淺談大體積混凝土的內(nèi)部溫度及偏差分析

引言大體積混凝土的溫升控制和溫度裂縫控制一直是工程技術(shù)長(zhǎng)期關(guān)心和共同研究的重要問(wèn)題。當(dāng)理論計(jì)算混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)25℃時(shí)，需要通過(guò)嚴(yán)格控制混凝土拌合及施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，優(yōu)選材料,優(yōu)化混凝土配合比,根據(jù)不同的氣候變化組織混凝土的生產(chǎn)和施工,并利用先進(jìn)、準(zhǔn)確、及時(shí)的測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的結(jié)果來(lái)指導(dǎo)混凝土養(yǎng)護(hù)方法。溫度應(yīng)力是由于澆注混凝土后，水泥的水化反應(yīng)放熱導(dǎo)致混凝土體積的膨脹或收縮,

在受到內(nèi)部或外部的約束時(shí)而產(chǎn)生的。內(nèi)部約束應(yīng)力是由于混凝土內(nèi)部不同的溫度分布引起的不同的體積變化而導(dǎo)致的應(yīng)力，即水化反應(yīng)初期由于中心部分溫度比表面溫度高,

會(huì)導(dǎo)致表面產(chǎn)生拉應(yīng)力；而溫度開(kāi)始下降時(shí)中心部分的收縮會(huì)比表面部分多，此時(shí)中心部分會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。內(nèi)部約束應(yīng)力的大小與內(nèi)外溫差成比例。外部約束應(yīng)力是新澆筑的混凝土由于水化熱而發(fā)生的體積變化，受到與其接觸的已澆筑混凝土或者地基等的約束而產(chǎn)生的應(yīng)力。外部約束的作用與接觸面積的大小和外部約束的剛度等因素相關(guān)。混凝土組成材料的選用對(duì)大體積混凝土產(chǎn)生的水化熱高低有直接的影響。合理的混凝土配合比應(yīng)具有較低的水泥用量、較低的水化熱、較低的水灰比，同時(shí)具有較好的和易性和可泵送性。1工程概況工程基礎(chǔ)底板厚1米，強(qiáng)度等級(jí)為C40P10抗?jié)B混凝土，一次性澆注方量約1000方。就大體積混凝土而言，由于結(jié)構(gòu)面積大，混凝土數(shù)量較多，混凝土在水化過(guò)程中釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，因此此次澆筑的混凝土除必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性以外，還應(yīng)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)物的整體性和耐久性等方面的特殊要求，更主要的是要降低混凝土的內(nèi)外溫差。大體積混凝土經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題不是力學(xué)上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而是混凝土溫度裂縫，為此，需采取一定的技術(shù)措施避免溫度裂縫的出現(xiàn)。2混凝土配合比設(shè)計(jì)2.1原材料針對(duì)本工程的特殊性，選用質(zhì)量穩(wěn)定、活性較高、需水量低、流變性能好的P.O42.5水泥，C3S含量≥55%，C2S含量≥25%，C3A含量≤8%，堿含量≤0.6%的低收縮水泥；細(xì)骨料采用混合砂，細(xì)度模數(shù)2.3～2.9，含泥量≤2.5%的Ⅱ區(qū)中砂；粗骨料采用含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0.50%，針、片狀顆粒含量≤15%，壓碎指標(biāo)值≤10%，粒徑為5～25mm的連續(xù)級(jí)配碎石。摻合料采用細(xì)度≤20%，燒失量≤5%，需水量≤100%的Ⅱ級(jí)粉煤灰以及比表面積≥400m2/kg的S95級(jí)磨細(xì)礦渣。外加劑采用瑞創(chuàng)聯(lián)有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高性能減水劑，減水率大于20%，收縮率比≤120%。2.2混凝土配合比表2-1混凝土配合比，kg/m3水膠比砂率水泥P.O42.5水砂石外加劑磨細(xì)礦渣粉煤灰0.3942%23216576010528.464124針對(duì)工程的具體情況，配合比設(shè)計(jì)時(shí)選用低堿水泥及B類(lèi)骨料，控制混凝土總堿量不超過(guò)3kg/m3。由表2-1可以看出，設(shè)計(jì)配合比時(shí)著重減低水膠比，同時(shí)大量摻加磨細(xì)礦渣和粉煤灰，降低混凝土的水化熱，并且選用具有減水、保坍、緩凝等復(fù)合功能的外加劑，推遲混凝土中水泥水化的時(shí)間，將水泥水化放熱的時(shí)間延長(zhǎng)，降低混凝土內(nèi)外溫差。3溫度計(jì)算及表面裂縫控制根據(jù)確定配合比計(jì)算混凝土的溫升情況與內(nèi)外溫差。3.1混凝土澆筑溫度Tj=TC+（TP-TC）

×（A1+A2+A3+??+An）式中:TC——混凝土拌和溫度(它與各種材料比熱及初溫度有關(guān))，按多次測(cè)量資料,有日照時(shí)混凝土拌和溫度比當(dāng)時(shí)溫度高5~7℃,無(wú)日照時(shí)混凝土拌和溫度比當(dāng)時(shí)溫度高2~3℃,按3℃計(jì)。TP——混凝土澆筑時(shí)的室外溫度(四月下旬,室外平均溫度以20℃計(jì))。A1+A2+A3+??+An——溫度損失系數(shù),由《大體積混凝土施工》P33表3-4可得：A1——混凝土裝卸,每次A=0.032（裝車(chē)、出料二次數(shù)）；A2——混凝土運(yùn)輸時(shí),A=Q×t。Q為6m3滾動(dòng)式攪拌車(chē)其溫升0.0042,混凝土泵送不計(jì)。t為運(yùn)輸時(shí)間（以分鐘計(jì)算），從攪拌站到工地約50min;A3——澆筑過(guò)程中

A=0.003×2×60=0.36。Tj=TC+（TP-TC）

×（A1+A2+A3+??+An）=18+(20-18)

×(0.032×2+0.0043×50+0.032+0.0013×10+0.36)=18+2

×0.684=19.37℃3.2混凝土內(nèi)部最高絕熱溫升值預(yù)測(cè)混凝土內(nèi)部的最高溫升值。計(jì)算公式為:

式中Tmax——混凝土內(nèi)部最高溫度,℃；Tj——混凝土澆筑溫度,℃；Tτ——τ齡期時(shí)混凝土的絕熱溫升,℃；ξ——不同澆筑塊厚度的降溫系數(shù),ξ=0.75；W——每立方米混凝土中水泥用量,kg/m3；Q——每千克水泥水化熱量,取490kJ/kg；C——混凝土的比熱,取0.97kJ(/kg·℃)；ρ——混凝土的密度,取2410kg/m3；m——隨水泥品種、比表面積及澆筑溫度而異，取0.362；τ——齡期,d；則混凝土內(nèi)部中心溫度:Tmax=Tj+Tτξ=19.37+49.54×0.75=56.52℃3.3混凝土表面最高溫度估算混凝土表面最高溫度采用的計(jì)算公式為:Tbmax=Tq+4×(H-h′)×h′×ΔT/H2H=h+2×h′h′=K×λ/β式中:Tbmax——混凝土表面最高溫度,℃；Tq——大氣的平均溫度,℃；H——混凝土的計(jì)算厚度；h′——混凝土的虛厚度；h——混凝土的實(shí)際厚度；ΔT——混凝土中心溫度與外界氣溫之差的最大值；λ——混凝土的導(dǎo)熱系數(shù),此處可取2.33W/(m·K)；K——計(jì)算折減系數(shù)；β——混凝土模板及保溫層的傳熱系數(shù),W/(m2·K)。環(huán)境溫度Tq取15℃,ΔT為混凝土內(nèi)部與外界氣溫之差,ΔT=Tmax-Tq=41.52℃。H為底板計(jì)算厚度，底板以單面暴露于空氣中的平板看待，則H=h+h’,混凝土實(shí)際厚度h=1.0m,h’為混凝土結(jié)構(gòu)虛厚度,h’=kλ/β,混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λ=2.33w/mk；β為保溫層的傳熱系數(shù),β=1/(δi/λi+1/βq),δi為各種保溫層的厚度,假定混凝土表面只覆蓋一層塑料布,蓄水養(yǎng)護(hù)，水的δi=0.3m，λi=0.55W/mk，βq為空氣層的導(dǎo)熱系數(shù),取23w/mk,則β=1.70W/(m·K),經(jīng)計(jì)算h’=0.27m,H=1.27m,混凝土表面溫度Tbmax

=25.6℃。所以混凝土中心與混凝土表面溫差為T(mén)max-Tb=30.92℃＞25℃。計(jì)算結(jié)果表明:采用以上保溫措施,混凝土內(nèi)表溫差不能夠控制在規(guī)定值范圍內(nèi),有產(chǎn)生溫度裂縫的可能。所以在施工時(shí)需要采取一定的措施來(lái)保障不產(chǎn)生溫度裂縫。4大體積混凝土的施工及養(yǎng)護(hù)4.1混凝土配合比優(yōu)化，大體積混凝土由于施工方量大，使用的水泥用量會(huì)大大增加。在保證混凝土強(qiáng)度的同時(shí)采用“三摻”配比方案即加大摻入粉煤灰、礦粉摻量以減少水泥用量，降低水膠比以減少混凝土中水泥水化產(chǎn)生的熱量從而有效降低內(nèi)部中心溫度?；炷涟柚茣r(shí)適當(dāng)使用緩凝型減水劑來(lái)延長(zhǎng)混凝土的初凝時(shí)間,將初凝時(shí)間調(diào)整到10～14小時(shí),延緩水化熱峰,使熱量緩慢釋放，從而降低混凝土的內(nèi)部溫度。4.2混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸過(guò)程中采取降溫措施,高溫時(shí)確?；炷寥肽r(shí)的溫度在30℃以下，嚴(yán)格控制混凝土的原料溫度。水泥的溫度控制在60℃以?xún)?nèi)，粗骨料溫度不超過(guò)30℃、細(xì)骨料溫度不超過(guò)32℃、粉煤灰和礦粉溫度不超過(guò)35℃。通過(guò)采用流動(dòng)深層水、深井低溫地下水、冷卻水、冰水?dāng)嚢?控制混凝土入模溫度。對(duì)混凝土拌合站的骨料存放區(qū)搭設(shè)防曬棚并提前對(duì)骨料噴淋灑水,降低骨料的溫度進(jìn)而降低入模溫度。4.3采取保溫保濕養(yǎng)護(hù)方法,有效控制溫差變化，混凝土初凝前后對(duì)混凝土表面進(jìn)行二次壓光收面，將塑形收縮裂縫消滅在萌芽階段。二次壓光收面完成后立即采取塑料薄膜覆蓋使混凝土表面水分不會(huì)散失，同時(shí)加蓋土工布或草簾對(duì)混凝土表面保溫覆蓋。嚴(yán)格控制日降溫速率。由于工程現(xiàn)場(chǎng)的養(yǎng)護(hù)水一般都是地下冷水，溫度基本都在18℃以下，冷水直接與高溫的混凝土表面接觸將會(huì)使混凝土表面產(chǎn)生急速冷卻龜裂，所以在保溫保濕期間，嚴(yán)禁澆冷水養(yǎng)護(hù)。保溫保濕時(shí)間應(yīng)在7天以上，具體時(shí)間以實(shí)際溫度測(cè)量為準(zhǔn)，保證混凝土表面溫度與大氣溫度之差小于15℃，去掉保溫層后進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)之前確保混凝土表面溫度與所澆冷水溫度之差小于15℃。采用循環(huán)水管作為輔助混凝土內(nèi)部進(jìn)行水冷散熱作用。4.4對(duì)于本工程混凝土的澆筑采用整體分層連續(xù)澆筑，縮短間歇時(shí)間，并在前層混凝土初凝之前將次層混凝土澆筑完畢，層間最長(zhǎng)的間歇時(shí)間不大于混凝土的初凝時(shí)間。4.5嚴(yán)格控制混凝土澆筑現(xiàn)場(chǎng)的坍落度，入模前控制底板混凝土坍落度在160-180mm之間。避免因坍落度過(guò)大造成混凝土泌水泌漿進(jìn)而漿體上浮引起表層產(chǎn)生龜裂。5混凝土的內(nèi)部溫度及偏差分析澆筑完成后，施工單位對(duì)底板混凝土進(jìn)行了詳細(xì)的溫度測(cè)量記錄，最高溫度達(dá)到70℃。而理論計(jì)算結(jié)果，混凝土中心最高溫度為56.52℃。理論計(jì)算和實(shí)際測(cè)量之間溫度差距較大，主要的原因有如下幾點(diǎn)：（1）、施工手冊(cè)中對(duì)絕熱溫升的計(jì)算方式不太一樣，理論性很強(qiáng)，但大體一致，計(jì)算結(jié)果相差不大。但到計(jì)算內(nèi)部最高溫升時(shí)降熱系數(shù)ξ的選取對(duì)最終的結(jié)果產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的記載，工程中大體積混凝土的實(shí)測(cè)溫度反算出的ξ值比手冊(cè)中查表值大很多。本工程中根據(jù)實(shí)際測(cè)量溫度后反算出的ξ值比理論計(jì)算時(shí)的選取的值也很多。（2）、現(xiàn)今混凝土體系與制定絕熱溫升的計(jì)算公式時(shí)的混凝土體系已不盡相同?，F(xiàn)代混凝土體系中粉料的成分越來(lái)越復(fù)雜，譬如水泥廠為了提高水泥的膠砂強(qiáng)度，采用磨細(xì)水泥顆粒和摻加刺激水化反應(yīng)的助磨劑，礦粉廠為了提高礦粉的活性也采取磨細(xì)礦粉顆粒和摻加化學(xué)堿激發(fā)劑，外加劑廠多數(shù)采用多元糖或單元糖為主的緩凝組分調(diào)整凝結(jié)時(shí)間，而本身并無(wú)抑制水化性能，一旦終凝甚至加速水化等等，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范計(jì)算出的溫度結(jié)果只具有參考意義，并不能準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。（3）、工地現(xiàn)場(chǎng)情況復(fù)雜，不管是澆筑時(shí)的氣溫、混凝土的養(yǎng)護(hù)方式、混凝土的澆筑速度、底板澆筑時(shí)的土質(zhì)溫度等等這些影響混凝土散熱的因素較多，而目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中并沒(méi)有能綜合考慮這些因素的計(jì)算公式，最后只是把這些因素匯總成一個(gè)ξ值，導(dǎo)致該值的選取對(duì)最后的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。6結(jié)語(yǔ)(1)、在大體積混