承臺大體積混凝土水化熱溫度監測技術

楊川

（中鐵十二局集團第二工程有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

某大體積混凝土承臺長72.1m，寬度37.1m，厚度5.65m，澆筑混凝土量大約為15201m3，C40混凝土強度。承臺采用分次澆筑，并將冷卻水管布置于混凝土中。為了避免該大體積混凝土出現裂縫等變形情況，本文對該混凝土承臺從塑性狀態轉變為彈性狀態整個過程進行實時檢測，并根據檢測結果及時調整養護方案，以實現控制裂縫產生的目的。

2 現場數據采集

現場混凝土監測是將溫度傳感器埋至混凝土內部，目的是即時監測混凝土各個位置的溫度。在澆筑承臺的混凝土之前將溫度傳感器布置在其中，完成澆筑工作之后使其埋在混凝土內，對其內部實際溫度進行直接測量，以檢測數據為依據，調整冷卻水量，盡可能將水化熱聚集給承臺帶來的負面影響降至最低。在承臺中部混凝土中心位置放置三個同型號溫度傳感器，三者不僅可以幫助校核，還可以規避冷卻水管的影響，對承臺實際的水化熱進行準確測試。承臺第一層與第二層的冷卻管放置如圖1所示。

圖1 承臺冷卻管布置示意圖（cm）

3 溫度測試結果分析

3.1 現場實時監測溫度變化

圖2為具有代表性的測點的現場實時監測數據。

圖2 不同測點溫度變化過程

3.2 混凝土水化熱升降變化規律

由圖2(a)可知：

1）升溫階段：首次澆筑入模的溫度約為28℃，在開始的兩天，溫度的增長幅度小，在第3d，溫度大幅升高，大約在第5d達到峰值，約為55℃。

2）降溫時：第5～15d，降溫水化過程基本結束。在此期間，溫度平均每天降低3℃，比溫度控制指標要高。在第15d，水泥的平均溫度是45℃，而大氣溫度為27℃，意味著要繼續進行混凝土散熱。

3）混凝土的溫度峰值在承臺的中心位置出現，且在溫度達到峰值之后，因中間部分的混凝土散熱困難，持續高溫，但表面部分在達到溫度峰值之后以極快的速度降溫，也就是說在澆筑工作結束后的5～8d左右，容易產生裂縫。結果顯示，首次澆筑時內部與外部溫差保持在25℃之下。

由圖2(b)可知：

1）升溫階段：澆筑時溫度約為24℃，第1～2d溫度緩慢增長，在第3d快速增長，在第5d出現峰值，約為70℃，遠高于35℃的經驗控制值。降溫狀況大體上和第一次澆筑相同。

2）選擇兩次澆筑，溫度隨澆筑次數時程曲線相似。但第一次澆筑比第二次澆筑的影響要大，比如，混凝土澆筑第二次后測點b溫度回升，第一次澆筑完成大概15d后即第二次澆筑時，產生溫度駝峰，但其余位置的溫度曲線無此種回升，這表明一定的彈模和強度會使混凝土的導熱性降低，新澆筑好的混凝土僅僅對淺層老混凝土有影響。

3）中心部分溫度的變化特點是快速升溫與緩慢降溫，一直維持到穩定時段；與中心位置溫度變化不同，混凝土邊緣部分通過快速升溫之后，其峰值比中心要低，維持時間也比中心要短，且迅速開始降溫，快速達到穩定。

4）氣溫會對混凝土的水化熱升降造成影響，前期水化反應平緩時，放出的熱量較少，當水化反應強烈時，占主導地位的是水化熱釋放的能量，在降溫段，反應基本完成，氣溫的改變對中心及中心周圍的區域影響較小，只對表面混凝土產生較大影響。

3.3 溫度應力時程曲線

圖3是某些測點溫度應力時程的曲線。

圖3 部分測點溫度應力曲線

由于應力無法被直接測量，所以運用粘彈性方程[1-2]，求得應力，其方程如式（1）：

式中：σij(t)為粘彈性應力場（MPa）；為彈性應力場（MPa）；τ1為水化熱溫度等指標的持續作用時間（h）；Cij(t)為根據時間變化產生變化的彈性模量（m2）；K(t,r)為應力函數；σij(τ)為彈性張量；d為彈性損傷；τ為齡期。

在應力測試中，為直接試驗值，粘彈應力σij(t)應運用此方程進行計量，此項工作難度極大，與構件在荷載的作用下產生的應力有本質區別。實際測量出的應變值就是實際應變值。

3.4 溫度應力分析

1）受壓階段：根據各測點曲線可知，在混凝土澆筑8d后，承臺內混凝土大多處在受壓狀態。根據曲線，混凝土升溫時，混凝土的彈性模量明顯減小，自身膨脹導致混凝土受壓應力降低，隨著水化熱逐漸完成，其產生的溫度也開始降低。

2）受拉階段：承臺各測點在10d后出現拉應力，拉應力的出現時間與混凝土溫度峰值的時間并不一致，混凝土升溫后體積膨脹。由曲線得知，應力時間晚于溫度，混凝土最大拉應力在2.3MPa左右。

3）導致混凝土早期硬化開裂的一個重要因素是氣溫。升降溫前期應力曲線不光滑，出現鋸齒，體現應力隨外界溫度改變，但波動很小。在20d前后應力波動顯著提升，且拉應力有上升趨勢。

4）“內壓外拉”指處于升溫期的混凝土內部升溫速度快、外部升溫速度慢所引發的現象。當混凝土沒有因溫度的改變而改變時，標志著降溫段中部的到來，發生松弛效應的時間是第8d，此時混凝土的應壓力轉化為拉應力。在澆筑后期對混凝土影響最大的是內外溫差，混凝土相應齡期的抗拉強度值大于由內外溫差形成的混凝土截面溫度應力值是控制該差值的必需條件。

4 結果分析

分析結果可知：

1）澆筑大體積混凝土時，采取“放”的原理幫助混凝土散熱，合理劃定澆筑單元，重點完善塊間構造措施，完善施工工序，更好控制厚大體積的混凝土縫隙。

2）要考慮諸多因素，如水泥的標號、品種、砂率、水灰比、粉煤灰摻量、外加劑和纖維摻量等，使混凝土配合比更合理，最大程度降低混凝土水化熱釋放總量，有利于控制混凝土溫升，也有利于減少降溫期間的內外溫度梯度[3]。

3）溫控指標不是一個常量，其不僅受結構厚度的影響，也受氣溫的影響，只控制溫度并不能達到預期效果，更主要的是應力控制。監測應力量值需要把混凝土松弛效應考慮在內，如此測得的應力為真實的結果。

5 結語

基于上述分析，針對大體積混凝土溫控提出以下建議：

1）冷卻管在掩埋鋪設時應當采取相應舉措進行穩固，澆筑混凝土前應當提早實行通水試驗來查驗冷卻管是否擁塞和損壞，在澆筑混凝土進程中避免擁塞、透水。

2）用水泵泵水，確保冷卻管進水口時有充足動力，出入水管的水溫差在5～10℃之內，承臺從澆筑起至澆筑完后15d內不停灌水，且此水不可循環使用。

3）防止高溫時澆筑基樁混凝土，所用原料應防止暴曬，基樁澆筑后留意灑水養生。

4）冷卻管運用后即注入35℃的水泥來封孔，把超出基樁頂面部分截掉，同時進行防腐處理。