高强度大体积混凝土温度控制.doc

高强度大体积混凝土的温度控制前言：湖北省巴东长江大桥是209国道在三峡大坝上游库区跨越长江的一座特大型桥梁，主跨为388m双塔双索面预应力混凝土斜拉桥。北岸索塔高达212m，是国内最高的混凝土桥塔。索塔多处实心段最小边尺寸都在3米或3米以上，混凝土为C40或C50泵送混凝土，属于典型的高水泥用量、高水化热的“双高”大体积混凝土。温度裂缝是这类结构较为严重的质量通病，影响索塔的抗渗性和耐久性。为了解决温控问题，我们进行了一些探索，总结出了一套利用现有施工条件和技术力量进行的简便易行的温控方法，归纳整理，形成本文。一、温度控制的理论基础索塔实心段大体积混凝土，由于体积大，水泥用量多，水化热大，内外散热不均，并且高空风速大，养护困难，混凝土表面水分损失快，因此产生的裂纹绝大多数是温度裂纹和干缩裂纹。为了有的放矢地进行温度控制，有必要探讨一下温度裂纹的种类和产生条件。1 温度裂纹的分类：温度裂纹可以按裂纹产生的阶段分为以下两类：（1）温度上升阶段的裂纹：混凝土浇注后，水化作用产生大量的水化热，使混凝土温度上升。由于混凝土内部与表面的散热条件不同，因而中心温度高、膨胀变形大，表面温度低，膨胀变形小，从而使混凝土内部产生压应力、表面产生拉应力。表面拉应力一旦超过此时混凝土的极限抗拉强度，就会产生裂纹。拉应力随着表面开裂而释放，裂纹开展也随之停止。因此，温度上升阶段产生的裂纹是表面裂纹。（2）降温阶段的收缩裂纹。在混凝土浇注以后的35天，混凝土水化作用显著减弱，混凝土也由升温阶段转入降温阶段。此时混凝土温度越高，混凝土降温幅度越大，混凝土的收缩越显著。与之同时，混凝土还存在水分蒸发引起的干缩变形。降温收缩变形与干缩变形同时进行，如果此时结构受到边界条件的约束（如地基或其它相邻结构的外约束），不可避免地在结构中产生拉应力。如果这一收缩应力超过结构的抗拉强度，将会沿结构的薄弱断面发生贯穿性裂缝。这种裂缝对结构存在着较大的危害。由于塔柱混凝土的约束较为简单（仅有底面产生接触），收缩变形难以引起贯穿性裂纹。因此对于降温阶段我们重点防止表面失水引起的干缩裂纹。2 混凝土内部最高温度的计算无论升温阶段的内表温差还是降温阶段的温降幅度，都与混凝土内部的温度密切相关。因此，估算混凝土内部最高温度，对于温度控制具有重要意义。那么，混凝土的内部温度与哪些因素有关呢？研究表明，假定混凝土周围没有散热条件，即没有热量损失的情况下，水泥水化作用产生的水化热全部转化为温升后的最高温度，可按下面经验公式进行简化计算：WQCTmax = + F / 50 （1）式中：Tmax 最高绝热温升（）； W 每公斤水泥的水化热（kJKg），水泥厂可以提供。 Q 每立方米混凝土中水泥的用量（Kgm3）； C 混凝土的比热，一般取0.96 kJKg； 混凝土的容重， Kgm3； F 每立方米混凝土中粉煤灰的用量（Kgm3）。由于混凝土内部散热条件接近于绝热温升条件，升温阶段混凝土内部最高温度Tmax可以近似计算为入模温度T0与最高绝热温升Tmax的迭加，即：WQCTmax= T0 + + F / 50 （2）式中，T0混凝土入模温度（混凝土入模振实时的温度）。其它符号意义同前。二、利用现有条件开展温度控制按照目前桥梁施工惯例，大体积混凝土温度控制一般由业主委托的专业机构进行。在索塔大体积混凝土施工过程中，施工单位利用现有条件，进行简便易行的温度控制，实际上也取得较好的效果。具体做法如下：1、识别需要进行温度控制的结构或部位大体积混凝土都需要进行温度控制。在施工之前，应把结构最小边尺寸在13m以上，内表温差可能超过25按公式（2）估算的混凝土内部最高温度与外界气温进行比较的结构，应识别为大体积混凝土，列入温控清单，并在施工方案和施工计划中予以明确。2、制订温控方案2.1 温控的基本要求（1）控制混凝土内表温差不超过25；（2）控制混凝土降温速率。降温速率跟结构的降温幅度和受到的外约束有关。只要条件允许，应该尽可能的延缓混凝土降温速度，减少收缩应力。满足上面两条要求，基本可以消除温度上升阶段的表面裂纹和降温阶段混凝土的收缩裂纹。此外还有其它的控制指标，诸如入模温度控制、冷却水流量控制、表面覆盖材料与厚度等，将根据具体情况制订。3 温控的措施和方法3.1 控制混凝土内部最高温度要控制混凝土内表温差，就要对混凝土内部最高温度进行限制。混凝土内部温度来源于混凝土入模温度和水泥水化产生热量引起的温度上升，因此就从这两方面采取措施：精选混凝土原材料，优化混凝土配合比设计，降低水化热。其一，选用优质集料，采用“双掺”技术，优化配合比设计，可以在满足设计强度的条件下降低水泥用量，减少水化热；其二，选用水化热较低的水泥，可以显著降低混凝土内部温升。优先选用矿渣水泥、低热水泥，在满足强度要求的条件下优先选用较低强度等级的水泥。选择水泥品种时可以通过计算，比较3天水化热引起的混凝土内部温升来确定。例如，某C50大体积混凝土结构有2种配合比设计方案：方案一：选用普通52.5#水泥，3天水化热W1 =297KJ / Kg，水泥用量Q1=430Kg ，粉煤灰用量F1=70Kg；方案二：选用普通42.5#水泥，3天水化热W2 = 252KJ/Kg，水泥用量Q2=460Kg ，粉煤灰用量F2=50Kg；其它材料相同。其中混凝土比热C=0.96 kJ / Kg，混凝土容重=2450 Kgm3。按公式（1）计算混凝土内部绝热温升：方案一的内部温升T1=（W1*Q1）/（C*）+ F1 / 50 = 55.7（）方案二的内部温升 T2 =（W2*Q2）/（C*）+ F2 / 50 = 50.3（）由于水化热的差异，方案一尽管比方案二少用30公斤水泥，但是混凝土内部温升却要高5.4，而在温度控制中，这区区5.4却是十分宝贵的。其三，充分利用混凝土的后期强度。例如粉煤灰混凝土，早期强度低，后期强度高，可以按粉煤灰混凝土设计规程在不同环境中采用60天强度、90天强度甚至180天强度进行强度评定。不但降低了水泥用量，减少了水化热，而且也可以节约一定的成本。控制混凝土入模温度混凝土入模温度指混凝土经过搅拌、运输（输送）、入模、振实之后的温度。降低混凝土入模温度，可以直接降低混凝土内部最高温度。降低混凝土入模温度的措施有：A. 控制水泥温度。防止水泥存放期过短、温度过高时搅拌混凝土；B. 控制砂石材料温度。高温季节，应对砂石材料采取遮荫、冲水等降温措施；C. 降低拌和水温度。高温季节可以在拌和水中加冰冷却；D. 降低模板温度。通过遮荫、洒水降低模板温度；E. 降低混凝土运输途中的温度上升。车辆运输时，通过遮荫、冷却车厢可以降低温度，泵送混凝土应包裹泵管，并保持泵管湿润防止温度上升。通过冷却水降低混凝土内部温度在混凝土中布置冷却水管是一种直接有效的降温措施。但是，冷却水管的布置应科学合理，冷却水的供应要严格控制，才能发挥预期的效果。布置冷却水管有以下几点建议：A. 冷却水管的内径以2540mm为宜，间距以6080cm为宜；B. 冷却水管的通水长度宜为150m200m，太短不能充分发挥冷却水的作用，太长后管内水温过高，影响冷却效果；C. 冷却水管应安装流量表，随时控制通水量。冷却水管冷却效果的计算：冷却水带走的热量Q水= （Wi水ti水C水） （3） 式中：Q水冷却水带走的热量，kJ； Wi水分阶段测量的冷却水数量，Kg； ti水各阶段对应的进出水口的温度差，； C水水的比热，取4.187 kJKg。冷却水带走热量引起的混凝土温降th： th= Q水（ChVhh） （4）式中：Ch混凝土比热，取0.96 kJKg； Vh混凝土体积，m3； h混凝土的容重，Kgm3。冷却水管的通水，应通过理论计算事先制定流量计划，再根据实测温度进行调整，始终保持混凝土内表温差不超过25，降温速率不超过预定标准。（2）保持混凝土表面温度控制内表温差，除了尽量降低混凝土内部温度以外，还应该尽量保持混凝土表面温度，使之不至于下降过快引起温差过大。同内部温度控制相比，保持混凝土表面温度虽然要简单得多，但是也更容易被忽视。通常采取的措施，有以下几条： 延迟拆模时间。如果是钢模板，由于钢材的导热性能好，在拆模之前还应该对模板进行包裹、覆盖。 合理安排拆模时间，应该尽量将拆模安排在气温较高的时候进行； 拆模之后立即严密覆盖，覆盖材料及厚度应通过计算确定，使之保温保湿，防止表面温度下降过快； 冬季施工用热水养护，或者采用取暖设备提高表面温度。在这些措施中，最容易被忽视的关键环节是对钢模和混凝土表面的及时覆盖。如果覆盖不及时，或者覆盖效果不理想，甚至在拆模之前就会产生裂纹。3、控制混凝土的降温速率控制降温速率的方法，就是在温度峰值出现之后加大温度观测频率，观察降温速度。一般情况下，当峰值过后，温度开始下降，就应该减小冷却水的流量，并逐渐停水，让混凝土自然缓慢冷却。在冷却过程中，仍然要观察内表温差，使之满足控制标准。在混凝土降温阶段，必须严格养护，防止混凝土表面水分蒸发过快引起干缩。否则混凝土失水干缩和降温收缩共同作用，很可能出现表面裂纹甚至贯穿性的收缩裂纹，对结构形成破坏。养护应按照施工技术规范的要求进行。表面覆盖时间一般不少于7天，如果是冬季施工，覆盖时间可以延长到14天。三、温控计算实例下面以巴东长江公路大桥北岸索塔下塔柱起步段（实心段）的温控为例，介绍温控计算和控制过程。（一） 工程简况索塔下塔柱起步段为双柱式混凝土实心段。横桥向宽度为4.8m，顺桥向宽度为6m，高度3m，外侧为椭圆弧形，混凝土体积Vh=84m3，强度等级C50，是典型的高强度大体积混凝土。根据批准的配合比，普通52.5#水泥430 Kg/m3，级粉煤灰70 Kg，掺加了高效泵送剂。泵送水平距离50m，垂直高度80m，控制坍落度182cm。混凝土容重r=2440Kg/m3。葛洲坝水泥厂提供了水泥的水化热试验报告。3天水化热W3 =297 kJ / Kg ，7天水化热W7 =314 kJ / Kg。设计上在混凝土内部布置了冷却水管，在混凝土表面23cm处设置了6带肋防裂钢筋网片，其中冷却水管布置（见上图）了2层，内径40mm，总长度164米，垂直间距为1米，水平间距为75cm，外侧冷却水管距混凝土表面38cm。（二） 制定温控标准：混凝土内表温差不超过25,温降平缓。（三） 计算温控参数1、估算混凝土内部最高温度。由于冷却水的影响，内部温度估计 48小时达到峰值。48小时龄期的水化热偏安全地参照3天水化热W3 =297 KJ / Kg取值。按照公式（2）计算2天龄期混凝土内部最高温度：Tmax =28.8+（297430）（0.962440）+7050=84.7（）2、计算峰值时冷却水的计划降温幅度确定表面温度控制指标Tb=45计算峰值时冷却水对混凝土的计划温降th = Tmax-Tb-25=14.7（）3、计算冷却水每小时计划流量冷却水完成混凝土温降th=14.7需要带走的热量按公式（4）计算Q水=（ChVhh）th =（0.96842440）14.7=2892396（kJ）按进出水口平均温差t水=4.0进行估算，冷却水48小时使混凝土降温14.7所需要的流量（m3h）为Q水（48C水t水） = 2892396（484.1874）= 3598（Kgh）4（m3h）（四） 温控的主要流程1、设置冷却水管，布设供水设施按设计图布设冷却水管，浇注混凝土前进行通水实验防止漏水。由于索塔较高（承台以上85.5m），专门布置自来水管到施工位置，供水量不小于4m3h。进水口安装流量表用于检查冷却水的流速和流量。2、布置测温点，预留测温孔为了测量混凝土内部温度，我们在混凝土内部预留测温孔（把40mm的钢管插入混凝土内部指定测点，下口密封，上口露出混凝土顶面10cm，用绝热材料塞紧）。测点布置在两层冷却水管的中心位置。3、测量与记录温度测量采用点温计和水银温度计。内部温度用点温计深入到测孔底部的测点直接测量，24小时内每4小时测量一次，以后每2小时测量一次直到峰值出现，此后仍然每4小时测量一次。测量温度的同时，对气温、进出水口温差、冷却水流量、混凝土表面温度同时进行测量并作好记录。 部分温度及冷却水测量记录龄期内部实测温 度冷却水 累计流量平均流速进出水口温 差进出水口平均温差备 注(h)()(m3)(m3h)()()028.8入模温度115433 4.1 3.5 3.53小时开始通水136443 4.3 3.8 15.56758 4.6 4.2 18.56875 4.8 3.0 34.570154 4.9 3.2 37703972163 4.5 3.4 4473172 4.2 3.9 峰值5967245 4.4 3.7 改为串联供水8461292 3.6 6.0 5.99658312 3.4 5.8 停水备注：龄期59h之前采用上下层冷却水管分别供水，管道长度82m，从效率来看，较不经济；此后改为上下层管道串联供水，管道长度164m，显得更为合理。4、通冷却水在混凝土浇过第一层冷却水管（起算龄期）的3小时之后开始通水，水量控制在4m3h左右。安排专人看护，保证连续供水。5、出现峰值在44小时龄期出现峰值（73），比预计提前4小时。此时冷却水供水量为172m3，平均进出水口温差3.5，冷却水对混凝土累计降温12.8。如果不考虑冷却水的影响，内部最高温度将达85.8，与事前估算的84.7只差1，证明计算是比较准确的。6、表面覆盖与养护事前确定的混凝土表面温度控制指标Tb为45，养生期间气温为2732，因此必须采用蓄热养生提高表面温度。覆盖物采用双层塑料薄膜组成中空隔热层，对塔柱进行严密包裹。温度测量表明，覆盖后的表面温度均超过45，达到预期效果。7、降温控制温度峰值过后继续通水，混凝土温度持续下降，峰值之后15小时（59h龄期）温度下降了6，显示温降过快，立即减少通水量。龄期4天时混凝土温度下降到58