廣東某工程大體積混凝土溫度控制及溫度分析

姚小旭，李 明

(中國石油天然氣第一建設有限公司,河南 洛陽 471000)

0 引言

混凝土結構最小尺寸不小于1 m,或者預計會因為混凝土中的膠凝材料發生水化引起的溫度變化而導致有害裂縫產生的混凝土,通常稱之為大體積混凝土[1-2]。大體積混凝土常見于設備基礎、路橋基礎、高層建筑基礎及各種特殊結構。通常情況下,大體積混凝土由于外荷載原因,產生裂縫的可能性很小,但溫度應力產生的裂縫卻是大體積混凝土施工中的常見問題。其產生的原因是由于混凝土受到自約束拉應力和外約束拉應力的作用引起的。因此需要在混凝土養護過程中采取有效的控溫措施,以保證質量滿足規范要求。本文針對沿海城市某大型設備基礎測溫及溫度控制進行分析。

1 工程特點

本項目用地位于廣東省南部,工程總用地面積7 000 m2,其中地上建筑高度48 m,基礎形式為鉆孔灌注樁獨立基礎。基礎底板厚度2.5 m,混凝土澆筑量1 423.376 m3。建筑區域內土質主要為素填土、細砂、粉細砂,建筑場地類別為Ⅱ類,地震烈度為7 度,地下水水位埋深為0.30 m～2.70 m,地下水穩定水位標高為7.21 m～11.54 m。

2 工程施工技術

2.1 制定專項施工方案

1)施工前應進行詳細的會審,及時發現圖紙中存在的問題,掌握設計圖紙中有關施工的各項注意事項,并做好施工階段可能出現問題的相對應措施。

2)明確施工重點、要點、難點、預防點,制定詳細、準確、可操作性強的措施,確保澆筑順利完成。

3)制定詳細的施工組織設計和專項施工方案,明確流水作業程序、澆筑順序、作業進度計劃。

4)確保混凝土施工所需的各種機具、原材料、人員齊全。確保混凝土公司連續供應混凝土。

5)施工時,必須對入模溫度進行測量及控制。

a.控制混凝土在入模溫度基礎上的溫升值不超過50 ℃;b.混凝土內部溫度與表面溫度之差不超過25 ℃;c.降溫速率不宜超過規范推薦值2.0 ℃/d;d.拆除保溫層時,混凝土表面溫度與氣溫溫差不超過20 ℃。

6)施工前,標記出澆筑部位結構標高控制點,以控制澆筑高度。

2.2 混凝土底板中心最高溫度估算

本工程基礎采用C30混凝土澆筑,混凝土配合比為:碎石1 069 kg、砂774 kg、粉煤灰74 kg、礦粉74 kg、水泥223 kg。

水泥3 d水化熱取250 kJ/kg,7 d水化熱取290 kJ/kg。

水泥水化熱計算:Q0=4/(7/Q7-3/Q3)=4/(7/290-3/250)=330 kJ/kg。

K=K1+K2-1。

膠凝材料水化熱總量Q=k×Q0,式中調整系數k查表1,k=0.95[3]。

表1 不同摻量摻合料水化熱調整系數

膠凝材料水化熱總量Q=kQ0=0.88×330=290 kJ/kg。

混凝土最大絕熱溫升計算:

T=WQ×(1-e-mt)/(Cp)。

當t∞時,limT(t)=WQ×(1-e-mt)/(Cp)=WQ{1-2,718(-0.4×7)}/(Cp)=371×355×0.939 17/(0.96×2 390)=54 ℃。

其中,T為混凝土最大水化熱的絕熱溫升值,54 ℃;m為與水泥品種,澆筑溫度等有關系(可取0.3～0.4)d-1;Q為每千克水泥7 d水化熱量,kJ/kg,查表2求得Q=355 kJ/kg;C為混凝土的比熱容,在0.92 kJ/(kg·℃)～1.00 kJ/(kg·℃)之間,該工程取0.96;ρ為混凝土的質量密度,取2 390 kg/m3;t為混凝土的齡期7 d;W為混凝土膠凝材料用量,371 kg/m3。

表2 水泥在不同期限內的發熱量

混凝土中心溫度計算:

Tmax=T0+T(t)·ζ。

其中,Tmax為混凝土內部中心最高溫度,℃;T0為入模溫度,取36 ℃;T(t)為每千克水泥在t齡期的絕熱溫升;ζ為不同澆筑塊厚度的降溫系數(板厚為2.5 m時,查表得齡期3 d為0.65,6 d為0.62,9 d為0.57,12 d為0.48)。

Tmax=36+54=90 ℃。

T(3 d)max=36+54×0.65=71.1 ℃。

T(6 d)max=36+54×0.62=69.48 ℃。

T(12 d)max=36+54×0.48=61.92 ℃。

T(15 d)max=36+54×0.38=56.52 ℃。

溫差90-36=54 ℃>25 ℃。

2.3 保溫層厚度估算

雖然澆筑混凝土后絕對熱溫有明顯升高,但對于混凝土本身來說,由于外界因素的影響,具有明顯的散熱性,所以達不到絕對熱溫升值,相對來說存在比較典型的降溫系數。

底板混凝土的養護宜采用塑料薄膜、棉氈等材料覆蓋保溫。在澆筑底板的過程中,確保澆筑完畢之后,大約在10 h之內要對其進行相對應的碾壓,特別是在初凝之前,要確保碾壓質量得到顯著提升,同時也要做好打磨,確保混凝土未收水完畢之后要二次搓干,以此防范可能出現的收水裂縫問題,同時也要有效應用濕潤的棉氈對其進行覆蓋和養護,以此體現出應有的養護和保溫保濕效果,對于覆蓋保溫層的厚度,通過以下公式進行計算[4]:

δ=0.5Hλ(Ta-Tb)/λ1(Tmax-Ta)×K。

其中,δ為保溫層所需厚度,cm;λ為保溫材料導熱系數,棉氈取λ=0.14 W/(m·K);λ1為混凝土的導熱系數,取λ1=2.3 W/(m·K);Ta為混凝土表面與保溫層接觸面溫度,取25 ℃;Tb為大氣平均溫度,取15 ℃;K為傳熱系數修正值,取K=1.3;H為混凝土底板厚度,H=2.5 m。

混凝土中心最高溫度Tmax=90 ℃。

計算得到:厚度δ=1.83 cm。

通過計算,獲得保溫層的厚度δ=1.83 cm,也就是說確保其混凝土施工完畢之后,在底板層覆蓋與之相對應的塑料薄膜,并且用棉氈進行防護,這樣可以使混凝土內部和外部的溫度差距能夠得到有效控制,充分保證其質量要求。

3 溫度控制措施

3.1 監測點布置

針對大體積混凝土施工,要注重對混凝土內部檢測點進行科學合理的布置,要充分體現出混凝土澆筑過程中的溫度,升降情況對其內部和外部的溫差進行有效控制,同時把握環境的具體溫度,以此進行相對應的布置,這樣才能體現出科學性和可行性。

a基礎具體布置方法如下:

根據基礎平面選取具有代表性的位置安裝測溫點,取互相垂直的兩條半軸線布置測溫點,南北軸線橫向布置的測溫點為8個,間距為2.65 m,東西軸線在北側橫向布置的測溫點為4個,測溫點的間距為2.20 m,東西軸線在南側橫向布置的測溫點為4個,測溫點的間距為1.98 m。測溫點共布置16個。沿混凝土澆筑體厚度方向,根據實際情況每隔0.6 m布置1個測溫點,上部測溫點距離板面50 mm,下部測溫點距離板底面50 mm處,控制測溫點和鋼筋的距離不小于30 mm。每個測溫點豎向布置共5個點。測溫點的布置如圖1所示。

b基礎建北方向布置5個測溫點,東西方向布置2個測溫點。沿混凝土澆筑體厚度方向,根據實際情況每隔0.6 m布置一個測溫點,上部測溫點距離板面50 mm,下部測溫點距離板底面50 mm處,控制測溫點和鋼筋的距離不小于30 mm。每個測溫點豎向布置共5個點。測溫點的布置見圖2。

混凝土澆筑前提前預埋測溫元件,測溫元件選擇符合以下條件;

測溫元件的測溫誤差不應大于0.3 ℃(25 ℃環境下);測試范圍-30 ℃～150 ℃;絕緣電阻應大于500 MΩ;測溫元件在使用前,必須經過試驗,以保證其在使用過程中不損壞。測溫元件接頭安裝位置應牢固準確。

3.2 混凝土養護降溫措施[5-8]

以6月份的氣候條件,混凝土抗裂計算結果是安全的,但外界的條件是在不斷的變化中,為了防止條件的變化造成混凝土的溫升變化,采用在混凝土基礎中設置水平循環冷卻水管,以隨時調控混凝土的內部溫度。循環冷卻水管的制作與安裝:基礎采用φ48 mm普通鋼管(外徑)連通成循環體。在混凝土澆筑前進行試水,檢查冷卻水管焊口的密實性。根據當地氣候和基礎高度,a基礎、b基礎選擇兩層多回路水冷卻系統。冷卻水管分別布置在混凝土的0.8 m和1.6 m處。冷卻水管距混凝土邊緣距離為1.5 m,同層冷卻水管的凈距為1 m,并挖10 m×4 m×0.5 m的蓄水池。

循環冷卻水管降溫方法:混凝土達到初凝后,應馬上使用水冷卻系統,直到內部最高溫度與表面溫度之差不大于25 ℃時,控制每天降溫速率不宜大于2 ℃,方可暫停水冷卻作業。當混凝土內部最高溫度與表面溫度之差大于25 ℃時,應重新打開水冷卻系統。循環水管進、出口端各設置1個閥門,并利用閥門水量和流速控制降溫速率。

為防止混凝土內外溫差過大而產生裂縫,混凝土養護采用覆蓋保溫的方法。這種方法可以控制混凝土表面與內部中心的溫差,使混凝土具有較高的抵抗溫度變形的能力(即抗裂能力),從而達到混凝土不開裂的目的。混凝土澆筑后,表面應至少收光三次。抹灰找平后,終凝前,應根據計算使用相應層數的塑料薄膜和棉氈。混凝土澆筑完成24 h后安排2名測溫人員輪班開始測溫,1 d～3 d中,每隔2 h測量并記錄每一測溫點不同深度的溫度,隨后每天中間隔4 h測量一次,并做好溫度記錄,直到混凝土測溫達到標準規范,停止測溫[9]。循環冷卻水管示意圖見圖3。

為了確保澆筑質量,及時控制澆筑內部溫度,入模時的溫度要實時測量,每個臺班不能少于三次。一般基礎混凝土中間的溫升會達到一個峰值,這個峰值略小于絕熱溫升。一般溫升峰值出現在混凝土澆筑完成后的3 d～5 d,之后趨于穩定,不再升溫,并逐漸開始降溫。本工程a基礎采用C30混凝土澆筑,b基礎采用C35混凝土澆筑,混凝土內摻膨脹劑,膨脹劑為低堿型,同時減少水泥用量,降低水化熱[10]。根據施工過程原材料的實際情況,及時調整配料比例,控制混凝土的坍落度,確保混凝土施工質量。

4 測溫數據分析

4.1 基礎中間點與表面測溫點分析

a基礎中以4號中間點、5號中間點、1號中間點、4號表面點為分析對象,b基礎中以3號中間點、4號中間點、5號中間點、3號表面點為分析對象,由圖4,圖5可得,處于混凝土中心的溫度,在澆筑完成24 h,開始測溫后,溫度逐漸增加,20 h后達到最大,此時,混凝土內部水化熱達到極值,并持續一段時間,約20 h,隨后溫度開始呈線性下降。混凝土內部水化熱產熱速率降低,120 h后,溫度維持平穩。

a基礎中以1號表面點、2號表面點、4號表面點、5號表面點為分析對象,b基礎中以1號表面點、2號表面點、3號表面點、4號表面點為分析對象,由圖6,圖7可得,處于混凝土表面測溫點的溫度,在澆筑完成后,開始測溫后,溫度逐漸增加,20 h后達到最大,此時,混凝土內部水化熱達到極值,并持續一段時間,約20 h,隨后溫度開始呈線性下降。變化趨勢與中間點一致。對a基礎中1號表面測點擬合y=-0.095 27+58.065,R2=0.889 68。b基礎1號表面測點擬合y=-0.106 11x+60.102,R2=0.807 09。

4.2 基礎底面測溫點分析

a基礎中以1號底面點、2號底面點、4號底面點、5號底面點為分析對象,b基礎中以1號底面點、2號底面點、3號底面點、4號底面點為分析對象,由圖8,圖9可得,處于混凝土底面測點的溫度,在澆筑完成后,開始測溫后,溫度逐漸增加,30 h后達到最大,此時,混凝土內部水化熱達到極值,并持續一段時間,約20 h,隨后溫度開始下降,下降幅度較緩慢。在測溫時間100 h以后,隨著循環冷卻水的打開和閉合,底面溫度表現出上升和下降的波動式降溫。對a基礎中5號底面測點擬合,得擬合方程式y=-0.029 05x+59.981,R2=0.856 78。b基礎2號底面測點擬合,得擬合方程式y=-0.109 77x+69.225,R2=0.939 9。

由圖10—圖13可得,大體積混凝土在降溫階段呈線性遞減規律。斜率分布在-0.186 4～-0.145 87之間。降溫速率大于2 ℃/d,最大值出現7.9 ℃/d,超過方案要求。平均值是4.3 ℃/d。最小值是1 ℃/d,出現在澆筑完成144 h后,為測溫末期。斜率為-0.083 33時,降溫速率為2 ℃/d才符合要求。對測溫數據進行分析,發現施工過程中,溫度控制沒有達到施工方案要求,混凝土內部溫度降溫速率比較大,易引起混凝土內部較大的溫度應力,造成內部出現裂紋,但根據最后施工質量,大體積混凝土質量為優,符合規范要求。

由圖14—圖17可得,大體積混凝土在降溫階段呈線性遞減規律。斜率分布在-0.207 98～-0.122 94之間。斜率為-0.083 33時,降溫速率符合要求,降溫速率大于2 ℃/d,降溫速度最大值為4.99 ℃/d,超過規范要求。平均值3.96 ℃/d。最小值為2.95 ℃/d,為3號表面測溫點數據。對數據進行分析,發現施工過程中,溫度控制滿足施工方案要求,每天溫度降溫在2 ℃/d～4 ℃/d。曲線平均斜率-0.165 017 5,平均值3.96 ℃/d。溫度最大值84.9 ℃,在開始測溫26 h時刻。測溫末期,溫度趨于穩定,波動幅度在3.2 ℃～7.1 ℃之間。通過對溫度數據進行擬合分析,可以為計算機數值模擬分析混凝土降溫變化提供參考依據[11-13]。

4.3 中間點、表面點、底面點對比分析

以a基礎中具有代表性的4號測溫點,b基礎中具有代表性的3號測溫點為分析對象,由圖18,圖19可得,同一時刻,最高溫度出現在中間,底面溫度大于表面溫度。混凝土底面溫度基本不降溫,呈水平線分布。中間溫度和表面溫度降溫速率相同。最高溫度出現在開始測溫后20 h。通過以上分析,充分掌握大體積混凝土溫度隨時間的變化規律,有助于對大體積混凝土基礎的養護,對大體積混凝土進行溫度控制,減緩混凝土表面的熱量擴散,減少混凝土表面的溫度變化梯度,防止混凝土表面產生溫度裂縫,適當延長混凝土整體散熱時間,充分發揮混凝土的強度,使混凝土的平均溫度差所產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度,防止產生貫穿裂縫,使混凝土達到設計強度[14-15]。

5 結語

在工程實踐中,通過建立詳細的測溫制度,時刻跟蹤監控溫度變化,根據溫度梯度的變化定性定量地指導混凝土養護,控制降溫速率,以及采取有效的保溫保濕措施,確保了混凝土的均勻散熱,使混凝土的內表溫差和表氣溫差均達到規范要求,雖然降溫速率有微小增大,但整個過程避免了溫度裂縫的產生,經最終檢查,工程質量為優。通過實踐,得出以下結論:

1)大體積混凝土必須采取分層澆筑,連續進行,中間間隔時間不能過長,需確保澆筑混凝土結構的整體性。

2)在高溫炎熱的環境中施工,要嚴格注重混凝土表面的保溫保濕,可以應用麻布對其進行覆蓋,避免表面因過快蒸發產生脫水問題,養護過程中,確保模板的接縫處得到濕潤處理,避免干縮裂縫出現。

3)混凝土內部溫度降溫速率不宜過大,應時刻關注降溫速率,隨溫度變化,隨時調整冷卻循環水流速,避免因降溫溫度梯度過大,產生溫度裂縫。

4)在把握關鍵部位溫差的基礎之上,嚴格檢測內部溫差,確保溫度梯度能夠在有效的范圍之內,可以適當提高降溫速率,根據經驗,降溫速度2 ℃/d～4 ℃/d是可行的,可使養護周期有效縮短,同時要注重做好混凝土澆筑后的養護,防范可能出現的問題。