預埋循環水管降低大體積混凝土溫度之探索

摘要:大體積混凝土水泥發生水化作用時，放出大量熱，當混凝土內外溫差大于25℃時，因溫度應力而導致混凝土裂縫。在混凝土內部預埋循環水管讓低溫水在預埋循環水管內流通，從而源源不斷地將混凝土中的熱能帶出，達到減小內外溫差的目的。

關健詞:預埋循環水管 降低水化熱

1 工程概況

本工程為北京金隅嘉業房地產開發公司開發，江蘇江都建設工程有限公司北京公司承建的南湖實業公司舊生活區改造8#、9#樓工程，建設地址位于北京市朝陽區花家地西里，總建筑面積82000平方米，地下二層，地上二十六層(其中裙房三層)。結構形式為全現澆鋼筋混凝土框支剪力墻結構，地基為CFG樁復合地基，底板厚1800MM，局部厚2700MM，混凝土強度等級為C50。工程合同開工日期為2003年2月18日，合同竣工日期為2004年11月24日。8#、9#樓工程為同類型工程，9#樓底板混凝土澆筑時間為4月6日，8#樓底板混凝土澆筑時間為5月21日，單棟底板混凝土方量約4500立方米。

2 工藝的特點

2.1 在混凝土內部預埋循環水管與傳統的在混凝土表面覆蓋保溫層相比宿短了工期，美化了環境，但增加成本費用。

2.2 在澆筑混凝土前必須試水，在澆筑混凝土時必須要對預埋循環水管加以保護，卻保管道完好。

3 取得的效益

3.1 由于采用了預埋循環水管不斷吸收水化熱，減少了混凝土表面的覆蓋保溫工序，從而提前工期8天。

3.2 避免了因工序等待而產生的2400個工日的閑置現象，從而挽回了近十萬元的損失。

3.3 為同類工程降低水化熱積累了豐富的經驗。

4 混凝土最大水化熱絕熱溫升值計算

Tmax’=Tmax’==63.8℃

mc——每立方米混凝土水泥用量，取390kg/m3;

Q——每千克水泥水化熱量，取377kJ/kg

C——混凝土的比熱在0.84~1.05之間，取0.96kJ/kg#8226;k;

ρ——混凝土的質量密度，取2400kg/m3

由上式計算的水化熱溫度為絕熱狀態下的混凝土溫升值，實際大體積混凝土并非完全處于絕熱狀態，而是處于散熱條件下，上下表面一維散熱，溫升值比按絕熱狀態下計算的要小，兩者的關系隨混凝土的厚度變化，即存在折減系數ξ値。根據經驗可知大體積混凝土的最大水化熱絕熱溫升值一般在齡期為4d時為最高，澆筑塊混凝土厚度取1.8m，查表可知ξ=0.54

故此，混凝土內部的溫度按下式計算:

Tmax=T0+ Tamx’ξ;Tmax——混凝土內部的最高溫度℃

T0——混凝土的澆筑入模溫度，取21℃;Tmax’——混凝土最大水化熱絕熱溫升值℃

ξ——不同澆筑塊混凝土厚度的溫降系數，

Tmax=21+63.8×0.54=55.45℃

5 溫差計算

Δt=(Tmax-tw) Bi=Bi==6.2

Δt——構件中心與表面的溫差;Tmax——構件內部溫度

tw——環境溫度，tw=21℃;

Bi——畢渥準則數，按下式計算

k——構件圍護層的傳熱系數，因混凝土表面覆蓋一層塑料薄膜，查有關資料可知k=12w/(m2#8226;k)

λ———混凝土導熱系數，取1.74w/(m#8226;k)

b——構件中心至表面的距離，b=0.9m

Δt=(55.45-21)=26.1>25

構件中心溫度與構件表面溫度差大于25℃時，則構件表面必須要用保溫材料加以覆蓋或在混凝土內部采用預埋鋼管循環冷卻水降溫的方式減小溫差，防止構件表面出現裂逢?？紤]到施工工期的因素，若構件表面采用保溫材料加以覆蓋則影響下道工序的施工，故選用在混凝土內部埋設鋼管運用循環水冷卻的方法。在水管冷卻時，混凝土溫度場的計算是一個相當復雜的問題?，F根據朱伯芳院士1957年提出的計算單根水管一期冷卻效果的算法，即把受一根水管冷卻的混凝土六棱柱體簡化為一等效圓柱體，并假設由于對稱性，混凝土柱體外表是絕熱的(忽略混凝土上下表面的散熱)。根據現場的實際情況，冷卻水溫度Tw等于混凝土初溫T0，設混凝土絕熱溫升為θ(τ )，在時間t時的絕熱溫升增量為△θ(τ)，由于水管冷卻，到時間t時，溫升為△θ(τ)ф(t-τ)，從0到t積分得到:

1—1

考慮單獨一根水管的冷卻問題，設混凝土圓柱體的直徑為D，長度為L，當Z=≤0.75時ф=e-bτ;b=ka/D2;k=2.09-1.35η+0.32η2;η=，式中τ為時間，a為混凝土導溫系數，λ為導熱系數，Cw為冷卻水比熱，ρw為冷卻水密度，qw為冷卻水流量。

把以上式代入式1-1，得到在時間t時混凝土平均溫度T(t)如下

1—2

根據指數型絕熱溫升公式θ(τ)=θ0(1-e-mτ)

其中θ0為最終絕熱溫升即Tmax’，m為常數，取0.384，微分得

=θ0#8226;me-mτ1—3

將1—3式代入1—2式積分得

T(t)=θ0#8226;φ(t) ;φ(t)=(e-bt-e-mt) 1—4

現設定布置在混凝土中的水管間距為60cm，水流量 qw=25000kg/d，管長L=4000m(上下布置兩根蛇形管)。

導溫系數a=λ/Cγ

式中:C—為材料表面的輻射系數W/(m2#8226;k4)，C=5.0

γ—為表觀密度，γ=2400kg/m3;λ取1.74

則a==0.0002;η=

取Cw=4.18kJ/kg，ρw=1000kg/m3，qw=25000kg/d

η==0.0001

k=2.09-1.35η+0.32η2=2.089，b=ka/D2

=2.09×0.0002÷0.62=0.0012

當混凝土齡期為4d時φ(t)=(e-bt-e-mt)=(e-0.0012×4-e-0.384×4)=1.003×0.78=0.782T(t)=θ0#8226;φ(t)

=63.8×0.782=49.9℃

則混凝土內部的溫度:Tmax’=To+T(t)ξ=21+49.9×0.54=47.95℃

內外溫差計算:Δt=(Tmax-tw)=×(47.95-21)=20.38<25℃

實際混凝土底板的上表面是散熱的，混凝土內部的溫度是小于Tmax=47.95℃的，由經驗可知，混凝土底板上表面的溫度一般比大氣溫度高10~15℃，取中間值12.5℃，則混凝土底板上表面的溫度為21+12.5=33.5℃，混凝土內外溫度差則為:47.95-33.5=14.45<25℃

6 結論

根據以上計算可知，混凝土不會出現因溫度應力而引起裂逢，從實際施工測溫的情況來看，所計算數據和實際測溫基本一致，故在大體積混凝土內預埋循環水管是可行的。

參考文獻:

[1]《建筑施工手冊》縮印本(第二版)中國建筑工出版社.1999年1月第二版.

[2]《建筑施工計算手冊》江正榮編著.中國建筑工業出版社.2001年7月第一版.

[3]《混凝土冬季施工》李東升，金正浩，蘇加林，程燕，王常義編著.中國水利水電出版社.2001年10月第一版.

[4]《混凝土冬季施工工藝》項翥行著.中國建筑工業出版社.1993年8月第一版.