實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土早期溫度發(fā)展特征與凝結(jié)時(shí)間關(guān)系

費(fèi)曉春，李 明，王方剛，徐 文

(1.中國(guó)中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，蘇州 215131；2.江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司,高性能土木工程材料國(guó)家 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210008；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，南京 211103)

0 引 言

與實(shí)驗(yàn)室單一因素、標(biāo)準(zhǔn)條件相比，實(shí)體混凝土自澆筑后即處于水化-溫度-濕度-約束的多場(chǎng)耦合作用環(huán)境[1-2]，因此，直接利用實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的凝結(jié)時(shí)間結(jié)果并不能很好的滿足實(shí)際工程施工需求，若忽視室內(nèi)測(cè)試的凝結(jié)時(shí)間與實(shí)體結(jié)構(gòu)凝結(jié)時(shí)間存在的差別，容易在澆筑過程中因?qū)嶓w結(jié)構(gòu)混凝土凝結(jié)時(shí)間顯著縮短不利于振搗而出現(xiàn)冷縫或板類結(jié)構(gòu)抹面時(shí)機(jī)把握不準(zhǔn)確而出現(xiàn)鼓包的現(xiàn)象。此外，實(shí)體結(jié)構(gòu)凝結(jié)時(shí)間的確定也有助于實(shí)體結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)變形零點(diǎn)的選取[3-4]，為補(bǔ)償收縮類膨脹材料在實(shí)體變形的補(bǔ)償效果評(píng)價(jià)提供支撐。

實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土溫度發(fā)展受膠凝材料水化放熱與結(jié)構(gòu)散熱的影響[5]，通常情況下，在凝結(jié)前的塑性階段，膠材水化速度較慢，實(shí)體結(jié)構(gòu)的溫升速率也較小，混凝土凝結(jié)后，膠凝材料水化處于加速期，混凝土溫升速率發(fā)展迅速。因此，混凝土早期溫度發(fā)展歷程在一定程度上可反映出實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土的凝結(jié)時(shí)間。已有的研究根據(jù)室內(nèi)試件[6-8]或?qū)嶓w混凝土變形特征[9]進(jìn)行混凝土凝結(jié)時(shí)間的確定，鑒于實(shí)體結(jié)構(gòu)溫度監(jiān)測(cè)的便利性，本文則根據(jù)大量實(shí)體工程監(jiān)測(cè)結(jié)果，基于早期溫度發(fā)展特征反演推算出實(shí)體結(jié)構(gòu)凝結(jié)時(shí)間，同時(shí)將反演結(jié)果與室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)條件及現(xiàn)場(chǎng)同條件測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了比較，為工程施工方案的制定提供參考。

1 工程基本概況

基于大量的工程實(shí)踐積累，統(tǒng)計(jì)了城市軌道交通工程地下車站側(cè)墻、現(xiàn)澆隧道底板、側(cè)墻、頂板及橋梁索塔實(shí)心段等工程混凝土實(shí)體溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35、C40、C50，厚度為0.7 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.6 m、3 m，采用鋼模板。工程基本概況見表1。在實(shí)體結(jié)構(gòu)中心位置埋設(shè)溫度探頭，必要時(shí)在墻體結(jié)構(gòu)中心位置對(duì)應(yīng)的內(nèi)、外側(cè)表處(距離表面約5 cm)及板類結(jié)構(gòu)中心對(duì)應(yīng)的底部及頂部上表處(距離底面或上表面約5 cm)同時(shí)埋設(shè)溫度探頭，采用混凝土溫度-應(yīng)變無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采集頻率設(shè)置為0.5 h/次或1.0 h/次。

表1 工程基本概況Table 1 Basic information of the projects

2 結(jié)果與討論

2.1 不同結(jié)構(gòu)混凝土早期溫度發(fā)展歷程

針對(duì)墻體、板類等典型結(jié)構(gòu)，根據(jù)工程進(jìn)展情況，對(duì)不同季節(jié)施工的側(cè)墻、頂板、底板等混凝土結(jié)構(gòu)中心點(diǎn)進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)，統(tǒng)計(jì)分析不同厚度結(jié)構(gòu)混凝土溫升階段監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖1～圖7所示。結(jié)果表明，混凝土中心點(diǎn)溫度發(fā)展歷程受自身因素如配合比及周圍散熱條件如模板類型、結(jié)構(gòu)形式及厚度、施工季節(jié)等因素的影響，整體上隨強(qiáng)度等級(jí)的提高及結(jié)構(gòu)厚度的增大而表現(xiàn)出早期溫升速率加快及溫峰值增高。不同結(jié)構(gòu)混凝土中心測(cè)點(diǎn)溫度增長(zhǎng)規(guī)律復(fù)合Boltzmann增長(zhǎng)曲線，曲線上存在明顯的轉(zhuǎn)折特征區(qū)域，新拌混凝土澆筑后開始的一段時(shí)間內(nèi)溫度增長(zhǎng)緩慢或者說可以忽略不計(jì)，超過一定時(shí)間后迅速增長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)混凝土中心測(cè)點(diǎn)溫度增長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)力來自膠凝材料的水化放熱，在此過程中伴隨結(jié)構(gòu)的形成，混凝土由塑性階段向硬化階段轉(zhuǎn)變。考慮到凝結(jié)前水化反應(yīng)速度較慢，相應(yīng)的水化放熱造成的溫升驅(qū)動(dòng)力較弱，隨著水化反應(yīng)進(jìn)入加速期而開始快速放熱并帶來快速的溫升，混凝土結(jié)構(gòu)也隨之形成。因此，結(jié)構(gòu)混凝土早期溫度發(fā)展歷程可反映出實(shí)體結(jié)構(gòu)的凝結(jié)時(shí)間。

圖1 工況A 側(cè)墻中心溫度
Fig.1 Center temperature of sidewall under construction condition A

圖2 工況B1側(cè)墻中心溫度
Fig.2 Center temperature of sidewall under construction condition B1

圖3 工況B2側(cè)墻中心溫度
Fig.3 Center temperature of sidewall under construction condition B2

圖4 工況B3側(cè)墻中心溫度
Fig.4 Center temperature of sidewall under construction condition B3

圖5 工況B4頂板中心溫度
Fig.5 Center temperature of roof under construction condition B4

圖6 工況B5底板中心溫度
Fig.6 Center temperature of bottom plate under construction condition B4

圖7 工況C索塔實(shí)心段中心溫度Fig.7 Center temperature of cable tower under construction condition C

結(jié)合水泥水化反應(yīng)特點(diǎn)及實(shí)體結(jié)構(gòu)溫度增長(zhǎng)規(guī)律，則溫度開始明顯增長(zhǎng)可作為實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土初凝時(shí)間(ti)，溫度開始快速增長(zhǎng)可作為實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土終凝時(shí)間(tf)。忽略混凝土生產(chǎn)及運(yùn)輸時(shí)間，以混凝土自澆筑開始作為零點(diǎn)，對(duì)溫升階段中心測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)展曲線進(jìn)行微分處理。結(jié)果表明，dT/dt微分曲線規(guī)律同水泥水化反應(yīng)規(guī)律類似，因此，可較為直觀的根據(jù)中心測(cè)點(diǎn)溫度微分曲線推算出實(shí)體結(jié)構(gòu)凝結(jié)時(shí)間。由圖1可推算出0.7 m厚側(cè)墻中心點(diǎn)混凝土初凝、終凝分別為13.0 h、14.0 h，由圖2可推算出1.1 m厚側(cè)墻中心點(diǎn)混凝土初凝、終凝分別為5.5 h、6.5 h，由圖3可推算出1.3 m厚側(cè)墻中心點(diǎn)混凝土初凝、終凝分別為15.0 h、17.0 h，由圖4可推算出1.5 m厚側(cè)墻中心點(diǎn)混凝土初凝分別為14.0 h、17.0 h，由圖5可推算出1.3 m厚頂板中心混凝土初凝、終凝分別為16.0 h、 18.0 h，由圖6可推算出1.6 m厚底板中心混凝土初凝、終凝分別為6.0 h、8.0 h，由圖7可推算出實(shí)心段中心混凝土初凝、終凝分別為4.5 h、6.0 h。受混凝土配合比、結(jié)構(gòu)尺寸及散熱條件的影響，初凝時(shí)，混凝土已溫升約1～3℃，終凝時(shí)，混凝土已溫升約2～4 ℃。

2.2 不同測(cè)點(diǎn)混凝土早期溫度歷程

針對(duì)墻體及板類結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在側(cè)墻內(nèi)、外側(cè)表及頂板底部、上表同步進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)，選取的工況B3某現(xiàn)澆隧道1.5 m厚側(cè)墻，其內(nèi)側(cè)表與地連墻相接，外側(cè)采用鋼模板。圖8(a)為側(cè)墻混凝土內(nèi)側(cè)表早期溫度監(jiān)測(cè)及微分處理結(jié)果，結(jié)果表明，內(nèi)側(cè)表溫度增長(zhǎng)規(guī)律與中心測(cè)點(diǎn)增長(zhǎng)規(guī)律相同，最大溫升值小于中心測(cè)點(diǎn)。根據(jù)溫度發(fā)展歷程推算的初凝、終凝分別為14.0 h、17.0 h，與圖4所得結(jié)果相同。圖8(b)為側(cè)墻混凝土外側(cè)表早期溫度監(jiān)測(cè)及微分處理結(jié)果，結(jié)果表明，由于鋼模板散熱較好，外側(cè)表溫度發(fā)展受周圍環(huán)境溫度、拆模及保溫養(yǎng)護(hù)措施的影響較大，但早期仍存在快速增長(zhǎng)的階段，據(jù)此推算該測(cè)點(diǎn)附近混凝土初凝、終凝分別為16.0 h、19.0 h，較中心及內(nèi)側(cè)點(diǎn)延長(zhǎng)2.0 h。選取的工況B4某現(xiàn)澆隧道1.3 m頂板，其底部為鋼模板，頂部二次抹面后覆蓋帶塑料內(nèi)膜的土工布進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，底部及上表測(cè)點(diǎn)混凝土早期溫度監(jiān)測(cè)及微分處理結(jié)果如圖9(a)、9(b)所示，結(jié)果表明，底部測(cè)點(diǎn)溫度增長(zhǎng)規(guī)律與中心測(cè)點(diǎn)增長(zhǎng)規(guī)律類似，推算的凝結(jié)時(shí)間較中心測(cè)點(diǎn)延長(zhǎng)1.0 h，頂部上表面測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)展歷程同樣受周圍環(huán)境及養(yǎng)護(hù)措施的影響較大，推算的凝結(jié)時(shí)間較中心測(cè)點(diǎn)延長(zhǎng)2.0 h。由于散熱條件不同，表面測(cè)點(diǎn)與中心測(cè)點(diǎn)溫度發(fā)展歷程存在一定的差別，由此造成凝結(jié)時(shí)間的差異，但整體上差別不大。

圖8 工況B3側(cè)墻內(nèi)側(cè)和外側(cè)表溫度
Fig.8 Inner and outside surface temperature of sidewall under construction condition B3

圖9 工況B4頂板底部和上表溫度
Fig.9 Bottom and top surface temperature of roof under construction condition B4

2.3 凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果比較

在實(shí)體結(jié)構(gòu)澆筑的同時(shí)，從混凝土拌合物中篩出砂漿用貫入阻力法同步測(cè)試了置于溫度為(20±2) ℃的環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)條件及現(xiàn)場(chǎng)同條件下的試樣的凝結(jié)時(shí)間，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)條件下的測(cè)試結(jié)果與同條件測(cè)試結(jié)果存在一定的區(qū)別，根據(jù)實(shí)體溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果反演推算的凝結(jié)時(shí)間顯著小于標(biāo)準(zhǔn)條件及同條件測(cè)試結(jié)果，這主要是由于溫度對(duì)水化反應(yīng)的影響所致。采用貫入阻力法測(cè)試的試樣體積尺寸較小，試樣水化放熱反應(yīng)幾乎不會(huì)產(chǎn)生溫升，因此，試樣的凝結(jié)時(shí)間主要受周圍環(huán)境溫度影響，一般情況下，周圍環(huán)境溫度越高，試樣水化反應(yīng)速度越快，對(duì)于夏季工況下，同條件測(cè)試結(jié)果小于標(biāo)準(zhǔn)條件測(cè)試結(jié)果，冬季工況下，同條件測(cè)試結(jié)果大于標(biāo)準(zhǔn)條件測(cè)試結(jié)果。由于混凝土為熱的不良導(dǎo)體，一般情況下，與結(jié)構(gòu)表面處相比，結(jié)構(gòu)中心處混凝土受環(huán)境溫度影響較小，新拌混凝土自澆筑后即處于水化-溫度-濕度-約束的多場(chǎng)耦合作用環(huán)境，受混凝土配合比、外加劑及結(jié)構(gòu)尺寸的影響，中心處混凝土因自身水化反應(yīng)累計(jì)放熱加速了水化反應(yīng)速度，使得實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土凝結(jié)時(shí)間顯著小于單一因素條件下的測(cè)試結(jié)果，表面測(cè)點(diǎn)混凝土受散熱條件的影響，其凝結(jié)時(shí)間一般較中心測(cè)點(diǎn)凝結(jié)時(shí)間有所延長(zhǎng)。

因此，直接利用標(biāo)準(zhǔn)條件下或同條件測(cè)試的凝結(jié)時(shí)間結(jié)果來指導(dǎo)實(shí)際工程澆筑、振搗及抹面等工作可能會(huì)導(dǎo)致因?qū)嶓w結(jié)構(gòu)凝結(jié)時(shí)間縮短而出現(xiàn)冷縫或板類抹面時(shí)機(jī)把握不當(dāng)而出現(xiàn)鼓包等質(zhì)量問題。將表2所示的中心測(cè)點(diǎn)實(shí)體反演凝結(jié)時(shí)間結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)條件及同條件測(cè)試結(jié)果進(jìn)行擬合如圖10所示，結(jié)果表明，實(shí)體反演結(jié)果與同條件測(cè)試結(jié)果存在較好的相關(guān)性，實(shí)體反演的終凝時(shí)間與標(biāo)準(zhǔn)條件測(cè)試的終凝時(shí)間存在一定的相關(guān)性，其中，同條件測(cè)試的初凝時(shí)間約為實(shí)體反演結(jié)果的1.8倍，終凝時(shí)間約為實(shí)體反演結(jié)果的2.0倍。因此，實(shí)體結(jié)構(gòu)澆筑前，在測(cè)試室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)條件下混凝土凝結(jié)時(shí)間的同時(shí)，宜在待澆筑結(jié)構(gòu)處同步測(cè)試同條件下混凝土凝結(jié)時(shí)間，并根據(jù)澆筑組織需求適當(dāng)調(diào)整混凝土凝結(jié)時(shí)間。實(shí)體結(jié)構(gòu)澆筑過程中，在實(shí)體溫度監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，宜同步開展同條件凝結(jié)時(shí)間測(cè)試，以為信息化施工提供支撐。

圖10 初凝結(jié)果比較及終凝結(jié)果比較
Fig.10 Comparison of initial setting and comparison of final setting

3 結(jié) 論

不同結(jié)構(gòu)混凝土中心測(cè)點(diǎn)溫度增長(zhǎng)規(guī)律復(fù)合Boltzmann增長(zhǎng)曲線，曲線上存在明顯的轉(zhuǎn)折特征區(qū)域，新拌混凝土澆筑后開始的一段時(shí)間內(nèi)溫度增長(zhǎng)緩慢或者可以忽略不計(jì)，超過一定時(shí)間后迅速增長(zhǎng)。利用溫度開始明顯增長(zhǎng)可作為實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土初凝時(shí)間，溫度開始快速增長(zhǎng)可作為實(shí)體結(jié)構(gòu)混凝土終凝時(shí)間。實(shí)體反演結(jié)果與同條件測(cè)試結(jié)果存在較好的線性相關(guān)性，同條件測(cè)試的初凝時(shí)間約為實(shí)體反演結(jié)果的1.8倍，終凝時(shí)間約為實(shí)體反演結(jié)果的2.0倍。結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)條件測(cè)試結(jié)果，可進(jìn)一步根據(jù)同條件凝結(jié)時(shí)間測(cè)試結(jié)果制定預(yù)先施工方案。