廣東某工程大體積混凝土溫度控制及溫度分析

姚小旭，李 明

(中國(guó)石油天然氣第一建設(shè)有限公司,河南 洛陽(yáng) 471000)

0 引言

混凝土結(jié)構(gòu)最小尺寸不小于1 m,或者預(yù)計(jì)會(huì)因?yàn)榛炷林械哪z凝材料發(fā)生水化引起的溫度變化而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土,通常稱(chēng)之為大體積混凝土[1-2]。大體積混凝土常見(jiàn)于設(shè)備基礎(chǔ)、路橋基礎(chǔ)、高層建筑基礎(chǔ)及各種特殊結(jié)構(gòu)。通常情況下,大體積混凝土由于外荷載原因,產(chǎn)生裂縫的可能性很小,但溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫卻是大體積混凝土施工中的常見(jiàn)問(wèn)題。其產(chǎn)生的原因是由于混凝土受到自約束拉應(yīng)力和外約束拉應(yīng)力的作用引起的。因此需要在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中采取有效的控溫措施,以保證質(zhì)量滿足規(guī)范要求。本文針對(duì)沿海城市某大型設(shè)備基礎(chǔ)測(cè)溫及溫度控制進(jìn)行分析。

1 工程特點(diǎn)

本項(xiàng)目用地位于廣東省南部,工程總用地面積7 000 m2,其中地上建筑高度48 m,基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁獨(dú)立基礎(chǔ)?；A(chǔ)底板厚度2.5 m,混凝土澆筑量1 423.376 m3。建筑區(qū)域內(nèi)土質(zhì)主要為素填土、細(xì)砂、粉細(xì)砂,建筑場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅱ類(lèi),地震烈度為7 度,地下水水位埋深為0.30 m～2.70 m,地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為7.21 m～11.54 m。

2 工程施工技術(shù)

2.1 制定專(zhuān)項(xiàng)施工方案

1)施工前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的會(huì)審,及時(shí)發(fā)現(xiàn)圖紙中存在的問(wèn)題,掌握設(shè)計(jì)圖紙中有關(guān)施工的各項(xiàng)注意事項(xiàng),并做好施工階段可能出現(xiàn)問(wèn)題的相對(duì)應(yīng)措施。

2)明確施工重點(diǎn)、要點(diǎn)、難點(diǎn)、預(yù)防點(diǎn),制定詳細(xì)、準(zhǔn)確、可操作性強(qiáng)的措施,確保澆筑順利完成。

3)制定詳細(xì)的施工組織設(shè)計(jì)和專(zhuān)項(xiàng)施工方案,明確流水作業(yè)程序、澆筑順序、作業(yè)進(jìn)度計(jì)劃。

4)確保混凝土施工所需的各種機(jī)具、原材料、人員齊全。確保混凝土公司連續(xù)供應(yīng)混凝土。

5)施工時(shí),必須對(duì)入模溫度進(jìn)行測(cè)量及控制。

a.控制混凝土在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不超過(guò)50 ℃;b.混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度之差不超過(guò)25 ℃;c.降溫速率不宜超過(guò)規(guī)范推薦值2.0 ℃/d;d.拆除保溫層時(shí),混凝土表面溫度與氣溫溫差不超過(guò)20 ℃。

6)施工前,標(biāo)記出澆筑部位結(jié)構(gòu)標(biāo)高控制點(diǎn),以控制澆筑高度。

2.2 混凝土底板中心最高溫度估算

本工程基礎(chǔ)采用C30混凝土澆筑,混凝土配合比為:碎石1 069 kg、砂774 kg、粉煤灰74 kg、礦粉74 kg、水泥223 kg。

水泥3 d水化熱取250 kJ/kg,7 d水化熱取290 kJ/kg。

水泥水化熱計(jì)算:Q0=4/(7/Q7-3/Q3)=4/(7/290-3/250)=330 kJ/kg。

K=K1+K2-1。

膠凝材料水化熱總量Q=k×Q0,式中調(diào)整系數(shù)k查表1,k=0.95[3]。

表1 不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)

膠凝材料水化熱總量Q=kQ0=0.88×330=290 kJ/kg。

混凝土最大絕熱溫升計(jì)算:

T=WQ×(1-e-mt)/(Cp)。

當(dāng)t∞時(shí),limT(t)=WQ×(1-e-mt)/(Cp)=WQ{1-2,718(-0.4×7)}/(Cp)=371×355×0.939 17/(0.96×2 390)=54 ℃。

其中,T為混凝土最大水化熱的絕熱溫升值,54 ℃;m為與水泥品種,澆筑溫度等有關(guān)系(可取0.3～0.4)d-1;Q為每千克水泥7 d水化熱量,kJ/kg,查表2求得Q=355 kJ/kg;C為混凝土的比熱容,在0.92 kJ/(kg·℃)～1.00 kJ/(kg·℃)之間,該工程取0.96;ρ為混凝土的質(zhì)量密度,取2 390 kg/m3;t為混凝土的齡期7 d;W為混凝土膠凝材料用量,371 kg/m3。

表2 水泥在不同期限內(nèi)的發(fā)熱量

混凝土中心溫度計(jì)算:

Tmax=T0+T(t)·ζ。

其中,Tmax為混凝土內(nèi)部中心最高溫度,℃;T0為入模溫度,取36 ℃;T(t)為每千克水泥在t齡期的絕熱溫升;ζ為不同澆筑塊厚度的降溫系數(shù)(板厚為2.5 m時(shí),查表得齡期3 d為0.65,6 d為0.62,9 d為0.57,12 d為0.48)。

Tmax=36+54=90 ℃。

T(3 d)max=36+54×0.65=71.1 ℃。

T(6 d)max=36+54×0.62=69.48 ℃。

T(12 d)max=36+54×0.48=61.92 ℃。

T(15 d)max=36+54×0.38=56.52 ℃。

溫差90-36=54 ℃>25 ℃。

2.3 保溫層厚度估算

雖然澆筑混凝土后絕對(duì)熱溫有明顯升高,但對(duì)于混凝土本身來(lái)說(shuō),由于外界因素的影響,具有明顯的散熱性,所以達(dá)不到絕對(duì)熱溫升值,相對(duì)來(lái)說(shuō)存在比較典型的降溫系數(shù)。

底板混凝土的養(yǎng)護(hù)宜采用塑料薄膜、棉氈等材料覆蓋保溫。在澆筑底板的過(guò)程中,確保澆筑完畢之后,大約在10 h之內(nèi)要對(duì)其進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的碾壓,特別是在初凝之前,要確保碾壓質(zhì)量得到顯著提升,同時(shí)也要做好打磨,確?；炷廖词账戤呏笠未旮?以此防范可能出現(xiàn)的收水裂縫問(wèn)題,同時(shí)也要有效應(yīng)用濕潤(rùn)的棉氈對(duì)其進(jìn)行覆蓋和養(yǎng)護(hù),以此體現(xiàn)出應(yīng)有的養(yǎng)護(hù)和保溫保濕效果,對(duì)于覆蓋保溫層的厚度,通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算[4]:

δ=0.5Hλ(Ta-Tb)/λ1(Tmax-Ta)×K。

其中,δ為保溫層所需厚度,cm;λ為保溫材料導(dǎo)熱系數(shù),棉氈取λ=0.14 W/(m·K);λ1為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),取λ1=2.3 W/(m·K);Ta為混凝土表面與保溫層接觸面溫度,取25 ℃;Tb為大氣平均溫度,取15 ℃;K為傳熱系數(shù)修正值,取K=1.3;H為混凝土底板厚度,H=2.5 m。

混凝土中心最高溫度Tmax=90 ℃。

計(jì)算得到:厚度δ=1.83 cm。

通過(guò)計(jì)算,獲得保溫層的厚度δ=1.83 cm,也就是說(shuō)確保其混凝土施工完畢之后,在底板層覆蓋與之相對(duì)應(yīng)的塑料薄膜,并且用棉氈進(jìn)行防護(hù),這樣可以使混凝土內(nèi)部和外部的溫度差距能夠得到有效控制,充分保證其質(zhì)量要求。

3 溫度控制措施

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)大體積混凝土施工,要注重對(duì)混凝土內(nèi)部檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)合理的布置,要充分體現(xiàn)出混凝土澆筑過(guò)程中的溫度,升降情況對(duì)其內(nèi)部和外部的溫差進(jìn)行有效控制,同時(shí)把握環(huán)境的具體溫度,以此進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的布置,這樣才能體現(xiàn)出科學(xué)性和可行性。

a基礎(chǔ)具體布置方法如下:

根據(jù)基礎(chǔ)平面選取具有代表性的位置安裝測(cè)溫點(diǎn),取互相垂直的兩條半軸線布置測(cè)溫點(diǎn),南北軸線橫向布置的測(cè)溫點(diǎn)為8個(gè),間距為2.65 m,東西軸線在北側(cè)橫向布置的測(cè)溫點(diǎn)為4個(gè),測(cè)溫點(diǎn)的間距為2.20 m,東西軸線在南側(cè)橫向布置的測(cè)溫點(diǎn)為4個(gè),測(cè)溫點(diǎn)的間距為1.98 m。測(cè)溫點(diǎn)共布置16個(gè)。沿混凝土澆筑體厚度方向,根據(jù)實(shí)際情況每隔0.6 m布置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn),上部測(cè)溫點(diǎn)距離板面50 mm,下部測(cè)溫點(diǎn)距離板底面50 mm處,控制測(cè)溫點(diǎn)和鋼筋的距離不小于30 mm。每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)豎向布置共5個(gè)點(diǎn)。測(cè)溫點(diǎn)的布置如圖1所示。

b基礎(chǔ)建北方向布置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn),東西方向布置2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。沿混凝土澆筑體厚度方向,根據(jù)實(shí)際情況每隔0.6 m布置一個(gè)測(cè)溫點(diǎn),上部測(cè)溫點(diǎn)距離板面50 mm,下部測(cè)溫點(diǎn)距離板底面50 mm處,控制測(cè)溫點(diǎn)和鋼筋的距離不小于30 mm。每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)豎向布置共5個(gè)點(diǎn)。測(cè)溫點(diǎn)的布置見(jiàn)圖2。

混凝土澆筑前提前預(yù)埋測(cè)溫元件,測(cè)溫元件選擇符合以下條件;

測(cè)溫元件的測(cè)溫誤差不應(yīng)大于0.3 ℃(25 ℃環(huán)境下);測(cè)試范圍-30 ℃～150 ℃;絕緣電阻應(yīng)大于500 MΩ;測(cè)溫元件在使用前,必須經(jīng)過(guò)試驗(yàn),以保證其在使用過(guò)程中不損壞。測(cè)溫元件接頭安裝位置應(yīng)牢固準(zhǔn)確。

3.2 混凝土養(yǎng)護(hù)降溫措施[5-8]

以6月份的氣候條件,混凝土抗裂計(jì)算結(jié)果是安全的,但外界的條件是在不斷的變化中,為了防止條件的變化造成混凝土的溫升變化,采用在混凝土基礎(chǔ)中設(shè)置水平循環(huán)冷卻水管,以隨時(shí)調(diào)控混凝土的內(nèi)部溫度。循環(huán)冷卻水管的制作與安裝:基礎(chǔ)采用φ48 mm普通鋼管(外徑)連通成循環(huán)體。在混凝土澆筑前進(jìn)行試水,檢查冷卻水管焊口的密實(shí)性。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蚝突A(chǔ)高度,a基礎(chǔ)、b基礎(chǔ)選擇兩層多回路水冷卻系統(tǒng)。冷卻水管分別布置在混凝土的0.8 m和1.6 m處。冷卻水管距混凝土邊緣距離為1.5 m,同層冷卻水管的凈距為1 m,并挖10 m×4 m×0.5 m的蓄水池。

循環(huán)冷卻水管降溫方法:混凝土達(dá)到初凝后,應(yīng)馬上使用水冷卻系統(tǒng),直到內(nèi)部最高溫度與表面溫度之差不大于25 ℃時(shí),控制每天降溫速率不宜大于2 ℃,方可暫停水冷卻作業(yè)。當(dāng)混凝土內(nèi)部最高溫度與表面溫度之差大于25 ℃時(shí),應(yīng)重新打開(kāi)水冷卻系統(tǒng)。循環(huán)水管進(jìn)、出口端各設(shè)置1個(gè)閥門(mén),并利用閥門(mén)水量和流速控制降溫速率。

為防止混凝土內(nèi)外溫差過(guò)大而產(chǎn)生裂縫,混凝土養(yǎng)護(hù)采用覆蓋保溫的方法。這種方法可以控制混凝土表面與內(nèi)部中心的溫差,使混凝土具有較高的抵抗溫度變形的能力(即抗裂能力),從而達(dá)到混凝土不開(kāi)裂的目的?；炷翝仓?表面應(yīng)至少收光三次。抹灰找平后,終凝前,應(yīng)根據(jù)計(jì)算使用相應(yīng)層數(shù)的塑料薄膜和棉氈?；炷翝仓瓿?4 h后安排2名測(cè)溫人員輪班開(kāi)始測(cè)溫,1 d～3 d中,每隔2 h測(cè)量并記錄每一測(cè)溫點(diǎn)不同深度的溫度,隨后每天中間隔4 h測(cè)量一次,并做好溫度記錄,直到混凝土測(cè)溫達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,停止測(cè)溫[9]。循環(huán)冷卻水管示意圖見(jiàn)圖3。

為了確保澆筑質(zhì)量,及時(shí)控制澆筑內(nèi)部溫度,入模時(shí)的溫度要實(shí)時(shí)測(cè)量,每個(gè)臺(tái)班不能少于三次。一般基礎(chǔ)混凝土中間的溫升會(huì)達(dá)到一個(gè)峰值,這個(gè)峰值略小于絕熱溫升。一般溫升峰值出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后的3 d～5 d,之后趨于穩(wěn)定,不再升溫,并逐漸開(kāi)始降溫。本工程a基礎(chǔ)采用C30混凝土澆筑,b基礎(chǔ)采用C35混凝土澆筑,混凝土內(nèi)摻膨脹劑,膨脹劑為低堿型,同時(shí)減少水泥用量,降低水化熱[10]。根據(jù)施工過(guò)程原材料的實(shí)際情況,及時(shí)調(diào)整配料比例,控制混凝土的坍落度,確?；炷潦┕べ|(zhì)量。

4 測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)分析

4.1 基礎(chǔ)中間點(diǎn)與表面測(cè)溫點(diǎn)分析

a基礎(chǔ)中以4號(hào)中間點(diǎn)、5號(hào)中間點(diǎn)、1號(hào)中間點(diǎn)、4號(hào)表面點(diǎn)為分析對(duì)象,b基礎(chǔ)中以3號(hào)中間點(diǎn)、4號(hào)中間點(diǎn)、5號(hào)中間點(diǎn)、3號(hào)表面點(diǎn)為分析對(duì)象,由圖4,圖5可得,處于混凝土中心的溫度,在澆筑完成24 h,開(kāi)始測(cè)溫后,溫度逐漸增加,20 h后達(dá)到最大,此時(shí),混凝土內(nèi)部水化熱達(dá)到極值,并持續(xù)一段時(shí)間,約20 h,隨后溫度開(kāi)始呈線性下降?；炷羶?nèi)部水化熱產(chǎn)熱速率降低,120 h后,溫度維持平穩(wěn)。

a基礎(chǔ)中以1號(hào)表面點(diǎn)、2號(hào)表面點(diǎn)、4號(hào)表面點(diǎn)、5號(hào)表面點(diǎn)為分析對(duì)象,b基礎(chǔ)中以1號(hào)表面點(diǎn)、2號(hào)表面點(diǎn)、3號(hào)表面點(diǎn)、4號(hào)表面點(diǎn)為分析對(duì)象,由圖6,圖7可得,處于混凝土表面測(cè)溫點(diǎn)的溫度,在澆筑完成后,開(kāi)始測(cè)溫后,溫度逐漸增加,20 h后達(dá)到最大,此時(shí),混凝土內(nèi)部水化熱達(dá)到極值,并持續(xù)一段時(shí)間,約20 h,隨后溫度開(kāi)始呈線性下降。變化趨勢(shì)與中間點(diǎn)一致。對(duì)a基礎(chǔ)中1號(hào)表面測(cè)點(diǎn)擬合y=-0.095 27+58.065,R2=0.889 68。b基礎(chǔ)1號(hào)表面測(cè)點(diǎn)擬合y=-0.106 11x+60.102,R2=0.807 09。

4.2 基礎(chǔ)底面測(cè)溫點(diǎn)分析

a基礎(chǔ)中以1號(hào)底面點(diǎn)、2號(hào)底面點(diǎn)、4號(hào)底面點(diǎn)、5號(hào)底面點(diǎn)為分析對(duì)象,b基礎(chǔ)中以1號(hào)底面點(diǎn)、2號(hào)底面點(diǎn)、3號(hào)底面點(diǎn)、4號(hào)底面點(diǎn)為分析對(duì)象,由圖8,圖9可得,處于混凝土底面測(cè)點(diǎn)的溫度,在澆筑完成后,開(kāi)始測(cè)溫后,溫度逐漸增加,30 h后達(dá)到最大,此時(shí),混凝土內(nèi)部水化熱達(dá)到極值,并持續(xù)一段時(shí)間,約20 h,隨后溫度開(kāi)始下降,下降幅度較緩慢。在測(cè)溫時(shí)間100 h以后,隨著循環(huán)冷卻水的打開(kāi)和閉合,底面溫度表現(xiàn)出上升和下降的波動(dòng)式降溫。對(duì)a基礎(chǔ)中5號(hào)底面測(cè)點(diǎn)擬合,得擬合方程式y(tǒng)=-0.029 05x+59.981,R2=0.856 78。b基礎(chǔ)2號(hào)底面測(cè)點(diǎn)擬合,得擬合方程式y(tǒng)=-0.109 77x+69.225,R2=0.939 9。

由圖10—圖13可得,大體積混凝土在降溫階段呈線性遞減規(guī)律。斜率分布在-0.186 4～-0.145 87之間。降溫速率大于2 ℃/d,最大值出現(xiàn)7.9 ℃/d,超過(guò)方案要求。平均值是4.3 ℃/d。最小值是1 ℃/d,出現(xiàn)在澆筑完成144 h后,為測(cè)溫末期。斜率為-0.083 33時(shí),降溫速率為2 ℃/d才符合要求。對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中,溫度控制沒(méi)有達(dá)到施工方案要求,混凝土內(nèi)部溫度降溫速率比較大,易引起混凝土內(nèi)部較大的溫度應(yīng)力,造成內(nèi)部出現(xiàn)裂紋,但根據(jù)最后施工質(zhì)量,大體積混凝土質(zhì)量為優(yōu),符合規(guī)范要求。

由圖14—圖17可得,大體積混凝土在降溫階段呈線性遞減規(guī)律。斜率分布在-0.207 98～-0.122 94之間。斜率為-0.083 33時(shí),降溫速率符合要求,降溫速率大于2 ℃/d,降溫速度最大值為4.99 ℃/d,超過(guò)規(guī)范要求。平均值3.96 ℃/d。最小值為2.95 ℃/d,為3號(hào)表面測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)施工過(guò)程中,溫度控制滿足施工方案要求,每天溫度降溫在2 ℃/d～4 ℃/d。曲線平均斜率-0.165 017 5,平均值3.96 ℃/d。溫度最大值84.9 ℃,在開(kāi)始測(cè)溫26 h時(shí)刻。測(cè)溫末期,溫度趨于穩(wěn)定,波動(dòng)幅度在3.2 ℃～7.1 ℃之間。通過(guò)對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析,可以為計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬分析混凝土降溫變化提供參考依據(jù)[11-13]。

4.3 中間點(diǎn)、表面點(diǎn)、底面點(diǎn)對(duì)比分析

以a基礎(chǔ)中具有代表性的4號(hào)測(cè)溫點(diǎn),b基礎(chǔ)中具有代表性的3號(hào)測(cè)溫點(diǎn)為分析對(duì)象,由圖18,圖19可得,同一時(shí)刻,最高溫度出現(xiàn)在中間,底面溫度大于表面溫度?；炷恋酌鏈囟然静唤禍?呈水平線分布。中間溫度和表面溫度降溫速率相同。最高溫度出現(xiàn)在開(kāi)始測(cè)溫后20 h。通過(guò)以上分析,充分掌握大體積混凝土溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律,有助于對(duì)大體積混凝土基礎(chǔ)的養(yǎng)護(hù),對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度控制,減緩混凝土表面的熱量擴(kuò)散,減少混凝土表面的溫度變化梯度,防止混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫,適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土整體散熱時(shí)間,充分發(fā)揮混凝土的強(qiáng)度,使混凝土的平均溫度差所產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度,防止產(chǎn)生貫穿裂縫,使混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度[14-15]。

5 結(jié)語(yǔ)

在工程實(shí)踐中,通過(guò)建立詳細(xì)的測(cè)溫制度,時(shí)刻跟蹤監(jiān)控溫度變化,根據(jù)溫度梯度的變化定性定量地指導(dǎo)混凝土養(yǎng)護(hù),控制降溫速率,以及采取有效的保溫保濕措施,確保了混凝土的均勻散熱,使混凝土的內(nèi)表溫差和表氣溫差均達(dá)到規(guī)范要求,雖然降溫速率有微小增大,但整個(gè)過(guò)程避免了溫度裂縫的產(chǎn)生,經(jīng)最終檢查,工程質(zhì)量為優(yōu)。通過(guò)實(shí)踐,得出以下結(jié)論:

1)大體積混凝土必須采取分層澆筑,連續(xù)進(jìn)行,中間間隔時(shí)間不能過(guò)長(zhǎng),需確保澆筑混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。

2)在高溫炎熱的環(huán)境中施工,要嚴(yán)格注重混凝土表面的保溫保濕,可以應(yīng)用麻布對(duì)其進(jìn)行覆蓋,避免表面因過(guò)快蒸發(fā)產(chǎn)生脫水問(wèn)題,養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,確保模板的接縫處得到濕潤(rùn)處理,避免干縮裂縫出現(xiàn)。

3)混凝土內(nèi)部溫度降溫速率不宜過(guò)大,應(yīng)時(shí)刻關(guān)注降溫速率,隨溫度變化,隨時(shí)調(diào)整冷卻循環(huán)水流速,避免因降溫溫度梯度過(guò)大,產(chǎn)生溫度裂縫。

4)在把握關(guān)鍵部位溫差的基礎(chǔ)之上,嚴(yán)格檢測(cè)內(nèi)部溫差,確保溫度梯度能夠在有效的范圍之內(nèi),可以適當(dāng)提高降溫速率,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),降溫速度2 ℃/d～4 ℃/d是可行的,可使養(yǎng)護(hù)周期有效縮短,同時(shí)要注重做好混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù),防范可能出現(xiàn)的問(wèn)題。