承臺(tái)大體積混凝土水化熱溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)

楊川

（中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

某大體積混凝土承臺(tái)長(zhǎng)72.1m，寬度37.1m，厚度5.65m，澆筑混凝土量大約為15201m3，C40混凝土強(qiáng)度。承臺(tái)采用分次澆筑，并將冷卻水管布置于混凝土中。為了避免該大體積混凝土出現(xiàn)裂縫等變形情況，本文對(duì)該混凝土承臺(tái)從塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥誀顟B(tài)整個(gè)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)方案，以實(shí)現(xiàn)控制裂縫產(chǎn)生的目的。

2 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)場(chǎng)混凝土監(jiān)測(cè)是將溫度傳感器埋至混凝土內(nèi)部，目的是即時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土各個(gè)位置的溫度。在澆筑承臺(tái)的混凝土之前將溫度傳感器布置在其中，完成澆筑工作之后使其埋在混凝土內(nèi)，對(duì)其內(nèi)部實(shí)際溫度進(jìn)行直接測(cè)量，以檢測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，調(diào)整冷卻水量，盡可能將水化熱聚集給承臺(tái)帶來(lái)的負(fù)面影響降至最低。在承臺(tái)中部混凝土中心位置放置三個(gè)同型號(hào)溫度傳感器，三者不僅可以幫助校核，還可以規(guī)避冷卻水管的影響，對(duì)承臺(tái)實(shí)際的水化熱進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試。承臺(tái)第一層與第二層的冷卻管放置如圖1所示。

圖1 承臺(tái)冷卻管布置示意圖（cm）

3 溫度測(cè)試結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度變化

圖2為具有代表性的測(cè)點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖2 不同測(cè)點(diǎn)溫度變化過程

3.2 混凝土水化熱升降變化規(guī)律

由圖2(a)可知：

1）升溫階段：首次澆筑入模的溫度約為28℃，在開始的兩天，溫度的增長(zhǎng)幅度小，在第3d，溫度大幅升高，大約在第5d達(dá)到峰值，約為55℃。

2）降溫時(shí)：第5～15d，降溫水化過程基本結(jié)束。在此期間，溫度平均每天降低3℃，比溫度控制指標(biāo)要高。在第15d，水泥的平均溫度是45℃，而大氣溫度為27℃，意味著要繼續(xù)進(jìn)行混凝土散熱。

3）混凝土的溫度峰值在承臺(tái)的中心位置出現(xiàn)，且在溫度達(dá)到峰值之后，因中間部分的混凝土散熱困難，持續(xù)高溫，但表面部分在達(dá)到溫度峰值之后以極快的速度降溫，也就是說在澆筑工作結(jié)束后的5～8d左右，容易產(chǎn)生裂縫。結(jié)果顯示，首次澆筑時(shí)內(nèi)部與外部溫差保持在25℃之下。

由圖2(b)可知：

1）升溫階段：澆筑時(shí)溫度約為24℃，第1～2d溫度緩慢增長(zhǎng)，在第3d快速增長(zhǎng)，在第5d出現(xiàn)峰值，約為70℃，遠(yuǎn)高于35℃的經(jīng)驗(yàn)控制值。降溫狀況大體上和第一次澆筑相同。

2）選擇兩次澆筑，溫度隨澆筑次數(shù)時(shí)程曲線相似。但第一次澆筑比第二次澆筑的影響要大，比如，混凝土澆筑第二次后測(cè)點(diǎn)b溫度回升，第一次澆筑完成大概15d后即第二次澆筑時(shí)，產(chǎn)生溫度駝峰，但其余位置的溫度曲線無(wú)此種回升，這表明一定的彈模和強(qiáng)度會(huì)使混凝土的導(dǎo)熱性降低，新澆筑好的混凝土僅僅對(duì)淺層老混凝土有影響。

3）中心部分溫度的變化特點(diǎn)是快速升溫與緩慢降溫，一直維持到穩(wěn)定時(shí)段；與中心位置溫度變化不同，混凝土邊緣部分通過快速升溫之后，其峰值比中心要低，維持時(shí)間也比中心要短，且迅速開始降溫，快速達(dá)到穩(wěn)定。

4）氣溫會(huì)對(duì)混凝土的水化熱升降造成影響，前期水化反應(yīng)平緩時(shí)，放出的熱量較少，當(dāng)水化反應(yīng)強(qiáng)烈時(shí)，占主導(dǎo)地位的是水化熱釋放的能量，在降溫段，反應(yīng)基本完成，氣溫的改變對(duì)中心及中心周圍的區(qū)域影響較小，只對(duì)表面混凝土產(chǎn)生較大影響。

3.3 溫度應(yīng)力時(shí)程曲線

圖3是某些測(cè)點(diǎn)溫度應(yīng)力時(shí)程的曲線。

圖3 部分測(cè)點(diǎn)溫度應(yīng)力曲線

由于應(yīng)力無(wú)法被直接測(cè)量，所以運(yùn)用粘彈性方程[1-2]，求得應(yīng)力，其方程如式（1）：

式中：σij(t)為粘彈性應(yīng)力場(chǎng)（MPa）；為彈性應(yīng)力場(chǎng)（MPa）；τ1為水化熱溫度等指標(biāo)的持續(xù)作用時(shí)間（h）；Cij(t)為根據(jù)時(shí)間變化產(chǎn)生變化的彈性模量（m2）；K(t,r)為應(yīng)力函數(shù)；σij(τ)為彈性張量；d為彈性損傷；τ為齡期。

在應(yīng)力測(cè)試中，為直接試驗(yàn)值，粘彈應(yīng)力σij(t)應(yīng)運(yùn)用此方程進(jìn)行計(jì)量，此項(xiàng)工作難度極大，與構(gòu)件在荷載的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力有本質(zhì)區(qū)別。實(shí)際測(cè)量出的應(yīng)變值就是實(shí)際應(yīng)變值。

3.4 溫度應(yīng)力分析

1）受壓階段：根據(jù)各測(cè)點(diǎn)曲線可知，在混凝土澆筑8d后，承臺(tái)內(nèi)混凝土大多處在受壓狀態(tài)。根據(jù)曲線，混凝土升溫時(shí)，混凝土的彈性模量明顯減小，自身膨脹導(dǎo)致混凝土受壓應(yīng)力降低，隨著水化熱逐漸完成，其產(chǎn)生的溫度也開始降低。

2）受拉階段：承臺(tái)各測(cè)點(diǎn)在10d后出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力的出現(xiàn)時(shí)間與混凝土溫度峰值的時(shí)間并不一致，混凝土升溫后體積膨脹。由曲線得知，應(yīng)力時(shí)間晚于溫度，混凝土最大拉應(yīng)力在2.3MPa左右。

3）導(dǎo)致混凝土早期硬化開裂的一個(gè)重要因素是氣溫。升降溫前期應(yīng)力曲線不光滑，出現(xiàn)鋸齒，體現(xiàn)應(yīng)力隨外界溫度改變，但波動(dòng)很小。在20d前后應(yīng)力波動(dòng)顯著提升，且拉應(yīng)力有上升趨勢(shì)。

4）“內(nèi)壓外拉”指處于升溫期的混凝土內(nèi)部升溫速度快、外部升溫速度慢所引發(fā)的現(xiàn)象。當(dāng)混凝土沒有因溫度的改變而改變時(shí)，標(biāo)志著降溫段中部的到來(lái)，發(fā)生松弛效應(yīng)的時(shí)間是第8d，此時(shí)混凝土的應(yīng)壓力轉(zhuǎn)化為拉應(yīng)力。在澆筑后期對(duì)混凝土影響最大的是內(nèi)外溫差，混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度值大于由內(nèi)外溫差形成的混凝土截面溫度應(yīng)力值是控制該差值的必需條件。

4 結(jié)果分析

分析結(jié)果可知：

1）澆筑大體積混凝土?xí)r，采取“放”的原理幫助混凝土散熱，合理劃定澆筑單元，重點(diǎn)完善塊間構(gòu)造措施，完善施工工序，更好控制厚大體積的混凝土縫隙。

2）要考慮諸多因素，如水泥的標(biāo)號(hào)、品種、砂率、水灰比、粉煤灰摻量、外加劑和纖維摻量等，使混凝土配合比更合理，最大程度降低混凝土水化熱釋放總量，有利于控制混凝土溫升，也有利于減少降溫期間的內(nèi)外溫度梯度[3]。

3）溫控指標(biāo)不是一個(gè)常量，其不僅受結(jié)構(gòu)厚度的影響，也受氣溫的影響，只控制溫度并不能達(dá)到預(yù)期效果，更主要的是應(yīng)力控制。監(jiān)測(cè)應(yīng)力量值需要把混凝土松弛效應(yīng)考慮在內(nèi)，如此測(cè)得的應(yīng)力為真實(shí)的結(jié)果。

5 結(jié)語(yǔ)

基于上述分析，針對(duì)大體積混凝土溫控提出以下建議：

1）冷卻管在掩埋鋪設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)舉措進(jìn)行穩(wěn)固，澆筑混凝土前應(yīng)當(dāng)提早實(shí)行通水試驗(yàn)來(lái)查驗(yàn)冷卻管是否擁塞和損壞，在澆筑混凝土進(jìn)程中避免擁塞、透水。

2）用水泵泵水，確保冷卻管進(jìn)水口時(shí)有充足動(dòng)力，出入水管的水溫差在5～10℃之內(nèi)，承臺(tái)從澆筑起至澆筑完后15d內(nèi)不停灌水，且此水不可循環(huán)使用。

3）防止高溫時(shí)澆筑基樁混凝土，所用原料應(yīng)防止暴曬，基樁澆筑后留意灑水養(yǎng)生。

4）冷卻管運(yùn)用后即注入35℃的水泥來(lái)封孔，把超出基樁頂面部分截掉，同時(shí)進(jìn)行防腐處理。