用草袋遮蓋混凝土輸送泵的泵管，及時(shí)進(jìn)行灑水處理，這樣做的目的是為了防止泵送過程中混凝土?xí)崭嗟臒崃俊Ｔ谳斔突炷恋倪^程中，還要使用篷布對(duì)裝卸車作遮擋處理，以免陽光直射混凝土，使混凝土溫度進(jìn)一步升高。

本工程每次混凝土開盤之前，試驗(yàn)室要量測(cè)水泥、砂、石、水的溫度，專門記錄，計(jì)算其出機(jī)溫度，并估算澆筑溫度，必要時(shí)采用拌合水降溫措施，延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，混凝土出機(jī)溫度不得大于30℃，入模不大于35℃?；炷练謨纱螡沧ⅲ看螡仓?.75m），兩次澆筑間隔時(shí)間為7 天，冷卻水管布置四層，其水平間距為1m，冷卻水管距混凝土側(cè)面1.5m，豎向間距第1 層和第2層間距1m、第2 層和第3 層間距1.4m，第3 層和第4 層間距1m；冷卻水管進(jìn)水口應(yīng)集中布置，以利于統(tǒng)一管理；冷卻水管采用φ50mm 的黑體管（壁厚3.5mm）。

3.3 強(qiáng)化溫度監(jiān)測(cè)控制

為及時(shí)掌握大體積混凝土的溫度變化情況，應(yīng)對(duì)加強(qiáng)混凝土的溫度監(jiān)測(cè)控制。在布置溫度測(cè)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在澆筑高度的表面、底部以及中部加以布置，控制好垂直測(cè)點(diǎn)的距離，以80cm 左右為宜。如果是在平面進(jìn)行溫測(cè)點(diǎn)布置，應(yīng)當(dāng)在中間以及邊緣進(jìn)行布置，相鄰測(cè)點(diǎn)間距5m。至于混凝土內(nèi)部溫度的測(cè)量，可以通過預(yù)留孔洞的辦法進(jìn)行，通常每個(gè)測(cè)溫孔內(nèi)布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，然后使用半導(dǎo)體液晶顯示溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。如果測(cè)溫時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度差大于25℃，且一直處于上升階段，就要減少覆蓋，降低其溫度。倘若處于溫度下降階段，就要增加一些保溫材料，也可以延緩拆除保溫材料。

本工程擬在承臺(tái)施工過程中，承臺(tái)內(nèi)部布設(shè)38 個(gè)溫度傳感器測(cè)量承臺(tái)內(nèi)部水化熱溫度變化值。承臺(tái)內(nèi)豎向選擇4 個(gè)斷面，考慮到結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，上下兩層在1/4 平面內(nèi)布設(shè)9 個(gè)傳感器，共計(jì)18 個(gè)，中間兩層監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿對(duì)角線方向加密1個(gè)傳感器，考慮承臺(tái)混凝土的養(yǎng)護(hù)，即待混凝土終凝后立即進(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)。

4 監(jiān)測(cè)方法

對(duì)主墩承臺(tái)大體積混凝土采用有限元橋梁專用程序Midas 的水化熱計(jì)算模塊進(jìn)行了溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)仿真計(jì)算，根據(jù)溫度傳感器的反饋，計(jì)算結(jié)果后制定了承臺(tái)不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)，并制定了相應(yīng)的溫控措施，各溫控指標(biāo)如下：

4.1 絕熱溫升

絕熱溫升公式取雙曲線函數(shù)：

式中：θ0-最終絕熱溫升，τ-時(shí)間，n-參數(shù)?；炷恋暮椭捣謩e為44 和3.5。

4.2 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為初始彈模，E1為最終彈模與初始彈模之差，α,β為與彈模增長(zhǎng)速率有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)。其值分別取0.14 和0.17。

4.3 徐變度

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，取C40 混凝土徐變度如下（單位：10-6／MPa）：

4.4 材料參數(shù)

混凝土材料參數(shù)參考有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及工程試驗(yàn)結(jié)果。C40 混凝土彈性模量、熱學(xué)參數(shù)見表1 和表2。

表2：C40 混凝土熱學(xué)參數(shù)

表1： C40混凝土彈性模量取值（×104 MPa）

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 網(wǎng)格剖分、邊界條件及荷載

根據(jù)承臺(tái)平面尺寸和冷卻水管布置的對(duì)稱性，承臺(tái)的水化熱計(jì)算模型取承臺(tái)平面的 1/4 進(jìn)行分析。在對(duì)承臺(tái)混凝土的水化熱有限元仿真計(jì)算中，主要考慮了水泥絕熱溫升、 混凝土的強(qiáng)度和彈模增長(zhǎng)曲線、冷卻水管等參數(shù)，以及承臺(tái)上表面及側(cè)面的對(duì)流邊界、地基固定邊界、地基固定約束等條件。網(wǎng)格剖分見圖1。

圖1 承臺(tái)混凝土水化熱有限元模型

5.2 計(jì)算結(jié)果

5.2.1 溫度場(chǎng)主要特征

5月份澆筑承臺(tái)，由于混凝土入倉(cāng)溫度升高，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部最高溫度有所增加。第一層混凝土在澆筑3 天后，內(nèi)部最高溫度約為48℃，第二層混凝土在其澆筑約3 天后，內(nèi)部最高溫度約為51℃，由于混凝土多次澆筑，下層混凝土的溫度隨著上層混凝土的澆筑會(huì)出現(xiàn)一定程度的反彈，其中關(guān)鍵點(diǎn)溫度如圖2 所示。承臺(tái)混凝土中部溫度最高，四周溫度較低，靠近邊緣部分混凝土溫度梯度最大。

圖2 部分關(guān)鍵點(diǎn)的溫度時(shí)程曲線

5.2.2 應(yīng)力場(chǎng)主要特征

第一層混凝土在澆筑2 天后，其內(nèi)部主拉應(yīng)力達(dá)到峰值1.68MPa，此時(shí)承臺(tái)內(nèi)部部分產(chǎn)生最大主拉應(yīng)力，在冷管處也出現(xiàn)拉應(yīng)力；第二層混凝土在其澆筑約2 天后，主拉應(yīng)力達(dá)到峰值2.43MPa，在冷水管附近出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力。部分關(guān)鍵點(diǎn)的溫度如圖3 所示

圖3 部分關(guān)鍵點(diǎn)處的主拉應(yīng)力時(shí)程圖

5.2.3 結(jié)果分析

根據(jù)上述分析結(jié)果易知，承臺(tái)混凝土在澆筑后大概第三天內(nèi)部溫度達(dá)到峰值，承臺(tái)邊緣溫度較低，溫度梯度較大，越靠近混凝土核心位置，溫度越高；冷水管的降溫作用非常明顯，可以有效降低承臺(tái)內(nèi)部的水化熱溫度。澆筑第二層承臺(tái)會(huì)導(dǎo)致第一次澆筑的承臺(tái)內(nèi)部溫度輕微上升。承臺(tái)內(nèi)部溫度應(yīng)力呈現(xiàn)出四周邊緣應(yīng)力大，中間應(yīng)力小的特征；拉應(yīng)力主要集中在承臺(tái)邊緣和冷水管附近。從計(jì)算結(jié)果來看，混凝土各齡期抗裂安全系數(shù)均大于1.3，故在施工期承臺(tái)不會(huì)產(chǎn)生有害溫度裂縫。

6 結(jié)束語

大體積混凝土施工中裂縫控制是質(zhì)量把控關(guān)鍵，采用信息化施工手段，準(zhǔn)確檢測(cè)各層混凝土澆筑工后真實(shí)溫度變化，通過冷卻水管循環(huán)為大體積混凝土降溫，確?；炷羶?nèi)部抗拉力滿足或者大于溫度應(yīng)力抵抗要求，控制混凝土裂縫發(fā)展，杜絕水化熱在澆筑過程中產(chǎn)生有害裂紋，提高混凝土澆筑質(zhì)量，為建筑提高基礎(chǔ)保障。