楊志學(xué), 張林艷, 王立偉

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

目前,大體積混凝土已廣泛應(yīng)用于建筑物、橋梁、隧道等重要工程中。由于混凝土水化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高,易引起裂縫等損害,因此,在大體積混凝土施工過(guò)程中,需要采取有效的溫度控制和防護(hù)措施。

當(dāng)前,大體積混凝土的溫度控制和防護(hù)主要依靠經(jīng)驗(yàn)及傳統(tǒng)手段,效果有限,難以滿足工程質(zhì)量和安全要求。智能溫控系統(tǒng)作為近年新興技術(shù),在大體積混凝土施工中的應(yīng)用逐漸受到重視。該技術(shù)利用數(shù)學(xué)模型、計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)部溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,可以精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)分布,及時(shí)采取措施控制溫度升高,為混凝土養(yǎng)護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 混凝土水化反應(yīng)與溫度升高的關(guān)系

混凝土的水化硬化過(guò)程是水泥與水混合后發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。在這個(gè)反應(yīng)過(guò)程中,水泥與水中的鈣離子和硅酸根離子結(jié)合成水化硅酸鹽,其中包括硅酸二鈣、硅酸三鈣和硫鋁酸鈣,這些反應(yīng)產(chǎn)物的生成與混凝土強(qiáng)度的提升密切相關(guān)。溫度對(duì)混凝土水化反應(yīng)的影響主要是加速反應(yīng)速度[1]。

當(dāng)混凝土受到高溫影響時(shí),其中的水化反應(yīng)將加速,混凝土早期強(qiáng)度也會(huì)增加。但是隨著時(shí)間的推移,溫度過(guò)高會(huì)對(duì)混凝土水泥石膠凝結(jié)晶產(chǎn)生不可逆的影響,導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度和耐久性下降。高溫易造成混凝土內(nèi)部蒸汽壓力迅速增加,從而引起混凝土孔結(jié)構(gòu)的膨脹,形成裂縫,進(jìn)而加速混凝土的龜裂和破壞。另外,高溫還會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)的凍融損傷、鋼筋銹蝕等問(wèn)題,因此,在混凝土的使用和施工中,溫度控制十分重要。通過(guò)采用智能溫控系統(tǒng)及相應(yīng)技術(shù)手段,可以對(duì)大體積混凝土進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的溫度監(jiān)測(cè)和控制,降低溫度對(duì)混凝土品質(zhì)和性能的不良影響,提高混凝土的耐久性和使用壽命。

2 應(yīng)用實(shí)例

本研究應(yīng)用于貴州某高速引底河特大橋主墩承臺(tái),引底河特大橋?yàn)樯絽^(qū)V型溝谷而設(shè)。橋梁按路線分幅設(shè)計(jì),主橋平面位于直線上,主橋縱斷面位于直線上,橋梁縱坡:左幅為1.00%,右幅為0.70%。引底河特大橋左右幅孔跨布置:(96+180+96) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)加1×30 m簡(jiǎn)支T梁。左幅橋起點(diǎn)樁號(hào):ZK14+240.120,終點(diǎn)樁號(hào):ZK14+654.800,橋梁全長(zhǎng)414.68 m,中心樁號(hào):ZK14+432.000;右幅橋起點(diǎn)樁號(hào): YK14+240.120,終點(diǎn)樁號(hào):YK14+654.800,橋梁全長(zhǎng) 414.68 m,中心樁號(hào):YK14+432.000。主墩均為雙肢薄壁空心墩接箱型空心墩及雙肢薄壁空心墩。每肢薄壁墩釆用箱型截面,橫橋向8.5 m,順橋向3.2 m,兩片墩間凈距為6.6 m。墩身上部端與箱梁0號(hào)梁段固接,下部端接箱型空心墩。箱型空心墩釆用單箱3室截面,橫橋向?qū)?.5 m,順橋向?qū)?3 m,箱型空心墩上部與雙肢薄壁墩固結(jié),下部與承臺(tái)固結(jié)。2號(hào)主墩承臺(tái)采用24 m×17.5 m×6.0 m矩形承臺(tái),1號(hào)主墩承臺(tái)釆用15.5 m×18 m×6.0 m矩形承臺(tái),過(guò)渡墩承臺(tái)釆用8.8 m×12 m×4 m矩形承臺(tái),承臺(tái)底層設(shè)有C25片石混凝土墊層。

本文中的結(jié)構(gòu)混凝土溫度控制采用預(yù)埋冷卻水管循環(huán)通水降溫,內(nèi)部測(cè)溫采用建筑電子測(cè)溫儀進(jìn)行。該測(cè)溫儀是根據(jù)我國(guó)建筑行業(yè)施工特點(diǎn)和有關(guān)技術(shù)規(guī)范研制的專業(yè)測(cè)溫儀器,可直觀、準(zhǔn)確、快捷地顯示被測(cè)溫度,具有可靠性好、適用范圍廣、寬溫操作環(huán)境、體積小重量輕、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。它由主機(jī)和測(cè)溫線組成,主機(jī)為便攜式儀表,設(shè)有電源開關(guān)、照明開關(guān)、插座和液晶顯示屏,可顯示被測(cè)溫度值,測(cè)溫線為預(yù)埋式,由插頭、導(dǎo)線和溫度傳感器制成,每支測(cè)溫線可測(cè)1個(gè)點(diǎn)的溫度。測(cè)溫時(shí)按下主機(jī)電源開關(guān),將測(cè)溫線插頭插入主機(jī)插座中,主機(jī)顯示屏即可顯示相應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)的溫度[2]。

2.1 冷卻水循環(huán)

根據(jù)冷卻水管布置層數(shù)、進(jìn)水口位置,采用1臺(tái)或2臺(tái)離心式增壓泵統(tǒng)一供應(yīng)循環(huán)水,每個(gè)散熱管的進(jìn)水口連接在1根供水管上,分別設(shè)閥門,單根水管流速按0.8～1.0 m/s控制。為便于控制溫度,每個(gè)承臺(tái)應(yīng)預(yù)備足夠的供水水源,抽取河水作為冷卻供水,且將出口水匯于同一水箱內(nèi),降溫后備用,做到循環(huán)利用。

在水冷卻降熱過(guò)程中,應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)水流量及水溫控制進(jìn)水溫度與混凝土最高溫度之間的溫差,宜為15～25 ℃;出水溫度與進(jìn)水溫度之差為3～6 ℃;降溫速率每天不宜大于2 ℃,且4 h不宜大于1 ℃。當(dāng)混凝土內(nèi)部最高溫度與表層溫度之差不大于15 ℃時(shí),可暫停水冷卻作業(yè);當(dāng)測(cè)溫管實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)部溫度與表層溫度之差大于25 ℃時(shí),應(yīng)重新啟動(dòng)水冷卻系統(tǒng),并調(diào)整進(jìn)水水溫,若水溫比混凝土內(nèi)部溫度低得多,則加熱進(jìn)水。

混凝土澆筑前,應(yīng)在冷卻水管中預(yù)先注滿冷卻水,每層冷卻水管被澆筑的混凝土覆蓋,振搗完畢初凝后,即可啟動(dòng)該層冷卻水管通水降溫。承臺(tái)從澆筑起至澆筑完畢,應(yīng)連續(xù)不間斷注水,至混凝土溫度滿足上述要求,方可停止冷卻水循環(huán);水冷卻降溫結(jié)束后,應(yīng)及時(shí)用水泥漿對(duì)冷卻水管進(jìn)行壓漿封堵。

2.2 混凝土溫度監(jiān)測(cè)

2.2.1 測(cè)區(qū)及測(cè)點(diǎn)布置

據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496—2018)、《大體積混凝土溫度測(cè)控技術(shù)規(guī)范》(GBT 51028—2015)規(guī)定,溫控測(cè)試區(qū)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置位置要求如下。

1)測(cè)試區(qū)選擇混凝土澆筑體平面圖對(duì)稱軸線的半條軸線,測(cè)試區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)按平面分層布置。

2)在檢測(cè)區(qū)內(nèi),監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置與數(shù)量可根據(jù)混凝土澆筑體內(nèi)溫度場(chǎng)的分布及溫控要求確定。

3)在每條測(cè)試軸線上,監(jiān)測(cè)點(diǎn)位應(yīng)不少于4處,根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何尺寸布置(見(jiàn)圖1)。

單位:mm。

4)按混凝土厚度,每個(gè)測(cè)位布置3～5個(gè)測(cè)點(diǎn),分別位于混凝土表層(距表面50 mm)、中心、底層(距底面50～100 mm)及中上、中下部位(見(jiàn)圖2)。

5)本方案采用冷卻水降溫,測(cè)位和測(cè)點(diǎn)均布置在相鄰2層冷卻水管中間位置。

6)砼澆筑時(shí)安排3名人員輪班進(jìn)行溫度檢測(cè),1次/h。

圖2 大橋2#墩測(cè)溫點(diǎn)立面布置圖

2.2.2 測(cè)溫元件選擇

據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50496—2018)規(guī)定,本方案所用測(cè)溫元件應(yīng)滿足以下幾點(diǎn)要求。①25 ℃環(huán)境下,測(cè)溫誤差不應(yīng)大于0.3 ℃。②溫度測(cè)試范圍應(yīng)為-30～120 ℃。③測(cè)試元件絕緣電阻應(yīng)大于500 MΩ。④測(cè)溫線的長(zhǎng)度為測(cè)溫點(diǎn)的深度再加上200 mm。

2.2.3 測(cè)溫元件安裝及保護(hù)

1)測(cè)溫元件安裝前,應(yīng)在水下1 m處浸泡24 h不損壞。

2)預(yù)埋元件安裝。將測(cè)溫元件綁扎固定在支撐物上(采用?16 mm以上豎向鋼筋,其長(zhǎng)度為澆筑體厚度再加上20 cm)。澆筑混凝土前,將綁好測(cè)溫線的支撐物植入混凝土中,固定牢固,不同高度位置測(cè)溫點(diǎn)的溫度傳感器不得與支撐物、承臺(tái)構(gòu)造筋接觸(采用30 mm×30 mm×30 mm的小方木作為隔離)[3]。

3)每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的測(cè)溫元件引出線集中布置,不同高度的引出線做好相應(yīng)高度標(biāo)簽,連接插頭留在混凝土外面并用塑料袋罩好,避免潮濕,保持清潔。

4)混凝土澆筑過(guò)程中,應(yīng)對(duì)測(cè)溫元件進(jìn)行保護(hù),下料和振搗時(shí)不得直接沖擊和觸及測(cè)溫元件及引出線。

2.2.4 溫度控制指標(biāo)及測(cè)溫頻率

1)溫度監(jiān)控指標(biāo):里表溫差小于28 ℃。

由于現(xiàn)有大型鍛壓機(jī)械已無(wú)法在設(shè)備和工藝上進(jìn)行大范圍的改動(dòng)，因此，在設(shè)備、工藝及周圍環(huán)境已經(jīng)確定的情況下，隔絕噪聲的傳播途徑是降噪的主要措施。

2)降溫速率不宜大于2 ℃/d,且4 h不宜大于1 ℃。

3)揭開保溫層時(shí)的混凝土表面與環(huán)境最大溫差應(yīng)小于20 ℃。

4)停止溫度監(jiān)測(cè)指標(biāo):滿足上述1)條,且混凝土最高溫度與環(huán)境最低溫度之差連續(xù)3 d小于25 ℃。

5)監(jiān)測(cè)周期與頻率。①混凝土澆筑結(jié)束后3 d內(nèi):每隔2 h測(cè)1次。②混凝土澆筑結(jié)束后4～15 d:每隔4 h測(cè)1次。③混凝土澆筑結(jié)束后16 d:每隔24 h測(cè)1次。④當(dāng)里表溫差小于25 ℃時(shí),停止測(cè)溫[4]。

2.2.5 溫控監(jiān)測(cè)規(guī)定

1)大型混凝土澆筑室內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置,應(yīng)當(dāng)以能夠準(zhǔn)確反映澆筑室內(nèi)最熱增加量、芯部溫度與表面溫差、降溫速度和周圍溫度等為依據(jù)。

2)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)以測(cè)試區(qū)為基準(zhǔn),測(cè)試區(qū)中的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位按照一定的代表性,進(jìn)行分層布設(shè),在基座對(duì)稱軸上不少于4個(gè),并根據(jù)結(jié)構(gòu)幾何特征進(jìn)行布設(shè)。

3)在混凝土澆筑體壁厚的方向上,外表面應(yīng)有一定的排布。底部及中央溫度測(cè)量點(diǎn)、其他測(cè)量點(diǎn)的距離不應(yīng)超過(guò)600 mm。

4)大容積混凝土澆筑后,至少4次/d,每天至少檢測(cè)4次核心與表面的溫差、冷卻率、環(huán)境溫度和應(yīng)變,每個(gè)工班至少檢測(cè)2次。

5)澆筑在混凝土表面以下500 mm范圍內(nèi)的,建議設(shè)置在混凝土表面以下。

2.2.6 減輕溫度應(yīng)力的措施

通過(guò)提高骨料級(jí)配、使用干法、摻合料、添加引氣劑和增塑劑等方法來(lái)降低混凝土的水泥用量。在溫度超過(guò)25 ℃時(shí),澆筑時(shí)應(yīng)減小澆筑層的厚度,并充分利用澆筑層的熱量。在混凝土內(nèi)部埋置1根軟管,注入涼水使其冷卻。為防止混凝土表層出現(xiàn)明顯的溫差,設(shè)定合理的拆模時(shí)間,在氣溫突然下降時(shí)做好表層隔熱處理。

3 混凝土保溫養(yǎng)護(hù)措施

大體積混凝土在每次澆筑完成后,除了按照一般混凝土進(jìn)行常規(guī)養(yǎng)護(hù)之外,還應(yīng)該按照溫度控制技術(shù)措施的要求,對(duì)大體積混凝土進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)。

1)保持水分的保鮮期,至少要28 d。保溫罩的拆除要分階段進(jìn)行,在混凝土表面溫度與外界最大溫差不超過(guò)20 ℃的情況下,可以徹底拆除。

2)養(yǎng)護(hù)時(shí),要確保膠膜和養(yǎng)護(hù)涂料完好,使混凝土表面始終保持濕潤(rùn)。

3)在大體積混凝土的保溫與養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,對(duì)其內(nèi)部與表面的溫度、冷卻速度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),如果監(jiān)測(cè)值達(dá)不到控溫指標(biāo),則需要及時(shí)調(diào)整保溫與養(yǎng)護(hù)方法。

4)大型混凝土在拆除模板后,要做好防凍、降溫、強(qiáng)干的養(yǎng)護(hù)工作。一般情況下,大體積混凝土的拆除時(shí)間可適當(dāng)推遲,而將模板用作保溫和維護(hù)措施時(shí),則須按溫度控制的需要來(lái)決定拆除時(shí)間[5]。

4 混凝土特殊氣候條件保障措施

在遇到炎熱、冬季、大風(fēng)或者雨雪天氣等特殊氣候條件時(shí),大體積混凝土施工必須采用行之有效的技術(shù)措施,確?；炷翝仓宛B(yǎng)護(hù)的質(zhì)量,并且還應(yīng)該符合以下規(guī)定。

1)當(dāng)在炎熱季節(jié)澆筑大體積混凝土?xí)r,應(yīng)該將混凝土原材料進(jìn)行遮蓋,避免日光暴曬,并用冷卻水?dāng)嚢杌炷?或采用冷卻骨料、攪拌時(shí)加冰等方法降低入模溫度,必要時(shí)采用混凝土中埋入冷卻管措施,在混凝土澆筑之后,應(yīng)及時(shí)進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。

2)在冬天,用熱水?dāng)嚢韬凸橇霞訜岬确椒▉?lái)提高混凝土原料的溫度,使混凝土的入模溫度不能低于5 ℃。在澆筑完混凝土后,要立即做好保溫和濕潤(rùn)的工作。

3)在強(qiáng)風(fēng)條件下進(jìn)行混凝土澆筑,施工現(xiàn)場(chǎng)要做好防風(fēng)工作,減小混凝土表層的流速,加大對(duì)混凝土表層的刮除力度,并要及時(shí)鋪上塑料布等隔熱材料,以保證混凝土表層的水分不會(huì)流失,以免出現(xiàn)干燥現(xiàn)象。

4)惡劣的氣候條件下,不能在戶外進(jìn)行混凝土澆筑,如果確需在室外進(jìn)行,必須采取相應(yīng)的措施,以保證混凝土質(zhì)量。在澆筑過(guò)程中,如果突然遇到了下雨或者大雪天氣,在結(jié)構(gòu)合理的位置上要預(yù)留施工縫,并在最短時(shí)間內(nèi)停止?jié)仓炷?并且對(duì)尚未硬化的混凝土進(jìn)行覆蓋,防止雨水對(duì)新澆筑混凝土的直接沖刷。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文深入剖析了混凝土溫度對(duì)強(qiáng)度和耐久性的影響,并詳細(xì)闡述了混凝土溫度控制技術(shù),系統(tǒng)介紹了混凝土溫度監(jiān)測(cè)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí),還探討了大體積混凝土的保護(hù)措施,這些保護(hù)措施的實(shí)施能幫助降低溫度對(duì)混凝土品質(zhì)和性能的不良影響,提高混凝土的耐久性和使用壽命。