大體積混凝土溫度智能控制技術及防護措施研究

楊志學, 張林艷, 王立偉

中國葛洲壩集團第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

目前,大體積混凝土已廣泛應用于建筑物、橋梁、隧道等重要工程中。由于混凝土水化反應會產生大量熱量,導致混凝土內部溫度升高,易引起裂縫等損害,因此,在大體積混凝土施工過程中,需要采取有效的溫度控制和防護措施。

當前,大體積混凝土的溫度控制和防護主要依靠經驗及傳統手段,效果有限,難以滿足工程質量和安全要求。智能溫控系統作為近年新興技術,在大體積混凝土施工中的應用逐漸受到重視。該技術利用數學模型、計算機技術和傳感器技術實現對混凝土內部溫度的實時監測和控制,可以精準地預測混凝土內部溫度場分布,及時采取措施控制溫度升高,為混凝土養護提供科學依據。

1 混凝土水化反應與溫度升高的關系

混凝土的水化硬化過程是水泥與水混合后發生的物理化學反應過程。在這個反應過程中,水泥與水中的鈣離子和硅酸根離子結合成水化硅酸鹽,其中包括硅酸二鈣、硅酸三鈣和硫鋁酸鈣,這些反應產物的生成與混凝土強度的提升密切相關。溫度對混凝土水化反應的影響主要是加速反應速度[1]。

當混凝土受到高溫影響時,其中的水化反應將加速,混凝土早期強度也會增加。但是隨著時間的推移,溫度過高會對混凝土水泥石膠凝結晶產生不可逆的影響,導致混凝土的強度和耐久性下降。高溫易造成混凝土內部蒸汽壓力迅速增加,從而引起混凝土孔結構的膨脹,形成裂縫,進而加速混凝土的龜裂和破壞。另外,高溫還會導致混凝土內的凍融損傷、鋼筋銹蝕等問題,因此,在混凝土的使用和施工中,溫度控制十分重要。通過采用智能溫控系統及相應技術手段,可以對大體積混凝土進行實時、精確的溫度監測和控制,降低溫度對混凝土品質和性能的不良影響,提高混凝土的耐久性和使用壽命。

2 應用實例

本研究應用于貴州某高速引底河特大橋主墩承臺,引底河特大橋為山區V型溝谷而設。橋梁按路線分幅設計,主橋平面位于直線上,主橋縱斷面位于直線上,橋梁縱坡:左幅為1.00%,右幅為0.70%。引底河特大橋左右幅孔跨布置:(96+180+96) m預應力混凝土連續剛構加1×30 m簡支T梁。左幅橋起點樁號:ZK14+240.120,終點樁號:ZK14+654.800,橋梁全長414.68 m,中心樁號:ZK14+432.000;右幅橋起點樁號: YK14+240.120,終點樁號:YK14+654.800,橋梁全長 414.68 m,中心樁號:YK14+432.000。主墩均為雙肢薄壁空心墩接箱型空心墩及雙肢薄壁空心墩。每肢薄壁墩釆用箱型截面,橫橋向8.5 m,順橋向3.2 m,兩片墩間凈距為6.6 m。墩身上部端與箱梁0號梁段固接,下部端接箱型空心墩。箱型空心墩釆用單箱3室截面,橫橋向寬8.5 m,順橋向寬13 m,箱型空心墩上部與雙肢薄壁墩固結,下部與承臺固結。2號主墩承臺采用24 m×17.5 m×6.0 m矩形承臺,1號主墩承臺釆用15.5 m×18 m×6.0 m矩形承臺,過渡墩承臺釆用8.8 m×12 m×4 m矩形承臺,承臺底層設有C25片石混凝土墊層。

本文中的結構混凝土溫度控制采用預埋冷卻水管循環通水降溫,內部測溫采用建筑電子測溫儀進行。該測溫儀是根據我國建筑行業施工特點和有關技術規范研制的專業測溫儀器,可直觀、準確、快捷地顯示被測溫度,具有可靠性好、適用范圍廣、寬溫操作環境、體積小重量輕、操作簡單等優點。它由主機和測溫線組成,主機為便攜式儀表,設有電源開關、照明開關、插座和液晶顯示屏,可顯示被測溫度值,測溫線為預埋式,由插頭、導線和溫度傳感器制成,每支測溫線可測1個點的溫度。測溫時按下主機電源開關,將測溫線插頭插入主機插座中,主機顯示屏即可顯示相應測溫點的溫度[2]。

2.1 冷卻水循環

根據冷卻水管布置層數、進水口位置,采用1臺或2臺離心式增壓泵統一供應循環水,每個散熱管的進水口連接在1根供水管上,分別設閥門,單根水管流速按0.8～1.0 m/s控制。為便于控制溫度,每個承臺應預備足夠的供水水源,抽取河水作為冷卻供水,且將出口水匯于同一水箱內,降溫后備用,做到循環利用。

在水冷卻降熱過程中,應通過調節進水流量及水溫控制進水溫度與混凝土最高溫度之間的溫差,宜為15～25 ℃;出水溫度與進水溫度之差為3～6 ℃;降溫速率每天不宜大于2 ℃,且4 h不宜大于1 ℃。當混凝土內部最高溫度與表層溫度之差不大于15 ℃時,可暫停水冷卻作業;當測溫管實測混凝土內部溫度與表層溫度之差大于25 ℃時,應重新啟動水冷卻系統,并調整進水水溫,若水溫比混凝土內部溫度低得多,則加熱進水。

混凝土澆筑前,應在冷卻水管中預先注滿冷卻水,每層冷卻水管被澆筑的混凝土覆蓋,振搗完畢初凝后,即可啟動該層冷卻水管通水降溫。承臺從澆筑起至澆筑完畢,應連續不間斷注水,至混凝土溫度滿足上述要求,方可停止冷卻水循環;水冷卻降溫結束后,應及時用水泥漿對冷卻水管進行壓漿封堵。

2.2 混凝土溫度監測

2.2.1 測區及測點布置

據《大體積混凝土施工標準》(GB 50496—2018)、《大體積混凝土溫度測控技術規范》(GBT 51028—2015)規定,溫控測試區和監測點布置位置要求如下。

1)測試區選擇混凝土澆筑體平面圖對稱軸線的半條軸線,測試區內監測點按平面分層布置。

2)在檢測區內,監測點的位置與數量可根據混凝土澆筑體內溫度場的分布及溫控要求確定。

3)在每條測試軸線上,監測點位應不少于4處,根據結構的幾何尺寸布置(見圖1)。

單位:mm。

4)按混凝土厚度,每個測位布置3～5個測點,分別位于混凝土表層(距表面50 mm)、中心、底層(距底面50～100 mm)及中上、中下部位(見圖2)。

5)本方案采用冷卻水降溫,測位和測點均布置在相鄰2層冷卻水管中間位置。

6)砼澆筑時安排3名人員輪班進行溫度檢測,1次/h。

圖2 大橋2#墩測溫點立面布置圖

2.2.2 測溫元件選擇

據《大體積混凝土施工標準》(GB 50496—2018)規定,本方案所用測溫元件應滿足以下幾點要求。①25 ℃環境下,測溫誤差不應大于0.3 ℃。②溫度測試范圍應為-30～120 ℃。③測試元件絕緣電阻應大于500 MΩ。④測溫線的長度為測溫點的深度再加上200 mm。

2.2.3 測溫元件安裝及保護

1)測溫元件安裝前,應在水下1 m處浸泡24 h不損壞。

2)預埋元件安裝。將測溫元件綁扎固定在支撐物上(采用?16 mm以上豎向鋼筋,其長度為澆筑體厚度再加上20 cm)。澆筑混凝土前,將綁好測溫線的支撐物植入混凝土中,固定牢固,不同高度位置測溫點的溫度傳感器不得與支撐物、承臺構造筋接觸(采用30 mm×30 mm×30 mm的小方木作為隔離)[3]。

3)每個測溫點的測溫元件引出線集中布置,不同高度的引出線做好相應高度標簽,連接插頭留在混凝土外面并用塑料袋罩好,避免潮濕,保持清潔。

4)混凝土澆筑過程中,應對測溫元件進行保護,下料和振搗時不得直接沖擊和觸及測溫元件及引出線。

2.2.4 溫度控制指標及測溫頻率

1)溫度監控指標:里表溫差小于28 ℃。

由于現有大型鍛壓機械已無法在設備和工藝上進行大范圍的改動，因此，在設備、工藝及周圍環境已經確定的情況下，隔絕噪聲的傳播途徑是降噪的主要措施。

2)降溫速率不宜大于2 ℃/d,且4 h不宜大于1 ℃。

3)揭開保溫層時的混凝土表面與環境最大溫差應小于20 ℃。

4)停止溫度監測指標:滿足上述1)條,且混凝土最高溫度與環境最低溫度之差連續3 d小于25 ℃。

5)監測周期與頻率。①混凝土澆筑結束后3 d內:每隔2 h測1次。②混凝土澆筑結束后4～15 d:每隔4 h測1次。③混凝土澆筑結束后16 d:每隔24 h測1次。④當里表溫差小于25 ℃時,停止測溫[4]。

2.2.5 溫控監測規定

1)大型混凝土澆筑室內監測點的設置,應當以能夠準確反映澆筑室內最熱增加量、芯部溫度與表面溫差、降溫速度和周圍溫度等為依據。

2)監測點位布設以測試區為基準,測試區中的監測點位按照一定的代表性,進行分層布設,在基座對稱軸上不少于4個,并根據結構幾何特征進行布設。

3)在混凝土澆筑體壁厚的方向上,外表面應有一定的排布。底部及中央溫度測量點、其他測量點的距離不應超過600 mm。

4)大容積混凝土澆筑后,至少4次/d,每天至少檢測4次核心與表面的溫差、冷卻率、環境溫度和應變,每個工班至少檢測2次。

5)澆筑在混凝土表面以下500 mm范圍內的,建議設置在混凝土表面以下。

2.2.6 減輕溫度應力的措施

通過提高骨料級配、使用干法、摻合料、添加引氣劑和增塑劑等方法來降低混凝土的水泥用量。在溫度超過25 ℃時,澆筑時應減小澆筑層的厚度,并充分利用澆筑層的熱量。在混凝土內部埋置1根軟管,注入涼水使其冷卻。為防止混凝土表層出現明顯的溫差,設定合理的拆模時間,在氣溫突然下降時做好表層隔熱處理。

3 混凝土保溫養護措施

大體積混凝土在每次澆筑完成后,除了按照一般混凝土進行常規養護之外,還應該按照溫度控制技術措施的要求,對大體積混凝土進行保溫養護。

1)保持水分的保鮮期,至少要28 d。保溫罩的拆除要分階段進行,在混凝土表面溫度與外界最大溫差不超過20 ℃的情況下,可以徹底拆除。

2)養護時,要確保膠膜和養護涂料完好,使混凝土表面始終保持濕潤。

3)在大體積混凝土的保溫與養護過程中,對其內部與表面的溫度、冷卻速度等參數進行監測,如果監測值達不到控溫指標,則需要及時調整保溫與養護方法。

4)大型混凝土在拆除模板后,要做好防凍、降溫、強干的養護工作。一般情況下,大體積混凝土的拆除時間可適當推遲,而將模板用作保溫和維護措施時,則須按溫度控制的需要來決定拆除時間[5]。

4 混凝土特殊氣候條件保障措施

在遇到炎熱、冬季、大風或者雨雪天氣等特殊氣候條件時,大體積混凝土施工必須采用行之有效的技術措施,確保混凝土澆筑和養護的質量,并且還應該符合以下規定。

1)當在炎熱季節澆筑大體積混凝土時,應該將混凝土原材料進行遮蓋,避免日光暴曬,并用冷卻水攪拌混凝土,或采用冷卻骨料、攪拌時加冰等方法降低入模溫度,必要時采用混凝土中埋入冷卻管措施,在混凝土澆筑之后,應及時進行保濕養護。

2)在冬天,用熱水攪拌和骨料加熱等方法來提高混凝土原料的溫度,使混凝土的入模溫度不能低于5 ℃。在澆筑完混凝土后,要立即做好保溫和濕潤的工作。

3)在強風條件下進行混凝土澆筑,施工現場要做好防風工作,減小混凝土表層的流速,加大對混凝土表層的刮除力度,并要及時鋪上塑料布等隔熱材料,以保證混凝土表層的水分不會流失,以免出現干燥現象。

4)惡劣的氣候條件下,不能在戶外進行混凝土澆筑,如果確需在室外進行,必須采取相應的措施,以保證混凝土質量。在澆筑過程中,如果突然遇到了下雨或者大雪天氣,在結構合理的位置上要預留施工縫,并在最短時間內停止澆筑混凝土,并且對尚未硬化的混凝土進行覆蓋,防止雨水對新澆筑混凝土的直接沖刷。

5 結束語

本文深入剖析了混凝土溫度對強度和耐久性的影響,并詳細闡述了混凝土溫度控制技術,系統介紹了混凝土溫度監測的規范標準。同時,還探討了大體積混凝土的保護措施,這些保護措施的實施能幫助降低溫度對混凝土品質和性能的不良影響,提高混凝土的耐久性和使用壽命。