混凝土澆筑過程中溫度裂縫控制技術研究

溫東北，李強，曾勝，常穎

[1.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州310023；2.中電建華東勘測設計院（深圳）有限公司，廣東 深圳518100；3.廣東能源集團（云浮）蓄能發(fā)電有限公司，廣東 云浮527300]

0 引言

江門中微子實驗站配套基建工程是目前在建的世界上能量精度最高、最大的液體閃爍體探測器之一。該實驗站由地下部分和地上部分組成。其中地下建筑主要為斜井、豎井、實驗廳及附屬洞室。工程的核心建筑實驗廳最大埋深約700 m，為深埋大型地下洞室。實驗廳▽-430高程以上凈尺寸為：56.25 m×49 m×27 m（長×寬×高）。▽-430高程以下為實驗廳內水池，水池高45.8 m、凈內徑43.5 m、襯砌厚度70 cm。水池內部實景見圖1。在實驗過程中，液體閃爍體探測器整個球體浸泡在水池中間，球體和水池壁之間充填超純水。由于抗放射性的實驗需求，池壁混凝土不能有裂縫，以防止外部水滲入污染超純水導致實驗失敗。實驗階段的環(huán)境溫度（簡稱實驗溫度）設定為恒定22℃，而實驗水池的巖體及地下水溫度在31℃，因此混凝土的溫度變化過程為：澆筑溫度→最高溫度→環(huán)境溫度→實驗溫度。本文研究了原材料選用和溫控措施對混凝土降溫效果的影響，探討了通過控制混凝土內部極值溫升及溫降梯度對控制混凝土產生裂縫、的方法，施工工藝可謂類似工程提供參考。

1 工程環(huán)境及條件

水池混凝土主體結構分為底板和側墻，底板混凝土厚度為0.9～1.8 m，側墻混凝土厚度為0.7 m，設計強度為C30P8。底板分為7個區(qū)域（1區(qū)～7區(qū)）澆筑，面積最大的為7區(qū)，澆筑面積570 m2，混凝土總方量約550 m3。側墻分為6個區(qū)域澆筑，每個區(qū)域分為18層，單層高度2.44 m，單倉混凝土設計方量為45 m3。底板采用小鋼模拼制，側墻采用懸臂模板?；炷敛捎肏ZS-60拌合站生產，生產能力15～20 m3/h?；炷吝\輸分為井上水平運輸、豎井垂直運輸、井下水平運輸?；炷翉陌韬蜆浅鰴C口到澆筑現場的運輸時間約90～120 min，泵送入倉。

混凝土澆筑時間為3月中旬至7月中旬，當地3、4月份氣溫21～28℃，5～7月份氣溫26～35℃。地下洞室的巖體及地下水的溫度為32.0～34.5℃。

2 混凝土設計溫控指標及理論溫升

根據GB 200—2003《中熱硅酸鹽水泥低熱硅酸鹽水泥低熱礦渣硅酸鹽水泥》、GBT 51028—2015《大體積混凝土溫度測控技術規(guī)范》和GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》，混凝土澆筑體內部最高溫度不大于55℃，混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃，混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃/d，混凝土澆筑體表面與環(huán)境溫度差不宜大于20℃，混凝土澆筑溫度控制在22℃，與出機口溫度之差小于3℃[1]。1#混凝土樣品的設計配合比見表1。

表1 1#混凝土樣品設計配合比 kg/m3

表1中，水泥：石門公司低熱P·LH42.5水泥，此項目專供；碎石：5～16 mm、16～31.5 mm單級配花崗巖碎石；砂：當地建筑用黃砂，細度模數2.5～3.0；聚羧酸減水劑：粉狀，減水率32%；拌合水：經凈化處理后的地下水。

根據現場實際條件，未采取溫控措施的前提下，混凝土的理論溫度計算如下：

拌合樓出機口溫度T0：

式中：CS、CC、CW——分別為砂石骨料（含粉煤灰）、水泥、水（含外加劑）的比熱容，J/kg；

WS、WC、WW——分別為砂石骨料（含粉煤灰）、水泥、水（含外加劑）的質量，kg；

TS、TC、TW——分別為砂石骨料（含粉煤灰）、水泥、水（含外加劑）的溫度，℃。

為了便于計算，砂石骨料及粉煤灰比熱容取920 J/kg；外加劑與水混合，比熱容取4186 J/kg；水泥比熱容為840 J/kg。除了水泥溫度取60℃外，其余材料溫度取5月中旬當地平均氣溫30℃。

混凝土內部最高溫度Tmax按式（2）計算：

式中：T0——混凝土出機口溫度，℃；

Q——每立方混凝土中水泥總用量，kg；

F——每立方混凝土中粉煤灰總用量，kg。

從以上計算可以得出，如果不采取溫控措施，出機口溫度及混凝土內部最高溫度將超過各自設計控制指標。

3 采取的主要溫控措施

（1）混凝土骨料溫度控制：①擴大骨料倉容量，骨料在低溫季節(jié)預先備好，堆料高度為4～6 m；②骨料倉搭設遮陽棚，周邊密封隔熱；③拌合站上料皮帶設置遮陽涼棚。

（2）采用2臺循環(huán)冷水機組生產冷水送到蓄水池，降低拌合水溫度。

（3）采用低熱硅酸鹽水泥P·LH42.5?？紤]到本項目對混凝土的特殊要求，增加了氧化鎂的含量。經過檢測及試驗，水泥化學性能、物理性能、膨脹率見表2～表4。

表2 低熱P·LH42.5水泥的化學性能

（4）溫控措施效果：采取上述溫控措施后，骨料溫度在4月份平均溫度為25.5℃，5、6月份為29.0℃。經過冷水機組降溫后水的平均溫度為12.7℃。水泥采用加長出廠囤積時間的措施，運輸到工地后溫度為33℃。采用低熱水泥，平均7 d水化熱降至232 J/g左右。

根據以上溫控效果，混凝土出機口溫度計算值T0=25.55℃，現場實際測得出機口溫度為25.56～28.56℃。實際出機口溫度高于計算值的主要原因是：（1）砂石骨料的含水率不同；（2）骨料從料倉通過裝載機上料到拌料罐內有時間差，引起骨料溫度上升。

由于采用低熱水泥，其水化熱大幅降低，根據式（2）計算得到的Tmax為52.05～55.06℃

4 混凝土的室內物理性能試驗

在混凝土配合比設計過程中，還進行了混凝土的物理性能試驗，考慮進一步控制溫升，相比于1#混凝土樣品，其中的外加劑改為YYJI緩凝型外加劑（減水率27%，含固量12.63%），其他材料來源及性質均相同。經優(yōu)化后制得2#混凝土，試驗配合比如表5所示。

對2#混凝土樣品進行絕熱溫升試驗，混凝土出機口溫度13.71℃，28 d絕熱溫升為38.96℃。其絕熱溫升隨時間變化如圖2所示。

由圖2可見，在最初的10 d內混凝土內部溫升明顯，而后溫升變化趨緩。

5 現場混凝土內部溫度監(jiān)測

為掌握混凝土內部溫度情況，每倉混凝土埋置3個電阻式溫度計，埋深位置分別為混凝土表面以下10 cm、中間、基巖面以上10 cm。溫度測量從澆筑結束的第2 d開始監(jiān)測，結果顯示，混凝土表面以下10 cm與中間部位溫度相差2.5～3.0℃，中間部位最高溫度最大值為59.1℃，最小值為49.8℃，平均值為54.8℃。118倉混凝土中有3個倉的最高溫度超過了55℃，111個倉的最高溫度在50～55℃，4個倉的最高溫度低于50℃。以6區(qū)底板及第18B層側墻為例，其溫度變化情況如圖3所示。

由圖3可見，混凝土內部溫度在澆筑結束后第3～4 d達到峰值，隨后逐步下降，這與室內絕熱溫升試驗溫度曲線在3～4 d出現拐點結果基本吻合。溫降梯度在0.6～2.7℃/d，平均溫降梯度1.59℃/d。在澆筑結束后的第17 d基本和外部環(huán)境溫度一致。

溫控效果和設計要求對比情況見表6。

表6 溫控效果與設計要求對比

由表6可見，混凝土的溫控設計指標如平均溫降梯度、混凝土內外溫差符合設計要求。

6 混凝土裂縫檢測情況

在混凝土全部達到齡期后，采用SIR-20型地質雷達對混凝土內部質量進行檢測，在水池內壁垂直方向共布置69條物探測線，線距約2 m，測線長度44 m，共3036 m；在水池下部沿圓周方向探測1周，測線長度約為138 m，所有測線長度合計3171 m，根據地質雷達成果剖面圖顯示，大部分測線布置區(qū)域HDPE膜和混凝土結構的接觸質量較好，HDPE膜和混凝土結構接觸部位未發(fā)現大規(guī)?？斩春褪杷刹幻軐?、大裂縫等隱患區(qū)域。通過混凝土的外觀檢查，混凝土表面無滲水情況，在施工縫極個別位置有陰濕情況，存在細微裂縫，經過接觸灌漿后，陰濕現象消失。

7 結論和建議

從溫控測量數據及后期混凝土裂縫檢測結果分析，江門中微子實驗站配套基建工程實驗廳水池混凝土的溫控達到預期效果。

（1）原材料的溫控措施雖然效果不是很明顯，但是在廣東地區(qū)高溫季節(jié)施工，出機口溫度控制在28.56℃以內，對降低澆筑溫度還是起到一定效果，同時也說明想要降低出機口混凝土溫度，必須在降低骨料溫度上采取措施。

（2）118倉混凝土中有3個倉的最高溫度超過了55℃，111個倉的最高溫度在50～55℃，4個倉的最高溫度低于50℃。最高溫度達到59.1℃，不排除溫度計誤差導致。因此最高溫度的控制是有效的，滿足設計要求。

（3）平均溫降梯度為1.59℃/d，符合設計要求，這得益于澆筑環(huán)境外部溫度較高且比較穩(wěn)定，同時與混凝土體型較薄也有一定關系。

（4）采用P·LH42.5低熱水泥后，水化熱大幅降低，這是混凝土溫度控制在55℃以內的關鍵因素。在其他溫控措施效果不明顯的情況下，采用低熱水泥不失為較好的選擇。

（5）2#混凝土樣品配合比選用的YYJI緩凝型減水劑其與低熱水泥的適配性不夠穩(wěn)定。盡管在配合比設計階段選用了多種減水劑進行試配，但是效果都不夠理想，表現為混凝土的坍落度呈不穩(wěn)定性。另外，使用此種外加劑會延長混凝土的初凝時間，從而影響模板的拆除進度。