大體積混凝土水化熱的控制方法及效果

毛家寬，楊曉東

(1. 貴州路橋集團(tuán)有限公司;2. 貴州高速公路集團(tuán)有限公司)

1 大體積混凝土水化熱控制方法分析

1.1 合理選擇遠(yuǎn)離配比，適當(dāng)增加膨脹劑

混凝土水化熱最重要的來(lái)源是混凝土內(nèi)部材料的配比不合理造成的。相關(guān)研究實(shí)踐證明，混凝土熱量的主要來(lái)源是水泥，因此，在不影響混凝土整體的強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，要適當(dāng)減小水泥的總量，這對(duì)于降低混凝土水化熱的溫度是十分有效的。當(dāng)增加了10 kg 的水泥之后，水化熱會(huì)降低混凝土的溫度，大約降低了1 ℃，同時(shí)混凝土的后期對(duì)于強(qiáng)度的要求較低，由此可見(jiàn)減少水泥含量對(duì)于控制大體積混凝土水化熱具有有效的抑制作用。此外，可以適當(dāng)減少粗骨料，選用粒徑也會(huì)較大、級(jí)配較高的粗細(xì)骨料，控制砂石的含泥量，在混凝土澆筑的過(guò)程中，向其加入少量的粉煤灰即可。同時(shí)，采用摻合料或者是加入減水劑、緩凝劑等，可以改善其和易性。在拌合混凝土的同時(shí)，加入膨脹劑，這樣可以使得混凝土得到相應(yīng)程度的補(bǔ)償收縮，平衡水化熱對(duì)于混凝土的影響。

1.2 混凝土后期水化保養(yǎng)

在混凝土澆筑結(jié)束之后，要對(duì)其進(jìn)行全面的養(yǎng)護(hù)。需要注意的是，在養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中，要快速降低混凝土內(nèi)部的溫度，這樣就會(huì)抑制水化熱反應(yīng)?；炷了療岜ｐB(yǎng)主要指對(duì)已經(jīng)成型的混凝土灑水浸濕，通過(guò)水的蒸發(fā)作用帶走混凝土內(nèi)部的部分熱量，從而降低混凝土內(nèi)部的溫度。同時(shí)，在混凝土澆筑過(guò)程中，水可以通過(guò)毛細(xì)孔深入混凝土的內(nèi)部，這樣會(huì)造成水化熱的二次形成，所以需要利用與水反應(yīng)，使得二次水化熱的時(shí)間提前，這樣就可以增加混凝土的強(qiáng)度。

1.3 循環(huán)冷卻水管

增設(shè)循環(huán)冷卻水管也是控制大體積混凝土水化熱的有效方法，其施工較為簡(jiǎn)便，效果明顯，因此，在各大橋梁公路工程中得到廣泛應(yīng)用。在混凝土內(nèi)部布置大量的循環(huán)冷卻水管，然后按照一定的順序以及規(guī)律注水，但是水的不斷運(yùn)動(dòng)會(huì)使得混凝土內(nèi)部的熱量無(wú)法散去，因此需要定期擱置一段時(shí)間，以保證大體積混凝土內(nèi)部的降溫速度勻速，同時(shí)可以保證混凝土結(jié)構(gòu)的完整性。

2 大體積混凝土水化熱控制方法的應(yīng)用

2.1 工程概況

某大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)鋼結(jié)構(gòu)橋，引橋采用的是5孔一聯(lián)跨徑40m 的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T 形連續(xù)梁橋。主橋7 號(hào)墩是最高墩，高度是120.5 m，其左右幅承臺(tái)時(shí)整體式，尺寸為28.5 m×16.5 m×5 m，采用的混凝土為C30，澆筑方式是先分區(qū)，多點(diǎn)進(jìn)行，并且使斜面分層澆筑。為了避免由于水化熱造成的內(nèi)外溫差過(guò)大導(dǎo)致的混凝土開(kāi)裂，就要采用內(nèi)散外蓄的施工技術(shù)，也就是內(nèi)部布置冷卻管敷熱，外部灑水覆蓋保溫。

2.2 混凝土水化熱溫度的計(jì)算

工程中使用的大體積混凝土的材料以及產(chǎn)熱效果如表1 所示。

表1 每立方米混凝土材料及澆筑溫度計(jì)算表

表1 中的數(shù)據(jù)計(jì)算公式如下:

Tc=(∑T·W·C)/(∑W·C)=89 405.4/3 426.1 =26.1 (℃)

在運(yùn)輸混凝土的過(guò)程中，會(huì)受到外界因素的影響，導(dǎo)致其溫度會(huì)高出制作溫度大約4 ℃左右，這時(shí)，混凝土水化熱溫度取值為Tk=30.1 ℃。

2.3 混凝土水化熱控制措施

根據(jù)該工程中的具體施工計(jì)劃，施工單位決定著在澆筑混凝土之前從以下三個(gè)方面來(lái)控制水化熱:首先，較少混凝土中水泥的含量，由原來(lái)的334 kg/m3減少到234 kg/m3，與此同時(shí)，將砂石的含量由原來(lái)的53 kg/m3增加到153 kg/m3，并且使用冷水進(jìn)行混凝土的施工作業(yè);其次，在混凝土澆筑完畢并且已經(jīng)成型之后，對(duì)其進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，每隔兩個(gè)小時(shí)就在混凝土表面灑水，使其浸濕;然后，在混凝土內(nèi)部增設(shè)冷卻循環(huán)水管，每立方米設(shè)置2 個(gè)，在澆筑連續(xù)進(jìn)行了20 min時(shí)，就循環(huán)冷水，每次持續(xù)的時(shí)間為10 min。

2.4 控制效果分析

(1)不布置冷卻管時(shí)對(duì)承臺(tái)溫度及其應(yīng)力的影響

圖1 混凝土澆筑后期內(nèi)部最高溫度的變化規(guī)律

如圖1 所示，為沒(méi)有布置冷卻管時(shí)，大體積混凝土澆筑后，其內(nèi)部的最高溫度變化。承臺(tái)混凝土澆筑結(jié)束之后，其內(nèi)部的溫度會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷上升，在大約170 h 之后，其內(nèi)部溫度達(dá)到了最高值，最高溫度可達(dá)67.65 ℃，之后其內(nèi)部溫度又會(huì)隨著時(shí)間的增加而降低。

圖2 混凝土澆筑后期最大溫度應(yīng)力的變化規(guī)律

由圖2 所述，水化熱初期，其最大溫度應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷提高，在130 h 左右，其最大溫度應(yīng)力達(dá)到了最大值，大約其指數(shù)為5.46 MPa，隨后會(huì)慢慢降低。

總而言之，如果不對(duì)橋梁承臺(tái)采取任何水化熱的控制措施，那么其內(nèi)部的最高溫度可達(dá)67.65 ℃，而相關(guān)設(shè)計(jì)要求其內(nèi)部溫度不能高于51 ℃，所以承臺(tái)的設(shè)計(jì)就會(huì)不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)布置冷卻管時(shí)對(duì)承臺(tái)溫度及其應(yīng)力的影響

在該工程中，設(shè)置了循環(huán)冷卻管，采用了四個(gè)方案，各對(duì)于水化熱產(chǎn)生溫度應(yīng)力的影響如圖3 所示。

圖3 混凝土澆筑后采用方案1～4 時(shí)其內(nèi)部最高溫度隨時(shí)間的變化

由圖3 可知，水化熱反應(yīng)初期流量的變化對(duì)承臺(tái)水化熱影響大致相同，但是在中后期會(huì)有所差異。冷卻管的流量越大，那么產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就會(huì)越小。同時(shí)，在設(shè)計(jì)冷卻管時(shí)，也需要注意冷卻管流入溫度對(duì)于溫度應(yīng)力的影響，如圖4 所示。

圖4 混凝土澆筑后不同冷卻管內(nèi)流入溫度時(shí)其最大溫度應(yīng)力隨時(shí)間的變化

在該工程中，將冷卻管的流入溫度定位10 ℃。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在工程中，如果大體積混凝土已將發(fā)生了水化熱反應(yīng)，但是沒(méi)有采取任何措施對(duì)其進(jìn)行處理，那么就會(huì)造成大面積的裂縫，這將會(huì)影響到工程的施工進(jìn)度、質(zhì)量以及外觀。因此，需要對(duì)其進(jìn)行處理。如在大體積混凝土的內(nèi)部設(shè)置了冷卻管，布置的層數(shù)越多，流量就會(huì)越大，這就導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力降低。值得一提的是，管內(nèi)流入溫度的變化對(duì)溫度應(yīng)力的影響是沒(méi)有規(guī)律可循的，這就意味著其溫度的過(guò)高或者是過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致溫度應(yīng)力提升。

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