水冷卻技術(shù)在地鐵車站大體積混凝土中的應(yīng)用

李少波

(廈門軌道交通集團(tuán)有限公司 福建廈門 361007)

0 引言

混凝土是建筑結(jié)構(gòu)中廣泛使用的主要材料，在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要的地位。我國《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》對大體積混凝土的定義為：混凝土結(jié)構(gòu)物中實體最小尺寸不小于1m部位所用的混凝土即為大體量混凝土，或者預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。

根據(jù)已完工的地鐵車站裂縫現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)地鐵車站結(jié)構(gòu)混凝土裂縫是個普遍現(xiàn)象，是難以根治的通病。地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)屬于大體積混凝土，大體積混凝土在施工中常見的質(zhì)量問題是溫度裂縫。裂縫產(chǎn)生原因是由于水泥水化過程產(chǎn)生大量的熱能。由于混凝土自身屬于絕熱材料，因內(nèi)外散熱條件不同，中心溫度高，表面溫度低，即形成溫度梯度，造成溫度變形和應(yīng)力。溫度應(yīng)力和溫差成正比，溫度越大，應(yīng)力越大，當(dāng)溫度應(yīng)力大于內(nèi)外約束應(yīng)力時則產(chǎn)生裂縫[1]。

本文通過在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部布置冷卻管，埋設(shè)應(yīng)變溫度監(jiān)測傳感器，通過實時監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度變化情況，降低了地鐵車站混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的水化熱量的影響。

1 工程概況

某地鐵車站為地下二、三層島式車站結(jié)構(gòu)。車站總長度約200m，最大車站總長度約達(dá)400m；車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度約20m；車站開挖深度約20m～25m；車站采用明挖順做法施工。地鐵車站整體側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)尺寸較大，宜分段進(jìn)行混凝土澆筑，劃分槽段后的單一板塊側(cè)墻澆筑長度約18m～22m，高度約6m，厚度約0.7m，屬于大體積混凝土施工范疇。地鐵車站側(cè)墻澆筑混凝土強(qiáng)度等級為C40。

2 冷卻水循環(huán)系統(tǒng)布置

為了減少大體積混凝土有害裂縫，在地鐵車站側(cè)墻內(nèi)部預(yù)埋冷卻管，管徑采用內(nèi)徑30mm、壁厚1mm的鐵皮管，間距約為1m蛇形布置。地鐵車站側(cè)墻結(jié)構(gòu)上部露出的管口與循環(huán)水箱相接，進(jìn)水口通水冷卻以降低混凝土內(nèi)部溫度，出水口則將吸收了混凝土澆筑時產(chǎn)生水化熱的熱量的水經(jīng)冷卻裝置再通入循環(huán)水箱，冷卻管布置及通水方式布置如圖1所示。

水循環(huán)目的是為了經(jīng)濟(jì)環(huán)保，重復(fù)利用。循環(huán)過程中使用的水泵、控制閥門等根據(jù)需要進(jìn)行裝配?；炷翝仓蠹皶r通水冷卻，且在升溫過程中不能停止通水。

圖1 地鐵車站側(cè)墻冷卻水循環(huán)系統(tǒng)布置示意圖

3 溫度與應(yīng)變傳感器監(jiān)測

測點位置應(yīng)能全面準(zhǔn)確地反映大體積混凝土溫度的變化情況以及應(yīng)變較大位置的變化情況。考慮地鐵車站側(cè)墻混凝土結(jié)構(gòu)空間的對稱性，將側(cè)墻長度均分為6份，布置5組測點，每組布置9個測點，共計45個測點。其中每組測點以自上而下布設(shè)3個測點，間距約1m；由表(與大氣環(huán)境相近的混凝土表面位置)至里(與車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)相近的內(nèi)部位置)依次布置3個測點，形成為3×3的布置方式，測點布置方式如圖2所示。感應(yīng)元件為預(yù)埋式混泥土應(yīng)變計(帶溫度監(jiān)測)。布置完成后進(jìn)行數(shù)據(jù)初測，確保感應(yīng)器有效?；炷翝仓⒄駬v過程中，注意保護(hù)感應(yīng)元件及測試引出線。

圖2 側(cè)墻長度、厚度方向傳感器布置示意圖

4 測試要求與檢測頻率

(1)實時監(jiān)測報告內(nèi)容包括：監(jiān)測時間、天氣情況、混凝土入模溫度、進(jìn)出水口溫度和溫差、實時進(jìn)水流量、各測溫點的溫度數(shù)據(jù)和降溫速率、大氣溫度、內(nèi)表溫差。

(2)混凝土入模溫度不宜低于5℃。入模溫度的測量，每臺班不少于2次。

(3)通水過程對進(jìn)出口水溫度、混凝土溫度、混凝土溫度、應(yīng)變進(jìn)行測量測量，并作好記錄，監(jiān)測頻率：前4d每2h測一次，5d～8d每4h測一次，9d～14d每8h測一次，15d每天測一次[2]。

(4)冷卻管停止通水后，每天測量一次混凝土的溫度。

(5)混凝土結(jié)構(gòu)表面以內(nèi)50m位置的溫度與中心點溫度之間溫差，連續(xù)3d小于20℃時停止監(jiān)測。

(6)數(shù)據(jù)采集完畢后進(jìn)行匯總，并繪制相關(guān)變化曲線圖。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)表明:在混凝土水化熱反應(yīng)過程中,混凝土體內(nèi)部溫度變化為高度非線性,僅通過試驗來評估溫度應(yīng)力裂縫控制方案,可靠度低。采用有限元對控溫試驗進(jìn)行數(shù)值仿真,結(jié)果僅與試驗結(jié)果存在較小誤差，可信度較高，并可通過其他實際工程測試數(shù)據(jù)對仿真模型參數(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化、改進(jìn)[3]。

本文依托廈門軌道交通工程地鐵車站為工程實例，對地鐵車站側(cè)墻混凝土澆筑階段、養(yǎng)護(hù)階段的溫度和裂縫情況進(jìn)行分析。

5.1 有無布置冷卻管下溫度峰值變化比較分析

為了分析水冷卻技術(shù)對混凝土溫度峰值的影響，分別測試了布置冷卻水管和未布置冷卻水管的側(cè)墻混凝土溫度峰值隨時間的變化情況。

圖3給出的是有無布置冷卻管情況下，地鐵車站側(cè)墻澆筑后升溫過程達(dá)到峰值的溫度-時間變化曲線圖。在布置了冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)中，混凝土澆筑時間在夏季，日均溫度32℃，混凝土入模溫度33℃，在澆筑后24h時，溫度達(dá)到峰值66.9℃，此時刻大氣溫度為39℃，與峰值相差27.9℃。在未布置冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)中，混凝土澆筑時間在春季，日均氣溫20℃，混凝土入模溫度26.9℃，在澆筑后28h時，溫度達(dá)到峰值55.5℃，此時刻大氣溫度為21℃，與峰值相差34.5℃。兩者達(dá)到溫度峰值的時間相差4h左右，且前者與大氣環(huán)境溫度差值較小。此見，混凝土在澆筑過程中產(chǎn)生的水化熱量，一部分被冷卻水帶出，致使升溫過程加速結(jié)束；而未布置冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)，水化熱無法及時散去。水冷卻技術(shù)正是改變混凝土內(nèi)部的散熱條件，進(jìn)而控制了混凝土內(nèi)部溫度的繼續(xù)上升。

圖3 有無冷卻管下溫度峰值-時間變化曲線圖

5.2 單一槽段側(cè)墻內(nèi)表溫度差變化分析

圖4給出的是布置冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)各時段內(nèi)表與大氣溫度-時間變化曲線圖。在混凝土施工測溫要求中，澆筑過程中混凝土內(nèi)部相鄰兩個測點間溫差不宜超過25℃，拆模養(yǎng)護(hù)階段混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度與大氣溫度差值不應(yīng)大于20℃。

取槽段側(cè)墻結(jié)構(gòu)中間部位測點為例(其余各組數(shù)據(jù)變化趨勢類似)，混凝土內(nèi)部相鄰測溫點間最大溫差為5.5℃，遠(yuǎn)小于測溫要求中的25℃，滿足混凝土施工要求?，F(xiàn)場拆模時間在混凝土澆筑后72h，拆模后混凝土表面溫度為41.3℃，大氣溫度為30℃，差值為11.3℃，小于20℃要求；后續(xù)監(jiān)測過程中表面與大氣溫差最大為14.3℃，未超出規(guī)范要求的20℃。分析計算得知，采用合適的配合比，嚴(yán)格控制混凝土入模溫度，采取適當(dāng)?shù)拇胧┛刂苹炷羶?nèi)外溫差，是降低混凝土水化熱與控制混凝土的內(nèi)外質(zhì)量關(guān)鍵[4]。

圖4 有無布置冷卻管下溫度-時間變化曲線圖

5.3 有無布置冷卻管下裂縫發(fā)展分析

圖5～圖6給出了有無布置冷卻管情況下，地鐵車站側(cè)墻觀測到的裂縫情況。圖中顯示，在有布置冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生了4條裂縫，裂縫寬度約0.2mm；在未布置冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生了8條裂縫，裂縫寬度在0.12mm～0.46mm間不等，且多為通長裂縫。在數(shù)量上看，布置了冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)裂縫數(shù)量會明顯少于未布置冷卻管的側(cè)墻結(jié)構(gòu)，表明了采用水冷卻技術(shù)能有效地減少裂縫發(fā)生。

圖5 有布置冷卻管下裂縫分布圖

圖6 無布置冷卻管下裂縫分布圖

6 結(jié)論

通過水冷卻技術(shù)在地鐵車站大體積混凝土中的應(yīng)用，現(xiàn)場測試和分析結(jié)果可以得到以下結(jié)論：

(1)水冷卻技術(shù)能改善混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部散熱條件，控制混凝土內(nèi)部溫度升溫過程，降低混凝土內(nèi)部升溫過程的溫度峰值。

(2)采用布置冷卻管措施，混凝土內(nèi)部溫差變化較小，混凝土表面與大氣溫差不超過20℃，能滿足大體積混凝土施工要求。

(3)水冷卻技術(shù)在混凝土內(nèi)部能有效地改善了溫度梯度，有效地減少混凝土表面裂縫數(shù)量[5]。