大體積混凝土水化熱溫度控制及監(jiān)測

馮太坤 余圣愛 曾玉昆 鄭道林

摘要 大體積混凝土在施工過程中由于水化反應(yīng)釋放的水化熱，可能導(dǎo)致溫度升高，進(jìn)而引起混凝土內(nèi)部溫度裂縫的發(fā)生。為了確保大體積混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，文章以承臺大體積混凝土為研究對象，闡述承臺大體積混凝土在水化過程中所采用的溫控原則及控制措施，同時(shí)，對施工全過程現(xiàn)場溫度監(jiān)測方法進(jìn)行研究，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑與養(yǎng)護(hù)期間溫度控制和耐久性提升提供參考。

關(guān)鍵詞 混凝土裂縫；大體積混凝土；溫度控制；溫度監(jiān)測

中圖分類號 TU755文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0046-04

0 引言

大體積混凝土作為一種常用建筑結(jié)構(gòu)材料，呈現(xiàn)出大體量、低表面系數(shù)、水泥水化熱集中釋放等特點(diǎn)。這種混凝土在施工過程中會經(jīng)歷溫度變化和收縮，容易導(dǎo)致有害裂縫的產(chǎn)生，因此，需要采取特殊措施以保障結(jié)構(gòu)安全和正常使用。大體積混凝土作為一種重要的結(jié)構(gòu)形式，在高層建筑基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)和水利大壩等工程中得到了廣泛應(yīng)用。由于大體積混凝土體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其溫度場研究具有重要意義[1-2]。

1 大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因有多種，主要包括以下三點(diǎn)[3]：

（1）當(dāng)水泥進(jìn)行水化反應(yīng)時(shí)，會釋放出眾多的熱能，導(dǎo)致混凝土的內(nèi)部溫度上升。因?yàn)榇笮偷幕炷辆哂休^厚的斷面，這些水化反應(yīng)的熱能難以從其內(nèi)部散去，所以，混凝土的最高溫度通常會出現(xiàn)在澆筑完成的3～5 d。在混凝土的內(nèi)外溫度差異較大的情況下，可能會出現(xiàn)溫度應(yīng)力，而如果混凝土的抗壓能力無法承受這種應(yīng)力，那么就可能出現(xiàn)溫度裂縫。

（2）當(dāng)混凝土發(fā)生變形時(shí)，會有所限制，從而妨礙其變形。由于大體積混凝土和地基的共同施工，下層地基的限制將使得混凝土容易出現(xiàn)裂縫。

（3）施工期間外界氣溫對大體積混凝土也極為重要。隨著外部溫度的升高，混凝土的澆筑溫度也會相應(yīng)提高；而當(dāng)外部溫度下降，也會增加外部混凝土與內(nèi)部混凝土之間的溫度差異，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，導(dǎo)致大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。

2 大體積混凝土水化熱溫度控制

2.1 大體積混凝土水化熱溫度控制原則

大體積混凝土溫度控制是確保混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全的重要方面。以下是大體積混凝土水化過程中溫度控制的原則：

（1）控制混凝土入模溫度以降低混凝土在水化過程中內(nèi)部溫度峰值。

（2）控制混凝土的最大絕熱溫升，延緩混凝土內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)時(shí)間。

（3）通過保溫保濕措施控制混凝土在溫峰過后的降溫速率。

（4）減少混凝土內(nèi)外、新澆與現(xiàn)澆混凝土之間的溫差，并控制混凝土表面與周圍空氣溫度之差。

2.2 大體積混凝土水化熱溫度控制措施

該文旨在詳細(xì)探討混凝土施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，包括配比設(shè)計(jì)、澆筑、振搗、通水和養(yǎng)護(hù)等方面的全面控制措施[4]。這些步驟的細(xì)致執(zhí)行，旨在實(shí)現(xiàn)對混凝土質(zhì)量、內(nèi)部最高溫度、內(nèi)表溫差以及表面約束的有效管理，從而達(dá)到對溫度裂縫形成及發(fā)展的精準(zhǔn)控制目的，溫控實(shí)施流程見圖1。

2.2.1 配合比優(yōu)化

（1）通過使用新型膠粘材料，減少水泥的使用以減少水化反應(yīng)的熱能。在保證混凝土的工作性能和強(qiáng)度的前提下，盡可能地降低膠凝材料的使用量和漿料的比例，用于增強(qiáng)混凝土的體積穩(wěn)定性和抗裂性。

（2）挑選合適的水膠比，并且管理好最大的用水量。把混合水的最大使用量視為衡量混凝土耐久性的關(guān)鍵參數(shù)，這對于管理最大的水膠比例來說更具優(yōu)勢。因?yàn)閮H僅控制水膠比例無法消除由于混凝土中漿料過多導(dǎo)致的收縮、水化熱升高等不良效果。

（3）使用礦物摻和料和高效減水劑進(jìn)行雙重?fù)饺?。礦物摻和料有助于優(yōu)化混凝土中微小顆粒的排列，增加了漿料和接觸表面的緊湊程度；優(yōu)化了混凝土的施工性能；減少了因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)導(dǎo)致的混凝土內(nèi)部的溫度上升；優(yōu)化了膠凝材料的成分，增加了對化學(xué)介質(zhì)侵蝕的抵御能力。通過礦物摻和料和高效減水劑的聯(lián)合作用，降低水泥和水的消耗，從而提升混凝土的強(qiáng)度和持久性。

2.2.2 澆筑溫度控制

結(jié)合混凝土澆筑現(xiàn)場施工條件，計(jì)算出輸送和澆筑混凝土?xí)r的溫度變化。

若施工工期為夏季，設(shè)置遮陽棚、制冷水噴射等方法對集料進(jìn)行降溫，并將集料的溫度控制在低于空氣溫度5 ℃；通過提前兩周的備料和延長貯存期，可以將水泥的溫度控制在≤60 ℃，粉煤灰和礦渣粉的溫度控制在50 ℃以下。并采用冷水和片冰用于拌和混凝土，見圖2。

依據(jù)工程實(shí)踐，每添加10 kg的冰塊至少可以使新澆筑的混凝土溫度下降1 ℃。冰塊的添加量會根據(jù)環(huán)境溫度和澆筑溫度的需求而變化，最大的冰塊添加量應(yīng)為水量的50%。應(yīng)該考慮最大的冰塊添加量對大型混凝土出口溫度的預(yù)估。

2.2.3 埋設(shè)冷卻水管

冷卻水管的埋設(shè)對大體積混凝土溫度控制至關(guān)重要，承臺混凝土通水要求見表1，冷卻水管的使用與控制如下：

（1）通過使用分水器把各個(gè)層次的水管從水箱中分離出來，并在分水器上配備適當(dāng)數(shù)量的獨(dú)立水閥，以便對各層水管的冷卻水流量進(jìn)行控制。

（2）在使用冷卻水管之前，需要進(jìn)行壓水測試，避免管道出現(xiàn)泄漏或阻塞的情況。

（3）各層的冷卻水管要在混凝土蓋住這一層的冷卻水管和振搗完成后才能通水。在溫峰之后，應(yīng)該減少排水，避免因混凝土快速冷卻產(chǎn)生的溫度應(yīng)力積累而產(chǎn)生裂縫。

（4）控制進(jìn)出水溫度。冷卻水管入水口水溫與出水口水溫之差≤10 ℃，并且在進(jìn)出水口溫差較大時(shí)，通過倒換進(jìn)出水口，使混凝土均勻降溫。冷卻水與內(nèi)部混凝土的溫差不應(yīng)大于25 ℃（采用大型儲水箱，利用出水溫度調(diào)整進(jìn)水溫度），降溫速率控制在2 ℃/d（初期3 ℃/d）。

（5）冷卻水流量根據(jù)測溫結(jié)果確定。在混凝土升溫階段，進(jìn)水的流量要大于0.65 m/s，并產(chǎn)生紊流；在降溫階段，可采用水閥門控制實(shí)現(xiàn)減速供水，將速度降低一半，使水流變得平緩，處于層流狀態(tài)。

（6）在混凝土養(yǎng)護(hù)工作完畢之后，利用空氣壓縮機(jī)將其中的剩余水分排出并使其干燥，接著使用壓漿機(jī)對水管施加與混凝土相同標(biāo)號的水泥漿，以此來密封管道。

2.2.4 冷卻水管智能循環(huán)控制系統(tǒng)

承臺采用冷卻水管智能循環(huán)控制系統(tǒng)，對冷卻水管進(jìn)行智能化、自動化管理。

冷卻水管自動控制系統(tǒng)主要通過無線控制閥門、無線流量計(jì)、無線接收發(fā)送裝置等組成，可根據(jù)現(xiàn)場需要選擇在進(jìn)水水箱安裝加熱裝置，控制進(jìn)水溫度，系統(tǒng)流程見圖3。

冷卻水管循環(huán)控制系統(tǒng)主要是通過對支管水管的閥門檔位進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整，依據(jù)實(shí)體部件的內(nèi)部溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，對各個(gè)支管流量進(jìn)行個(gè)性化和精確度的調(diào)整。通過調(diào)整在溫峰前能有效地壓制溫峰，溫峰后通過水管調(diào)整，控制混凝土的降溫速率不高于2 ℃/d。冷卻水管智能循環(huán)控制系統(tǒng)邏輯見圖4。

3 現(xiàn)場溫度監(jiān)測

為了確保施工品質(zhì)和溫度管理的有效性，獲取相關(guān)的溫度管理數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)信息化的建設(shè)，需對混凝土的溫度進(jìn)行監(jiān)控。若溫度管理的效果不理想，無法滿足溫度管理的要求，必須立即實(shí)施補(bǔ)救措施；如果混凝土的溫度遠(yuǎn)低于溫度管理的上限，則降低溫度管理的力度，防止資源的浪費(fèi)。

3.1 現(xiàn)場溫度監(jiān)測內(nèi)容及要求

通過大體積混凝土的溫度場計(jì)算，可以從理論上掌握大體積混凝土的內(nèi)部溫度、溫度應(yīng)力的演化規(guī)律，然而，由于理論計(jì)算采用的參數(shù)和計(jì)算模型與實(shí)際工程中的大體積混凝土并不相同，因此，必須對施工過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。溫度監(jiān)測內(nèi)容包括混凝土溫度場測量與環(huán)境體系溫度測量兩方面。

3.2 溫度場監(jiān)測

在大體積混凝土的溫度控制中，溫度場的監(jiān)控是一項(xiàng)非常重要的工作。對建筑物尺度和溫度場的分布特性應(yīng)加以考慮，通過合理布置一定數(shù)量的溫度傳感器以確保監(jiān)測工作的合理展開，同時(shí)確保溫度測點(diǎn)的設(shè)置具有代表性，既要強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵點(diǎn)，又要考慮整體情況，監(jiān)測大塊混凝土中的溫度變化，以指導(dǎo)實(shí)施或調(diào)節(jié)溫控措施，確保溫度控制指標(biāo)達(dá)到預(yù)期。溫控監(jiān)測流程見圖5。

3.3 環(huán)境體系溫度監(jiān)測

環(huán)境體系溫度測量包括環(huán)境氣溫、冷卻水進(jìn)水、出水溫度。在水管進(jìn)水口、出水口等關(guān)鍵位置布置溫度傳感器，測量冷卻水的溫度。

3.4 監(jiān)測元件布置原則

施工期間，需要對混凝土的出模溫度、澆筑溫度、冷卻水進(jìn)出水溫度、外界溫度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對其進(jìn)行適時(shí)的調(diào)節(jié)和優(yōu)化?；炷羶?nèi)部溫度測點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)遵循以下幾個(gè)原則：

（1）在構(gòu)件對稱性的基礎(chǔ)上，選擇1/4的構(gòu)件作為檢測點(diǎn)，將監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在結(jié)構(gòu)豎向的中部以及頂?shù)酌妗?/p>

（2）根據(jù)溫度場的分布情況，對測溫點(diǎn)在高程上的間距進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使其與管道之間的距離大于25 cm。

（3）在評價(jià)過程中要充分考慮溫度控制指數(shù)。測溫測點(diǎn)的設(shè)置主要有：外表測溫點(diǎn)（布置在構(gòu)件中部的短邊長邊的中線上5 cm）、內(nèi)部測溫點(diǎn)（設(shè)置在構(gòu)件中部）。

3.5 溫度監(jiān)測頻率及要求

混凝土溫度監(jiān)測頻率和記錄要求如下：

（1）混凝土入模溫度監(jiān)測：每次澆筑時(shí)監(jiān)測2次。

（2）澆筑塊體溫度場監(jiān)測：環(huán)境溫度、冷卻水進(jìn)水、

出水溫度和內(nèi)部溫度在升溫期間每2 h測量一次，在降溫過程中的第一周，每4 h測量一次，然后在一周之后，選擇一天中的一個(gè)典型的溫度變化周期，每天監(jiān)測2～4次。特殊情況下，如大風(fēng)或氣溫驟降期間，適當(dāng)增加監(jiān)測次數(shù)。

（3）溫度監(jiān)測持續(xù)時(shí)間：當(dāng)混凝土的內(nèi)部最高溫度與環(huán)境溫度之差連續(xù)3 d＜25 ℃時(shí)，且降溫速率≤2 ℃/d、內(nèi)表溫差≤25 ℃時(shí)，即可終止溫度監(jiān)測。溫度監(jiān)測持續(xù)時(shí)間一般不少于14 d。

4 結(jié)束語

大體積混凝土的施工質(zhì)量對結(jié)構(gòu)的整體品質(zhì)具有重要的影響。因此，有必要從多個(gè)方面對大體積混凝土的施工技術(shù)進(jìn)行全面深入分析。該文結(jié)合大體積混凝土溫度控制經(jīng)驗(yàn)以及溫度監(jiān)測管理，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)：

（1）大體積混凝土水化熱溫度可通過配合比優(yōu)化、澆筑溫度控制及冷卻水管布置等方面進(jìn)行控制，從而對溫度裂縫形成及發(fā)展進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

（2）采用冷卻水管智能循環(huán)控制系統(tǒng)可對冷卻水管進(jìn)行智能化、自動化管理。

（3）現(xiàn)場溫度監(jiān)測工作的合理開展可確保施工品質(zhì)和溫度管理的有效性，從而實(shí)現(xiàn)信息化施工建設(shè)。

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