大體積混凝土風(fēng)冷卻技術(shù)研究與應(yīng)用

1、大體積混凝土降溫技術(shù)概述

大體積混凝土一般為結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80cm以上，同時(shí)水化熱引起混凝土內(nèi)部的最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計(jì)超過25℃的混凝土。水泥硬化產(chǎn)生大量水化熱引起的溫度應(yīng)力一旦超過混凝土抗拉極限強(qiáng)度，便會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，影響結(jié)構(gòu)的安全和耐久。因此，如何控制大體積混凝土水化熱升溫和混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差便成了大體積混凝土控制裂縫的關(guān)鍵。

通常，在大體積混凝土水化熱控制上有如下幾種方法：

（1）優(yōu)化配合比：采用低水化熱水泥，配以合理的減水劑降低水泥用量來減少水化熱，在施工前期充分論證并輔以試驗(yàn)即可。該方法最為經(jīng)濟(jì)，但效果有限，一般作為輔助方法。

（2）冰水拌制混凝土：采用冰水替代常溫水拌制混凝土，降低入模初始溫度，效果明顯，該方法在歐洲和我國(guó)港澳地區(qū)應(yīng)用較為廣泛，但成本較高。

（3）循環(huán)冷卻管道：在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝經(jīng)計(jì)算的循環(huán)管道，在外部設(shè)置晾水池，混凝土澆搗及養(yǎng)護(hù)過程通過冷卻水帶走熱量。該方法成熟，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)的大體積混凝土施工，成本較低。

2、大體積混凝土推廣的技術(shù)問題

目前，雖然我國(guó)大體積混凝土降溫技術(shù)日趨成熟，但優(yōu)化混凝土配合比受當(dāng)?shù)丶夹g(shù)條件限制；冰水混凝土造價(jià)高昂；循環(huán)管道冷卻法工藝復(fù)雜工期較長(zhǎng)。這些方法很難在質(zhì)量、工期及費(fèi)用上達(dá)成統(tǒng)一。

在受到技術(shù)條件、工期及成本的制約下，風(fēng)冷卻澆搗方法體現(xiàn)出較強(qiáng)的綜合優(yōu)勢(shì)。作者以澳門銀河娛樂度假城工程為例來做進(jìn)一步探討。

3、大體積混凝土風(fēng)冷卻工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程概況

該工程混凝土全部采用澳門當(dāng)?shù)厣唐坊炷粒\(yùn)送車程約20分鐘，最高泵送高度30m。

3.2 配合比設(shè)計(jì)

受澳門當(dāng)?shù)鼗炷良夹g(shù)及材料供應(yīng)限制，高標(biāo)號(hào)、低水化熱水泥以及強(qiáng)效減水劑等材料運(yùn)用并不成熟，雖通過多次試配，但其溫升計(jì)算數(shù)據(jù)并不理想。

理論溫升計(jì)算如下:

Tmax=WQ/cρ =416*460240/1004.8*2400=79.3

Tmax——混凝土水化熱最高升溫

W——每立方米混凝土中水泥用量（kg/m3）

Q——每千克水泥最終水化熱量（J/kg），取Q 0 = 460240 J /kg（28 d的累計(jì)水化熱）

C——混凝土比熱，一般取1004.8J/(kg.℃)

ρ——混凝土的質(zhì)量密度（2400 kg/m3）

T1max (t)=T0+T1(t)+Tmax.ξ=34+2+0.65*79.3=87.5℃

ξ ——到t齡期時(shí)，混凝土內(nèi)部實(shí)際最高溫度與絕熱升溫的最高溫度的相關(guān)系數(shù)，按1天齡期并以試驗(yàn)柱子2m×2m×2m為模型進(jìn)行取值，ξ=0.65

T0 ——混凝土入模溫度，按施工時(shí)澳門當(dāng)?shù)仄骄鶜鉁厝≈担琓0=34℃

T1(t)——到t齡期混凝土收縮當(dāng)量溫差，通常可取T1(t)=2℃

當(dāng)量溫差：水泥在硬化過程中，釋放水化熱的同時(shí)，混凝土便產(chǎn)生收縮變形，將這種變形量換算成相當(dāng)于引起同樣變形量所需要的溫度。（如圖1）

該配合比強(qiáng)度能滿足要求，28d標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度達(dá)到72N/mm2，但其水化熱導(dǎo)致的溫升會(huì)達(dá)87.5℃，超過了合約規(guī)范（英國(guó)BS規(guī)范）要求的最高85℃

通過現(xiàn)場(chǎng)2m×2m×2m試驗(yàn)柱測(cè)試數(shù)據(jù)，中心最大溫度在28h達(dá)到最高89.1℃，鉆芯實(shí)測(cè)3d強(qiáng)度達(dá)58N/mm，早期強(qiáng)度發(fā)展過快，水化熱過高。（如圖2）（如圖3）

圖1 C60混凝土配合比

圖2 C60混凝土2m×2m×1m模擬測(cè)溫點(diǎn)分布

圖3 C60混凝土2m×2m×1m模擬（未采取降溫措施）測(cè)溫結(jié)果

3.3 降溫方案

在綜合考慮合約、技術(shù)因素后，采用了鼓風(fēng)機(jī)—冷卻管道作為主要降溫措施的方法。

（1）估計(jì)通風(fēng)量初步計(jì)算及估計(jì)，選用220V（2A）通風(fēng)量為520m3/h的普通鼓風(fēng)機(jī)作為風(fēng)冷動(dòng)力裝置。

（2）本工程大體積混凝土主要為2m×2m截面矩形柱，故選用L型Φ75黑鐵管埋入柱的幾何中心（溫度最高點(diǎn)）作為降溫冷卻管道。（如圖4）

（3）要求拌站根據(jù)計(jì)劃將砂、石子等原材料事先置于不被陽(yáng)光直射的存儲(chǔ)區(qū)域，以盡可能降低混凝土本身初始溫度，并選擇在傍晚開始混凝土的澆搗，以降低其入模溫度。

（4）根據(jù)未采取降溫措施模擬柱測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，鼓風(fēng)機(jī)在混凝土入模0.5h間斷開啟，并隨著溫度下降，開啟頻率逐漸下降。

（5）鼓風(fēng)機(jī)及電器開關(guān)需采取擋水措施，防止混凝土澆搗過程中短路。

（6）拆除模板后，采用噴涂專用養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

（7）根據(jù)降溫曲線確定降溫實(shí)施時(shí)間為10d。

（8）降溫結(jié)束后，采用高一標(biāo)號(hào)無收縮細(xì)石混凝土將冷卻管填充。

3.4 模擬試驗(yàn)實(shí)測(cè)效果

采用與模擬柱相同的測(cè)溫點(diǎn)布置方案，并完全模擬施工過程，再次進(jìn)行了驗(yàn)證。（如圖5）

測(cè)試結(jié)果（如圖6），數(shù)據(jù)顯示，采取降溫措施后，構(gòu)件溫度最高點(diǎn)由A點(diǎn)變?yōu)镈點(diǎn)，且最高溫度由89.1℃降至74.8℃，最大溫差由56.5℃降至42.0℃。（如圖7）

3.5 實(shí)際效果

該工程4500m3C60大體積混凝土均采用上述風(fēng)冷卻方法，實(shí)施效果良好，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，溫升、強(qiáng)度等指標(biāo)均滿足要求，結(jié)構(gòu)完成2年左右仍未發(fā)現(xiàn)異常裂縫。

圖4 風(fēng)冷降溫措施示意圖

圖5 模擬試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖6 采用風(fēng)冷降溫措施構(gòu)件前后最高溫度對(duì)比

圖7 采用風(fēng)冷降溫措施構(gòu)件前后最大溫差對(duì)比

4、風(fēng)冷降溫的優(yōu)點(diǎn)及尚待改進(jìn)的問題

風(fēng)冷卻混凝土成本較低，施工便利，經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，對(duì)于豎向構(gòu)件降溫效果比較理想。根據(jù)港澳地區(qū)規(guī)范，滿足最高溫度不超過85℃的要求。同時(shí)，亦滿足國(guó)內(nèi)GB50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》中，溫升值不大于50℃的要求，相信在國(guó)內(nèi)混凝土配制技術(shù)、材料更加成熟的條件下，該技術(shù)具有相當(dāng)?shù)耐茝V意義。

但仍有如下問題尚待研究：

（1）該方法僅曾在不超過6m高的豎向大體積構(gòu)件的施工中進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于大底板等橫向構(gòu)件是否適合尚未驗(yàn)證；

（2）暫時(shí)無成熟的風(fēng)冷降溫計(jì)算理論公式支持，在施工前需做大量的試驗(yàn)工作以確定工況；

（3）各風(fēng)冷鼓風(fēng)機(jī)在案例中仍采用人工控制，可考慮采用電腦自動(dòng)控制降低工作強(qiáng)度。