大體積承臺混凝土溫度監測控制技術及應用

劉離榕,梁 峰

(1.中交三公局第四工程分公司,重慶 401147;2.上海先行建設監理有限公司,上海 200070)

大體積承臺混凝土溫度監測控制技術及應用

劉離榕1,梁 峰2

(1.中交三公局第四工程分公司,重慶 401147;2.上海先行建設監理有限公司,上海 200070)

大體積混凝土的溫度監測與控制對于避免或減輕其溫差裂縫具有至關重要的意義。文中以某橋梁承臺大體積混凝土為例,進行了混凝土參數計算,并根據結果分析提出了通過溫控實現減輕溫差裂紋的混凝土選材與澆筑工藝,施工措施和檢測方案,有效防止了混凝土結構裂縫的產生,保證了工程質量,為后續工程的順利實施提供了可靠保障。

大體積混凝土;參數計算;控制措施;監測方案

大體積混凝土溫度裂縫產生的主要原因是混凝土內外溫差引起的溫度應力[1-3]所致。新澆筑的混凝土在水泥化過程中產生的水化熱累積引起混凝土內部溫度急劇上升,而受氣溫影響的混凝土體表層部分溫度較低,斷面上較低的溫差使混凝土的內部產生壓應力,表面產生拉應力。當其大于混凝土當時的抗裂強度時,就會產生溫度裂縫,對混凝土結構產生不同程度的危害。鑒于此,本文以位于我國西南山區的某大橋為例,根據相關計算分析,從材料選擇、現場施工等技術層面提出大體積混凝土溫度控制措施及相應的監測方案。該大橋南引橋采用組合跨徑設計,即4×35 m先簡支后結構連續T梁+2×90 mT構箱梁,橋梁全長326 m。南塔承臺為矩形,平面尺寸為20.5 m×20.5 m,厚6.0 m;承臺采用C30混凝土。單個承臺混凝土方量為2 521.5 m3,采用一次澆筑成型。

1 混凝土溫控參數計算

不同的原材料參數對混凝土的水化熱和大體積承臺內外溫差具有不同程度的影響,因此,有必要對該工程所選材料的相關參數進行介紹。各指標的計算依據文獻[4-5]進行。

1.1 絕熱溫升計算

混凝土絕熱最高升溫:

W=水泥+粉煤灰+礦渣粉=350 kg,添加粉煤灰的水泥灰放熱量Q0=260 kJ/kg。

取混凝土的入模溫度為24℃,中心最高溫度為24+37.1=61.1℃。

絕熱溫升數值模型取雙曲線函數:

式中:Tmax為絕熱最高溫升,α,β為絕熱溫升變化系數。

1.2 彈性模量

彈性模量隨時間的增長曲線采用四參數雙指數形式 ,即

式中:E0為初始彈性模量,E1為最終彈性模量與初始彈性模量之差,α,β為與彈性模量增長速率有關的兩個參數。

1.3 徐變度

根據工程經驗,取混凝土徐變度如下(單位:10-6/MPa):

式中:C1=0.23/E2,C2=0.52/E2,E2為最終彈性模量。

1.4 放熱系數

混凝土表面通過保溫層向周圍介質放熱的等效放熱系數可由下式計算:

式中:βs為等效放熱系數,β為放熱系數,hi為保溫層厚度,λi為保溫材料導熱系數。

通過上面混凝土溫控參數計算結果看,混凝土澆筑溫度控制不高于26℃,大體積混凝土的內外溫差一般不應超過25℃[6-7]。混凝土的物理熱學性能試驗值見表1。

表1 混凝土物理、熱性能參數

2 大體積承臺溫控措施

2.1 通過選材控溫

由于水化熱對大體積混凝土澆筑質量影響最大,會引起內外溫度不同,溫差過大時會產生一定的溫度應力,在其作用下混凝土可能會產生裂縫,所以首先可以從混凝土原材料的角度來操作。

在滿足施工要求的情況下,優先選擇自然連續級配的粗、細骨料,合理骨料配制的混凝土具有較好的和易性、水和水泥用量較少。砂、石含泥量應分別小于3%和1%,這樣可以減少用水量,混凝土的收縮和泌水可隨之減少,粗骨料宜采用連續級配,細骨料采用中砂,應提高摻合料及骨料的含量,并降低原材料的溫度。

水泥應盡量選用水化熱低、凝結時間長的水泥,優先采用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、大壩水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥等拌制混凝土。適當降低水灰比(可加粉煤灰)、水泥用量,但必須保證混凝土設計強度等級。混凝土泌水性的大小與用水量有關,用水量多,泌水性大;且與溫度高低有關,水完全析出的時間隨溫度的提高而縮短。所以,在選用礦渣水泥時應盡量選擇泌水性小的品種,并應在混凝土中摻入減水劑以降低用水量。

外加劑適量摻入在混凝土中,可達到減小新拌混凝土的泌水率,延緩混凝土的凝結和降低溫升的目的,在混凝土內摻加緩凝高效減水劑則可保證其有足夠的緩凝時間,并在不增加拌合用水量的條件下增大了混凝土的坍落度,實現混凝土在澆筑過程中延緩內部溫度峰值的出現;增加了混凝土流動性,從而獲得良好的可泵性。

在混凝土澆筑的過程中,可以根據施工現場條件,制定切實可行混凝土澆筑方案:按全面分層[8-10]。同時,應降低混凝土入模溫度,降低拌合水的溫度(比如拌合水中加冰塊),骨料用水沖洗降溫,避免曝曬等。

2.2 通過養護控溫

保溫養護更是大體積混凝土施工的關鍵環節。當承臺拆模時,要對拆模表面進行養護。一般采用澆溫水或進行蒸汽養護。養護主要是保持適宜的溫度和濕度,降低混凝土塊體的自約束應力,以便控制混凝上內表溫差,降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度,防止混凝土裂縫的產生和發展。

2.3 通過布設冷卻管控溫

除了從選材角度降低混凝土的水化熱和大體積承臺的內外水化熱外,還可以可預埋冷水管,通過循環將混凝土內部熱量帶走,進行人工導熱。南塔承臺共設5層冷卻水管,冷卻水管為Φ 40×2 mm的薄壁鋼管,其水平間距為1 m,豎向間距1.1 m～1.2 m,冷卻水管距混凝土側面應大于1.0 m,每根冷卻水管長度不超過200 m。水管的出水口和進水口采取集中布置、統一管理,并標識清楚。水管由離心泵供水。承臺冷卻水管布置圖見圖1～圖3。

圖1 承臺冷卻水管與測溫點豎向布置圖(單位:cm)

圖2 承臺第一、三、五層冷卻水管水平布置圖(單位:cm)

圖3 承臺第二、四層冷卻水管水平布置圖(單位:cm)

根據每次所測的內外溫差進行比較,內部溫度達到30℃時即開始試通水。當所測內部溫度過高且內外溫差較大時,將冷卻水管內水流加大,同時承臺外表面加強保溫;當內部溫度低于外部溫度且溫差較大時,內部冷卻水管停止通水,對外表面采取適當的降溫措施。根據所測數據及時采取相對應的措施,盡量減小混凝土內外溫差,保證混凝土使用安全。

承臺內部溫度一般通過冷卻水管內水流大小來控制,而承臺表面溫度則一般通過在上表面澆筑熱水或覆蓋稻草及在側面鋪塑料紙等措施來進行保溫,也可通過在其表面澆江水使其降溫。

冷卻管的彎頭采用彎管機加工,冷卻管的接頭采用橡膠套管并用鐵絲綁扎牢固不漏水,每端冷卻管伸入橡膠管15 cm。冷卻管進出口伸出承臺80 cm,后用橡膠套管連接伸出鋼吊箱。進水主管采用Φ 125 mm鋼管,位于鋼吊箱箱壁頂面進水管附近,進水管與進水主管連接。冷卻管進出口集中布置,故需在進出口橡膠管上做出冷卻管號標記。

冷卻管進口采用每管一閥,每閥單獨控制流量。上、下游承臺各布置一臺CJDA80-17.5型二級離心泵(另備用一臺)。冷卻水管安裝時,將其按設計位置固定在支架上,并做到管道通暢,接頭可靠,不漏水、阻水。冷卻水管安裝完成后,進行通水檢查。混凝土澆注到蓋住一層冷卻水管后,即可開始通水降溫,并且在進出水口溫差較大時,采取倒換進出水口,使混凝土均勻降溫。

混凝土澆筑到各層冷卻水管標高后,待混凝土終凝便開始通水,各層混凝土峰值過后應停止通水,通水流量應達到30 L/min,為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升,可采取二次通水冷卻,通水時間根據測溫結果確定。

應嚴格控制進出水溫度,在保證冷卻水管進水溫度與混凝土內部最高溫度之差不超過28℃條件下,盡量使進水溫度最低;如果溫差超過這個標準,可設置水箱,進行循環水冷卻。

3 溫控測點布設與測試方法

在南塔承臺混凝土中布設5層溫度測點,位于兩層冷卻水管中間,冷卻水管上也適當布置測溫傳感器。承臺測溫點豎向布置示意見圖1,水平布置見圖4。溫度傳感器為高阻值高靈敏度溫度傳感器,直接埋入混凝土中。溫度檢測儀采用自行研制的KJ8312A型數字溫度測試儀(圖5),溫度傳感器的主要技術性能:①測溫范圍:-20℃～100℃;②工作誤差:±0.5℃。

圖4 承臺測溫點水平布置(單位:cm)

圖5 數字溫度測試儀及溫度傳感器

現場各項測試項目均在混凝土澆筑后立即進行,連續不斷。混凝土的溫度監測,峰值以前每2 h監測一次,峰值出現后每4 h監測一次,持續5 d,然后轉入每天測2次,直到溫度變化基本穩定,每次觀測完成后及時填寫記錄表。混凝土的監測,當溫度達到30℃時,對冷卻水管進行試通水,當溫度達到35℃時必須通水。混凝土澆筑結束后,其溫度達到峰值后穩定下降,當溫度達到40℃以下冷卻水管停止通水,讓混凝土緩慢冷卻,當每層混凝土溫度均達到35℃時即可停止溫度監測。

4 承臺溫度監控結果分析

承臺溫度實測結果見圖6～圖9。需要說明的是,圖中的“外”代表的數據是圖4中位于承臺各側邊的4個測點溫度的幾何平均值;圖中的“內”代表的數據是圖4中除了位于承臺各側邊的4個測點以外各測點溫度的幾何平均值。

圖6 上游第一層溫度時變曲線

圖7 上游第二層溫度時變曲線

圖8 上游第三層溫度時變曲線

圖9 上游第四層溫度時變曲線

從圖6～圖9各層溫度變化及內外溫差變化曲線分析得知,各層溫度變化曲線基本類似,數據變化具有系統性。每層各測點溫度變化趨勢基本變化一致,混凝土溫度達到高峰值后,呈降低趨勢,最后趨于穩定。具體而言,監控結果顯示,承臺最大內外溫差為 23.7℃,滿足規范要求的最大值控制限值25℃;承臺混凝土內部最高溫度為62.2℃,接近第一節溫控計算所得混凝土中心最高溫度61.1℃;且最高溫度出現在澆筑后約60 h～96 h之間,也就是澆筑開始后約2 d～4 d時間后達到峰值,之后緩慢下降,趨于平緩。經對承臺混凝土進行外觀檢查,未發現有溫差裂縫產生,說明溫控措施達到了預期的效果。

5 結 語

(1)對大體積混凝土的相關參數進行計算,依據降低水化熱和溫差原則,擬定了工程所采用的混凝土材料類型及澆筑參數。

(2)通過對采用一次澆筑的南塔承臺混凝土布設五層冷卻水管作為降溫措施,監測結果表明,全部指標均未超過施工期內保證承臺不出現有害溫度裂縫而制定的溫控標準,溫控效果良好,且在混凝土澆筑7 d后拆模,經外觀檢查承臺表面未發現有害溫度裂縫,說明大體積混凝土的溫控措施是行之有效的,對類似工程的大體積混凝土施工亦具有一定的參考價值。

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Application of Temperature Monitoring and Control Technologies for Massive Concrete Slab

LIU Li-rong1,LIANG Feng2
(1.CCCC-THB Fourth Engineering Co.,Ltd.,Chongqing401147,China;2.Shanghai Xianxing Construction Supervision Co.,Ltd.,Shanghai200070,China)

The temperature monitoring and control of massive concrete are of vital importance to avoid or reduce the cracks caused by differential temperature in the concrete.Taking the massive concrete of a bridge bearing for example,the parameter calculations of the concrete are made here,and based on the analysis results,the material selection and pouring process,the construction practices and the monitoring program for the concrete to control the temperature and reduce the temperature cracks are proposed,thus to effectively prevent the generation of cracks in concrete structures,ensure the quality of the project,and provide a reliable guarantee for the smooth implementation of follow-up projects.

mass concrete;parameter calculation;control measure;monitoring program

U445

A

1672—1144(2012)01—0083—05

2011-10-08

2011-11-21

劉離榕(1973—),女(漢族),河南修武人,工程師,主要從事公路工程施工管理。