大體積混凝土溫控措施探討

摘要：本文通過對佛山市汾江路南延線工程（瀾石路至裕和路段）中沉管隧道主體大體積混凝土施工溫控實例的分析，介紹高溫天氣下大體積混凝土溫度控制的主要措施及混凝土澆筑溫度的計算方法。

關鍵詞：大體積混凝土；溫度控制；沉管隧道；入模溫度

1、前言

自1894年美國在波斯頓修建世界上第一座沉管隧道以來，到現在世界上已經修建了一百多座沉管隧道[1]。沉管法作為一種先進的隧道施工方法發展至今，已有了其成熟的施工工藝。其主要施工工序有：管節主體預制、基槽開挖、管節沉放安裝、基礎處理、最終接頭處理、管內鋪裝等。管節主體預制作為施工過程中極其重要的一環，其實施的好壞直接關系到整個工程的質量。

沉管隧道作為水下大體積鋼筋混凝土建筑物，其預制階段的裂縫控制直接關系到整條隧道的防水性及耐久性。混凝土澆筑期間，混凝土內部溫度由于水化熱聚集且難以散發，將明顯升高；而混凝土表面溫度則由于散熱條件良好，將較快下降。溫差產生的混凝土表面拉應力將逐漸增大，當該應力大于混凝土極限抗拉強度時，混凝土表面將產生溫度裂縫。因此，作為減少溫度裂縫的重要手段，合理的混凝土溫度控制措施是沉管管節主體預制質量保證的關鍵點之一。

2、溫度控制措施介紹

2.1、概述

2.1.1、溫控措施概述

大體積混凝土溫控措施主要包括三大部分，即實驗室優化配置、混凝土入模溫度控制、混凝土澆筑后溫度控制。

實驗室優化配置包括：原材比選、膠凝材料體系優化、配合比優化等。

混凝土入模溫度控制包括：膠凝材料溫控、骨料溫控、拌合用水溫控、拌制及運輸設備溫控、控制混凝土運輸時間、合理選擇澆筑時間等。

混凝土澆筑后溫度控制包括：埋設混凝土內部冷卻水管、加強混凝土養護、布設測溫點記錄溫度變化狀況等。

2.1.2、設計要求

本工程沉管段主體混凝土設計為C40P10防水混凝土，結構設計使用壽命100年，混凝土出槽及澆筑入模溫度≤30℃，混凝土里表溫差（除側墻外）≤20℃，混凝土里表溫差（側墻）≤15℃，混凝土內部最高溫度≤70℃，混凝土表面與環境溫差≤20℃，混凝土表面與養護水溫差≤15℃，降溫速率≤2℃/d。

2.2、實驗室優化配置

2.2.1、原材料的比選

本工程通過對施工現場附近混凝土拌合站的生產能力、技術實力、至工地的運輸時間等方面進行調研，在拌和站對各種混凝土原材進行取樣檢測及比選，形成最優原材料配置方案。

2.2.2、膠凝材料體系優化設計

膠凝材料主要包括水泥及粉煤灰、礦渣粉等摻合料，選擇水化熱低、放熱慢的膠凝材料體系是混凝土溫度實驗室控制的重要部分。在混凝土中摻加粉煤灰及礦渣粉代替部分水泥或細骨料，不僅能降低成本及水化熱，而且能提高混凝土的各項性能，減少混凝土的收縮和開裂等[3]。

本工程利用膠凝材料體系水化熱測定裝置，通過對純水泥體系、單摻粉煤灰體系、雙摻粉煤灰及礦渣粉體系進行放熱性能測定研究，在滿足混凝土設計強度、抗滲性能、耐久性等要求的前提下，選擇最有利于混凝土溫度控制的組合。

2.2.3、配合比優化設計

本工程通過對侖頭-生物島隧道、洲頭咀隧道、港珠澳大橋沉管隧道等已完成或在建的隧道工程混凝土配合比進行調研，分別按不同水膠比、按不同比例單摻粉煤灰或雙摻粉煤灰及礦渣粉、按不同重量使用水泥及骨料等等進行初步配置，對按照不同配比產出的混凝土進行物理力學性能測試，最后在一系列組合中選擇符合設計要求的最優配合比。

2.3、混凝土入模溫度控制

2.3.1、膠凝材料溫度控制

按照施工需求提前2～3天安排水泥、粉煤灰、礦渣粉等膠凝材料進場，盡可能降低膠凝材料在生產過程中殘留的熱量。

現場實測新進場水泥溫度約70～80℃，放置2～3天可降低至約55℃。

2.3.2、骨料溫度控制

按照配合比計算可知，骨料所占混凝土重量比例為（（727+1046）/2361.4=）75%，因此降低骨料溫度可以更為明顯的降低混凝土出倉溫度。按照以往施工經驗，可采取以下措施降低骨料溫度：

（1）加裝遮陽棚對骨料進行遮擋，避免陽光直射；

（2）抽取深井水或冷卻水對粗骨料進行噴淋，同時應注意測定使用時粗骨料的含水率，并對理論配合比用水量進行修正。

（3）選擇氣溫較低的時候使用骨料。

（4）采取風冷措施，在骨料倉內利用0℃以下的冷風對骨料進行降溫，該方法普遍應用于低溫混凝土的生產。

（5）采用液氮降溫，利用液氮的超低沸點，在使骨料快速降溫的同時，又不影響混凝土性能。該方法同樣可利用于拌合用水的降溫及混凝土成品的降溫。

現場實測骨料在露天陽光直射的情況下，溫度可達42℃，考慮到混凝土產量及成本，本工程僅采取了方法（1）～（3）對骨料進行降溫。采取方法（1）之后，骨料溫度可降低至34℃；采取方法（3）之后，骨料溫度可減低至28℃；采取方法（2）之后，粗骨料溫度可降低至25℃。

2.3.3、拌合用水溫度控制

混凝土施工中通常采用抽取深井水、拌合用水加碎冰、工業冷水機降溫等形式控制拌合用水溫度。

本工程采取加碎冰的形式控制拌合用水溫度，實測加冰前水溫約22℃，加冰后水溫約10℃。

2.3.4、其他控制措施

（1）抽取深井水，對攪拌機、原材倉、料斗、運輸攪拌車進行噴淋降溫。

（2）控制混凝土運輸時間：混凝土運輸應充分考慮惡劣天氣、節假日及上下班時段等車流高峰期，避開繁忙路段，同時應事先安排好備選運輸路線，保證在出現塞車、道路橋梁維修等意外情況時，仍能夠及時將混凝土運輸至施工現場。

（3）施工現場夏季14：00氣溫較20：00至次日8：00氣溫可高出5～7℃，選擇夜間施工可以有效的降低混凝土入模溫度。

2.3.5、理論溫度計算及實際對比

采取降溫措施前，砂含水率取4%，碎石含水率取0%；采取降溫措施后，砂含水率取4%，碎石含水率取1%。

混凝土理論拌合溫度T0=總熱量/總熱當量=107743/2690=40℃，不符合設計及規范要求，必須采取溫度控制措施。

（1）混凝土理論拌合溫度計算

理論拌合溫度T0=總熱量/總熱當量=72607/2690=26.99℃。

（3）混凝土理論澆筑溫度計算

理論入模溫度T3=T1-（a1t1+0.032n+a2t2）×（T1-T4）=28.65℃≤30℃

其中：T1為混凝土理論拌合溫度，取26.99℃

T4為環境溫度，取32℃

a1為運輸溫度損失系數，按混凝土攪拌車運輸，取0.252/小時

t1為混凝土運輸時間，按現場實際情況，取1小時

n為混凝土轉運次數，按出倉各入模1次，取2次

a2為澆筑溫度損失系數，取0.003℃/分鐘

t2為混凝土澆筑時間，取5分鐘

（4）現場實測混凝土入模溫度基本保持在28～30℃范圍內，與理論計算值基本一致。

2.3、混凝土澆筑后溫度控制

2.3.1、埋設混凝土內部冷卻水管

考慮到本工程側墻混凝土里表溫差要求較高（≤15℃），因此在側墻厚度中心位置以0.4～0.8m排距埋設6排φ30循環冷卻水管，流量約50～60m3/h，以帶走內部混凝土水化熱的形式減低混凝土中心溫度。

2.3.2、加強混凝土養護

保濕保溫養護可以讓混凝土具備更好的硬化條件，提高混凝土濕度可以減少干縮裂縫的產生，加快混凝土強度增長；降低混凝土表面溫度散失速率可以降低混凝土里表溫差，在提高混凝土強度的同時減少溫度應力，從而減少溫度裂縫的產生。

2.3.3、布設測溫點記錄溫度變化狀況

在結構側墻、底板、頂板、轉角位、最厚混凝土、對稱軸等具有代表性的位置，參照實際情況各設置一組測溫點，分別位于該位置的混凝土中心及表面；設置一處環境測溫點；設置一處養護水測溫點；冷卻水管進出口各設置一處測溫點；用于監測混凝土中心溫度、表面溫度、降溫速率、里表溫差、表面與環境溫差、表面與養護水溫差、冷卻水降溫效率等等。

3、結語

沉管隧道主體結構預制過程中，可根據設計及規范要求，結合施工現場實際情況，計算多種組合情況下混凝土理論入模溫度，確定經濟、合理、行之有效的溫度控制方案，在確保施工質量的前提下，保證施工的順利進行。

參考文獻：

[1]沉管隧道的發展綜述及瓊州海峽沉管隧道方案[Z].

[2]胡勇前，鄧春林等.佛山市汾江路南延線工程沉管混凝土配合比設計及大體積混凝土防滲抗裂和耐久性技術研究[Z].

[3]用于水泥和混凝土中的粉煤灰（GB/T1596-2005）[S].