地鐵車站大體積混凝土中心溫度變化規(guī)律及控制措施

劉曙亮，郭玉山，李 勇，錢棟棟

（中車建設(shè)工程有限公司，北京 100078）

地鐵車站大體積混凝土中心溫度變化規(guī)律及控制措施

劉曙亮，郭玉山，李 勇，錢棟棟

（中車建設(shè)工程有限公司，北京 100078）

文章結(jié)合重慶地鐵 4 號線衡重式擋墻大體積混凝土澆筑過程中混凝土中心溫度變化規(guī)律，探討了大體積混凝土中心溫度計(jì)算方法，并得出了該擋墻每層澆筑厚度應(yīng)控制在 2.5 m 以內(nèi)的結(jié)論，最后結(jié)合工程實(shí)際，給出溫度控制建議。

地鐵；大體積混凝土；中心溫度；控制措施

0　前言

隨著我國城市現(xiàn)代化建設(shè)的不斷發(fā)展，大體積混凝土在工程領(lǐng)域，尤其是地鐵、高鐵工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。目前，工程界對大體積混凝土并沒有統(tǒng)一的定義。美國混凝土協(xié)會（ACI）規(guī)定：“一次澆筑的混凝土體量過大，需要采取措施來控制水化熱的混凝土”為大體積混凝土；日本建筑學(xué)會定義：“斷面最小尺寸為 80 cm 及以上，且產(chǎn)生水化熱預(yù)計(jì)超過 25℃的混凝土”為大體積混凝土；我國 GB-5046-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》規(guī)定：“混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體最小幾何尺寸不小于 1 m 的大體積量混凝土，或預(yù)計(jì)會因混凝土中膠凝材料水化引起溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土”可稱之為大體積混凝土。大體積混凝土裂縫控制一直是工程界十分關(guān)心的問題。調(diào)查表明，在實(shí)際混凝土結(jié)構(gòu)中，真正意義上由荷載引起的裂縫只占少數(shù)，80%以上都是混凝土凝結(jié)過程中體積收縮以及溫度變化差異帶來的不均勻膨脹等變形因素造成的間接裂縫。水泥在凝固和強(qiáng)度形成過程中，其重要組成部分硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣的水化會產(chǎn)生巨大熱量，而這些熱量很難通過混凝土與外界空氣的熱輻射及時釋放，導(dǎo)致大體積混凝土內(nèi)部溫度不斷升高，形成明顯的內(nèi)外溫差。當(dāng)溫差達(dá)到一定極限時，混凝土內(nèi)部就會出現(xiàn)裂縫，對工程安全造成嚴(yán)重威脅。因此，進(jìn)行大體積混凝土溫度控制研究十分必要。

1　工程概況

重慶市軌道交通 4 號線車輛段部分擋墻采用衡重式擋土墻，擋墻長度約 780 m，最大高度為 31 m，最大厚度為 20 m，每 10～20 m 設(shè)置一道伸縮縫，擋墻主體結(jié)構(gòu)見圖 1?；炷翝仓r，按每層澆筑 2 m 高計(jì)算，每次最大單體澆筑混凝土量為 600 m3，在澆筑過程中，如果不能有效的控制混凝土內(nèi)部溫度，將可能導(dǎo)致?lián)鯄炷羶?nèi)部出現(xiàn)裂縫。

設(shè)計(jì)要求擋土墻總高度在 15 m 以下時采用 C25 片石混凝土澆筑，片石摻量占總體積 20% 以下，擋墻總高度超過 15 m 時采用 C25 素混凝土澆筑，擋墻基礎(chǔ)全部為 C25素混凝土。衡重臺設(shè)置配筋，擋墻有擴(kuò)大基礎(chǔ)時，擋墻與基礎(chǔ)交界面設(shè)置配筋，配筋同衡重臺配筋。為了保證混凝土質(zhì)量和便于組織施工，衡重式擋土墻混凝土澆筑采用商品混凝土，基本參數(shù)如表1。

圖 1 衡重式擋土墻縱剖面圖

表 1 工程用混凝土基本參數(shù)

工程澆筑方式為整體分層連續(xù)澆筑施工，共分5層，混凝土澆筑時從左至右均勻澆筑。擋墻每隔 10～20 m 設(shè)置一道變形縫，變形縫寬 25 mm，且于地基性狀和擋墻高度變化處設(shè)置沉降縫，縫內(nèi)沿墻的內(nèi)、外、頂三邊填塞瀝青玻璃纖維、瀝青麻筋、涂瀝青木板等有機(jī)彈性的防水材料，填塞深度不小于 150 mm。墻身施工縫的處理按國家相關(guān)規(guī)程處理，清除表面浮漿、軟弱混土層及松動的石子，并均勻的露出粗骨料；在上層混凝土澆筑前，用壓力水沖洗混凝土表面的污物，充分潤濕，但不得有積水；混凝土澆筑前必須對結(jié)合面進(jìn)行鑿毛、并涂抹一層 M10 水泥砂漿，再繼續(xù)澆筑。

2　大體積混凝土水化熱及升溫計(jì)算

大體積混凝土澆筑時溫度變化過程與水泥水化熱、澆筑方式、降溫措施等密切相關(guān)。針對本工程實(shí)際，文章做了如下計(jì)算。

2.1水泥水化熱方程

式（1）中，Q（t） 為在混凝土齡期為 t 時累積產(chǎn)生的水化熱（kJ/kg）；Q0為最終水化熱（kJ/kg）；t 為水泥水化齡期，天；m 為常數(shù)，跟混凝土澆筑溫度、水泥品種及型號、大型混凝土比表面積相關(guān)，結(jié)合本工程采用混凝土特性，本文取 0.341。

2.2最大絕熱升溫

最大絕熱升溫溫度是在假定大體積混凝土在澆筑和養(yǎng)護(hù)過程中沒有熱損失，以及混凝土中水泥水化熱全部轉(zhuǎn)化為混凝土內(nèi)部溫度的情況下，混凝土升溫值。

式（2）中，Th為混凝土最大絕熱溫升，℃；Wc為混凝土中水泥用量，kg/m3；F 為混凝土中標(biāo)活性摻合料用量，kg/m3；F 為摻合料折減系數(shù)，粉煤灰取0.25～0.30；Q 為水泥 28天水化熱，kJ/kg；C 為混凝土比熱，kJ/kg · K，本文取 0.97；ρ 為混凝土密度，kg/m3，本文取 2 400。

2.3混凝土中心計(jì)算溫度

式（3）中，T 為 t 齡期混凝土中心計(jì)算溫度，℃；Tj為混凝土澆筑溫度，℃；ξ （t） 為 t 齡期降溫系數(shù)（表2）。

表 2 降溫系數(shù)取值范圍

3　計(jì)算結(jié)果分析

3.1不同厚度下混凝土中心溫度計(jì)算

假設(shè)澆筑溫度為15℃，大體積混凝土澆筑時長和寬為無限大的情況下，分別計(jì)算澆筑層厚度為 1.5 m、2.5 m、3 m、4 m 情況下，在齡期為 3 天、6 天、9 天、12 天、15 天、18 天、21 天、24 天、27 天、30 天 時，混凝土中心溫度 T，結(jié)果如圖 2 所示。

由圖 2 可以看出，混凝土中心溫度最大值出現(xiàn)在1～5天之間，所以應(yīng)加強(qiáng)剛澆筑前幾天的灑水降溫養(yǎng)護(hù)。同時可以得出，中心溫度與混凝土厚度有較大關(guān)系，如澆筑齡期為第 3 天時，4 m 厚較 1.5 m 后混凝土中心溫度高 18 ℃ 左右，因此，在施工過程中應(yīng)特別重視每次混凝土澆筑厚度。根據(jù)本文相關(guān)計(jì)算結(jié)果，建議該工程大體積混凝土每層澆筑厚度不大于 2.5 m，以防止出現(xiàn)混凝土中心溫度過高而引發(fā)相關(guān)工程事故。

3.2計(jì)算值與實(shí)測值對比

為了對擋墻混凝土內(nèi)核溫度進(jìn)行控制，澆筑過程中在內(nèi)核位置設(shè)置了溫度傳感器。以每層澆筑厚度為 2.5 m為例，做出了中心溫度計(jì)算值與實(shí)際測量值對比圖（圖 3）。

圖 2 不同澆筑厚度下混凝土中心溫度變化圖

圖 3 中心溫度計(jì)算值與實(shí)際測量值對比

由圖 3 可以看出，實(shí)際測量值與計(jì)算值基本上呈現(xiàn)了一致的變化規(guī)律，但測量值較計(jì)算值偏小。這可能是由于在實(shí)際施工過程中溫度變化或者澆筑后養(yǎng)護(hù)條件的不同而引起的。實(shí)際測量值偏小說明計(jì)算值偏于保守，對控制大體積混凝土中心溫度有利。對比實(shí)際測量值和計(jì)算值，可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算值中心溫度曲線是比較光滑的漸變曲線，而計(jì)算值中心溫度曲線會出現(xiàn)偶爾溫度跳躍的現(xiàn)象。例如，在齡期為 13 天和齡期為 15 天時測量得到的內(nèi)核溫度變化不大，這說明實(shí)際混凝土內(nèi)核升溫過程中受到內(nèi)部水化熱和外部養(yǎng)護(hù)條件以及溫度變化影響，實(shí)際溫度變化情況較理論分析復(fù)雜。

4　大體積混凝土中心溫度控制措施

根據(jù)以上分析結(jié)果，結(jié)合重慶地鐵 4 號線擋墻工程實(shí)例，控制大體積混凝土中心溫度主要應(yīng)做好以下兩方面工作：

一方面是選擇低水化熱水泥并優(yōu)化混凝土配合比。優(yōu)先使用低熱水泥，減少混凝土單位水和水泥的用量；針對大體積混凝土攪拌站具體情況，合理添加減水劑、膨脹劑等外加劑；大體積混凝土骨料應(yīng)優(yōu)先選用熱膨脹系數(shù)小、含泥量低的骨料，做到骨料的連續(xù)級配；摻入適量礦物摻和料，降低膠結(jié)材料水化熱的作用。

另一方面是優(yōu)化澆筑方案。本擋墻混凝土施工時按照規(guī)范要求嚴(yán)格控制混凝土運(yùn)輸時間和入模溫度，混凝土入模前對混凝土的坍落度與和易性進(jìn)行檢測，確保滿足要求；大體積混凝土澆筑時，混凝土每層澆筑厚度應(yīng)嚴(yán)格控制在 2.5 m 以內(nèi)，澆筑混凝土?xí)r保持連續(xù)澆筑；澆筑過程中做好振搗，確保振搗密實(shí)；混凝土澆筑完成后加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，必要時對大體積混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)控。

5　結(jié)束語

本文結(jié)合重慶地鐵4號線工程實(shí)際，研究了大體積混凝土強(qiáng)度上升過程中內(nèi)部溫度變化規(guī)律，得出了該擋墻每層澆筑厚度應(yīng)控制在 2.5 m 以內(nèi)的結(jié)論。最后結(jié)合工程實(shí)際，認(rèn)為此類工程大體積混凝土中心溫度控制措施，應(yīng)重點(diǎn)優(yōu)選低水化熱水泥并優(yōu)化配合比及澆筑方案。

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Mass Concrete Center Temperature Change Pattern and Control Measures in Metro Station

Liu Shuliang， Guo Yushan， Li Yong， et al.

This paper discusses the methods of calculating the center temperature of mass concrete， focuses on the change patterns of central temperature of the concrete during pouring process of balanced load retaining wall of large volume concrete on Chongqing metro line 4. The wall layers should be controlled within 2.5m as described in the final conclusion. In view of the engineering practice， it makes some suggestions on the temperature control.

metro， mass concrete， central temperature， control measures

U213.3

2016-03-28

責(zé)任編輯 孫銳嬌

中車建設(shè)工程有限責(zé)任公司科研項(xiàng)目：淺埋特大斷面隧道施工的關(guān)鍵技術(shù)研究

劉曙亮（1989—），男，碩士