防汛墻底板大體積混凝土溫度控制與監(jiān)測

彭 潛，姚順雨，劉占領(lǐng)，楊萬倫

(上海勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434)

大體積混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代化建設(shè)過程中廣泛采用的一種結(jié)構(gòu)形式，尤其在水利工程、交通及水運(yùn)工程領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1]。因混凝土澆筑方量大，且多為一次性連續(xù)澆筑，在硬化過程中，水泥水化反應(yīng)產(chǎn)生大量水化熱，而混凝土材料是熱的不良導(dǎo)體，熱阻大，熱量聚集在內(nèi)部不易散發(fā)，表面散熱較快，從而在其內(nèi)部和表層形成較大溫差。當(dāng)溫差超過一定限值，將產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土自身的抗拉強(qiáng)度時，會在混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫產(chǎn)生后，將對結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、耐久性、整體性、承載能力等方面均產(chǎn)生不利影響。為避免大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度裂縫，在施工過程中采取溫控措施和溫度監(jiān)測是確保大體積混凝土工程質(zhì)量非常重要的措施[2-6]。

本文以黃浦江某施工段防汛墻底板大體積混凝土溫度監(jiān)測施工為例，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對該問題進(jìn)行分析，初步實(shí)踐證明針對大體積混凝土施工所采取的一些措施在實(shí)際施工中具有指導(dǎo)意義。

1 工程概況

黃浦江某施工段綜合改造工程新建及改建防汛墻全長43 m，防汛墻底板尺寸為43.0 m×7.6 m×1.0 m，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)形式，工程區(qū)平面布置見圖1。

圖1 工程區(qū)平面布置

本工程防汛墻工程等別為Ⅰ等，永久性防汛墻采用黃浦江1 000年一遇高潮位(1984年批準(zhǔn))設(shè)防，非汛期臨時防汛墻采用非汛期200年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

2 大體積混凝土溫度控制與監(jiān)測

混凝土的裂縫是絕對存在的，無裂縫是相對的。所謂的大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫在一般的工業(yè)和民用建筑中是指結(jié)構(gòu)中寬度大于0.05 mm的裂縫[6]。

大量研究表明[6-12]，溫度荷載是導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的主要原因，而造成溫度裂縫的原因有兩類：第一類是混凝土自身特性所引起的，混凝土在凝結(jié)過程中產(chǎn)生的大量水化熱導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高；第二類是外部環(huán)境變化所引起的，包括環(huán)境溫度、日照、寒潮、水溫等影響因素。

擬對該工程區(qū)大體積混凝土底板進(jìn)行溫度控制技術(shù)措施與溫度監(jiān)測，避免有害裂縫的出現(xiàn)，進(jìn)而指導(dǎo)后續(xù)施工。

2.1 溫度控制

大體積混凝土溫度控制技術(shù)主要措施可參考如下：①優(yōu)化混凝土配合比，降低絕熱溫升值；②控制入模溫度；③埋設(shè)冷卻水管并注意澆筑后養(yǎng)護(hù)。

為優(yōu)化混凝土配合比，水泥用量、砂率、骨料級配的選擇至關(guān)重要。水泥用量決定著水化熱釋放量，用量過大，會釋放過多水化熱，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物內(nèi)部急速升溫，與表面或外界環(huán)境形成溫差，里表溫差會形成拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土前期強(qiáng)度較低時，不足以抵抗拉應(yīng)力，就會導(dǎo)致裂縫形成。合理的砂率將避免混凝土內(nèi)部受力不均勻出現(xiàn)局部裂縫，且避免表面產(chǎn)生干縮裂縫。骨料級配影響這混凝土和易性的好壞，當(dāng)骨料級配差則導(dǎo)致拌合物和易性差。推薦選擇粒徑較大、顆粒形狀較好、熱學(xué)性能好且級配良好的骨料，控制水灰比，減少混凝土缺陷。可在混凝土拌合物中添加纖維提高混凝土的抗裂性，阻止裂縫發(fā)展。

為控制入模溫度：①在泵管的整個長度范圍內(nèi)覆蓋一層麻袋，定時噴灑冷水降溫，以減少混凝土泵送過程中吸收太陽的輻射熱；②在混凝土制備過程中加碎冰等量替代，每方混凝土加100 kg冰屑，控制入模溫度小于30℃。

為保證工程質(zhì)量，加快工程施工進(jìn)度，冷卻水管法是大體積混凝土溫控常用措施之一，在混凝土中預(yù)埋一些網(wǎng)狀水管，利用管中循環(huán)冷卻水的流動來降低混凝土內(nèi)部溫度[13-15]。

本工程通過與某工程檢測中心共同合作優(yōu)化混凝土配合比，并嚴(yán)格控制骨料的規(guī)格和質(zhì)量[16]。最終選用5.0～31.5 mm的連續(xù)級配碎石，砂率控制為35%，防汛墻底板C35P10混凝土優(yōu)化配合比為水∶水泥∶砂∶石∶F類Ⅱ級粉煤灰∶聚羧酸高效減水劑=0.45∶0.82∶1.88∶2.59∶0.12∶0.012，并采用加冰屑等措施控制入模溫度。

2.2 測點(diǎn)布置

測溫點(diǎn)埋設(shè)應(yīng)選擇溫度變化較大的地方，即溫差變化較大、受環(huán)境影響較大、易散失熱量的部位及絕熱溫升最大和收縮應(yīng)力最大的地方。上下測溫點(diǎn)均位于距混凝土表面50 mm處，中間測點(diǎn)位于混凝土底板厚度的中心處。

防汛墻底板形狀為長方形，距離底板邊緣50 cm進(jìn)行設(shè)點(diǎn)，其中沿長度方向設(shè)5個測位，沿寬度方向設(shè)3個測位，共設(shè)測位15個，測位編號D1—D15，每個測位沿厚度方向設(shè)在混凝土的表層、中心及底層3個測點(diǎn)，測點(diǎn)編號D1-1—D1-3，共計(jì)45個測點(diǎn)，溫度測點(diǎn)布置示意見圖2，在綁扎底板鋼筋時進(jìn)行埋設(shè)，現(xiàn)場安裝見圖3。

圖2 溫度測點(diǎn)布置示意(cm)

圖3 溫度測點(diǎn)現(xiàn)場安裝

測點(diǎn)采用K型熱電偶，量程-30℃～130℃，測溫誤差小于等于±0.5℃，配以TES1310型數(shù)字測溫表進(jìn)行測讀。

混凝土施工過程中對混凝土拌合物入模溫度、表層溫度、中心溫度、底層溫度、環(huán)境溫度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。

混凝土拌合物入模溫度及環(huán)境溫度則通過手持式電子測溫儀進(jìn)行監(jiān)測，每隔1～2 h對各個測溫點(diǎn)進(jìn)行測溫。

2.3 監(jiān)測方法及控制原則

綁扎底板鋼筋時宜埋設(shè)溫度測點(diǎn)，熱電偶和傳輸導(dǎo)線應(yīng)有一定的防護(hù)措施，防止施工過程中損壞傳感器和電纜。

在底板混凝土澆筑時開始測溫，前兩天每2 h測溫一次，晝夜連續(xù)跟蹤監(jiān)測，測得溫度最高值以后，減少監(jiān)測頻次至4 h一次，并繼續(xù)監(jiān)測48 h，之后按8 h一次的監(jiān)測頻次繼續(xù)觀測48 h，后期每24 h監(jiān)測一次的頻次監(jiān)測3次。

根據(jù)《大體積混凝土溫度測控技術(shù)規(guī)范》[17]要求，在溫度監(jiān)測過程中，當(dāng)出現(xiàn)降溫速率、表里溫差超過下列規(guī)定時應(yīng)自動報警，并及時調(diào)整和優(yōu)化溫控措施：①降溫速率大于2.0℃/d或每4 h降溫大于1.0℃；②表里溫差控制值應(yīng)符合表1規(guī)定。

表1 混凝土表里溫差控制值

當(dāng)混凝土的降溫速率和表里速率滿足以上要求，且混凝土最高溫度與環(huán)境最低溫度之差連續(xù)3 d小于25℃時，可停止溫度監(jiān)測。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對15個溫度測位均繪制各測點(diǎn)的溫度變化曲線，并選取有代表性的過程線見圖4—7；并統(tǒng)計(jì)部分測位不同時間的內(nèi)表溫差及表面與環(huán)境溫差見圖8—9。

圖4 D1溫度測點(diǎn)過程線

圖5 D5溫度測點(diǎn)過程線

圖6 D10溫度測點(diǎn)過程線

圖7 D15溫度測點(diǎn)過程線

圖8 D1-1與D1-2溫差統(tǒng)計(jì)

圖9 D9-1與D9-2溫差統(tǒng)計(jì)

圖4—9實(shí)測數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)結(jié)論如下。

a)不同部位的溫度表現(xiàn)出相同的規(guī)律，即混凝土中部溫度最高、底部其次、表面最低。

b)混凝土內(nèi)部在澆筑完畢后的26 h內(nèi)溫度急速上升，直至到最高溫度70℃左右，之后內(nèi)部溫度開始下降，溫度下降前期，降溫速度略快，初步分析認(rèn)為與防汛墻該底板位于潮差區(qū)有關(guān)，后期各溫度曲線下降速率較為平緩。

c)各測位內(nèi)表溫差均未超出20℃，底板澆筑完成連續(xù)3 d表面與最低氣溫差均小于25℃，均滿足規(guī)范控制要求。

d)現(xiàn)場混凝土澆筑時間控制得當(dāng)，底板澆筑平整度由專人控制，拆模后混凝土表面未出現(xiàn)溫度裂縫，既驗(yàn)證了設(shè)計(jì)及溫控施工措施的合理性，又使底板混凝土質(zhì)量得到了保證。

4 結(jié)語

a)大體積混凝土幾何尺寸較大，能夠保證足夠的強(qiáng)度和剛度；但施工過程中技術(shù)難度大，關(guān)鍵在于控制溫度裂縫及施工質(zhì)量，采取相應(yīng)的溫控措施及溫度監(jiān)測尤為必要。

b)本工程防汛墻底板大體積混凝土施工選用5.0～31.5 mm的連續(xù)級配碎石，砂率控制為35%，防汛墻底板C35P10混凝土優(yōu)化配合比為水∶水泥∶砂∶石∶F類Ⅱ級粉煤灰∶聚羧酸高效減水劑=0.45∶0.82∶1.88∶2.59∶0.12∶0.012。

c)通過防汛墻底板大體積混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：①不同部位的溫度均表現(xiàn)為混凝土中部溫度最高、底部其次、表面最低；②混凝土內(nèi)部在澆筑完畢后的26 h內(nèi)溫度急速上升，直至到最高溫度70℃左右，之后內(nèi)部溫度開始下降，溫度下降前期，降溫速度略快，是因?yàn)榉姥磯υ摰装逦挥诔辈顓^(qū)，起到降溫的作用；③各測位內(nèi)表溫差均未超出20℃，底板澆筑完成連續(xù)3 d表面與最低氣溫差均小于25℃，拆模后混凝土表面未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫，既驗(yàn)證了設(shè)計(jì)及溫控施工措施的合理性，又為后續(xù)項(xiàng)目開展提供寶貴監(jiān)測數(shù)據(jù)。