大體積混凝土風冷卻技術研究與應用

1、大體積混凝土降溫技術概述

大體積混凝土一般為結構斷面最小尺寸在80cm以上，同時水化熱引起混凝土內部的最高溫度與外界氣溫之差預計超過25℃的混凝土。水泥硬化產生大量水化熱引起的溫度應力一旦超過混凝土抗拉極限強度，便會導致裂縫的產生，影響結構的安全和耐久。因此，如何控制大體積混凝土水化熱升溫和混凝土結構內外溫差便成了大體積混凝土控制裂縫的關鍵。

通常，在大體積混凝土水化熱控制上有如下幾種方法：

（1）優化配合比：采用低水化熱水泥，配以合理的減水劑降低水泥用量來減少水化熱，在施工前期充分論證并輔以試驗即可。該方法最為經濟，但效果有限，一般作為輔助方法。

（2）冰水拌制混凝土：采用冰水替代常溫水拌制混凝土，降低入模初始溫度，效果明顯，該方法在歐洲和我國港澳地區應用較為廣泛，但成本較高。

（3）循環冷卻管道：在混凝土結構內安裝經計算的循環管道，在外部設置晾水池，混凝土澆搗及養護過程通過冷卻水帶走熱量。該方法成熟，廣泛應用于國內的大體積混凝土施工，成本較低。

2、大體積混凝土推廣的技術問題

目前，雖然我國大體積混凝土降溫技術日趨成熟，但優化混凝土配合比受當地技術條件限制；冰水混凝土造價高昂；循環管道冷卻法工藝復雜工期較長。這些方法很難在質量、工期及費用上達成統一。

在受到技術條件、工期及成本的制約下，風冷卻澆搗方法體現出較強的綜合優勢。作者以澳門銀河娛樂度假城工程為例來做進一步探討。

3、大體積混凝土風冷卻工程應用實例

3.1 工程概況

該工程混凝土全部采用澳門當地商品混凝土，運送車程約20分鐘，最高泵送高度30m。

3.2 配合比設計

受澳門當地混凝土技術及材料供應限制，高標號、低水化熱水泥以及強效減水劑等材料運用并不成熟，雖通過多次試配，但其溫升計算數據并不理想。

理論溫升計算如下:

Tmax=WQ/cρ =416*460240/1004.8*2400=79.3

Tmax——混凝土水化熱最高升溫

W——每立方米混凝土中水泥用量（kg/m3）

Q——每千克水泥最終水化熱量（J/kg），取Q 0 = 460240 J /kg（28 d的累計水化熱）

C——混凝土比熱，一般取1004.8J/(kg.℃)

ρ——混凝土的質量密度（2400 kg/m3）

T1max (t)=T0+T1(t)+Tmax.ξ=34+2+0.65*79.3=87.5℃

ξ ——到t齡期時，混凝土內部實際最高溫度與絕熱升溫的最高溫度的相關系數，按1天齡期并以試驗柱子2m×2m×2m為模型進行取值，ξ=0.65

T0 ——混凝土入模溫度，按施工時澳門當地平均氣溫取值，T0=34℃

T1(t)——到t齡期混凝土收縮當量溫差，通常可取T1(t)=2℃

當量溫差：水泥在硬化過程中，釋放水化熱的同時，混凝土便產生收縮變形，將這種變形量換算成相當于引起同樣變形量所需要的溫度。（如圖1）

該配合比強度能滿足要求，28d標準抗壓強度達到72N/mm2，但其水化熱導致的溫升會達87.5℃，超過了合約規范（英國BS規范）要求的最高85℃

通過現場2m×2m×2m試驗柱測試數據，中心最大溫度在28h達到最高89.1℃，鉆芯實測3d強度達58N/mm，早期強度發展過快，水化熱過高。（如圖2）（如圖3）

圖1 C60混凝土配合比

圖2 C60混凝土2m×2m×1m模擬測溫點分布

圖3 C60混凝土2m×2m×1m模擬（未采取降溫措施）測溫結果

3.3 降溫方案

在綜合考慮合約、技術因素后，采用了鼓風機—冷卻管道作為主要降溫措施的方法。

（1）估計通風量初步計算及估計，選用220V（2A）通風量為520m3/h的普通鼓風機作為風冷動力裝置。

（2）本工程大體積混凝土主要為2m×2m截面矩形柱，故選用L型Φ75黑鐵管埋入柱的幾何中心（溫度最高點）作為降溫冷卻管道。（如圖4）

（3）要求拌站根據計劃將砂、石子等原材料事先置于不被陽光直射的存儲區域，以盡可能降低混凝土本身初始溫度，并選擇在傍晚開始混凝土的澆搗，以降低其入模溫度。

（4）根據未采取降溫措施模擬柱測溫數據，鼓風機在混凝土入模0.5h間斷開啟，并隨著溫度下降，開啟頻率逐漸下降。

（5）鼓風機及電器開關需采取擋水措施，防止混凝土澆搗過程中短路。

（6）拆除模板后，采用噴涂專用養護劑進行養護。

（7）根據降溫曲線確定降溫實施時間為10d。

（8）降溫結束后，采用高一標號無收縮細石混凝土將冷卻管填充。

3.4 模擬試驗實測效果

采用與模擬柱相同的測溫點布置方案，并完全模擬施工過程，再次進行了驗證。（如圖5）

測試結果（如圖6），數據顯示，采取降溫措施后，構件溫度最高點由A點變為D點，且最高溫度由89.1℃降至74.8℃，最大溫差由56.5℃降至42.0℃。（如圖7）

3.5 實際效果

該工程4500m3C60大體積混凝土均采用上述風冷卻方法，實施效果良好，經現場實測，溫升、強度等指標均滿足要求，結構完成2年左右仍未發現異常裂縫。

圖4 風冷降溫措施示意圖

圖5 模擬試驗現場照片

圖6 采用風冷降溫措施構件前后最高溫度對比

圖7 采用風冷降溫措施構件前后最大溫差對比

4、風冷降溫的優點及尚待改進的問題

風冷卻混凝土成本較低，施工便利，經實例驗證，對于豎向構件降溫效果比較理想。根據港澳地區規范，滿足最高溫度不超過85℃的要求。同時，亦滿足國內GB50496-2009《大體積混凝土施工規范》中，溫升值不大于50℃的要求，相信在國內混凝土配制技術、材料更加成熟的條件下，該技術具有相當的推廣意義。

但仍有如下問題尚待研究：

（1）該方法僅曾在不超過6m高的豎向大體積構件的施工中進行驗證，對于大底板等橫向構件是否適合尚未驗證；

（2）暫時無成熟的風冷降溫計算理論公式支持，在施工前需做大量的試驗工作以確定工況；

（3）各風冷鼓風機在案例中仍采用人工控制，可考慮采用電腦自動控制降低工作強度。