大体积混凝土温控技术及热工计算

Temperature Control Technology and Thermal Calculation for Massive Concrete SU Jun1,TIAN Le-song2

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology , WuhanHubei430068, China;

2. Lishui Vocational and Technical College, Lishui Zhejiang 323000,China)

: The massive concrete construction is a special technique in civil engi neering at present. In the light of characteristics of massive concrete of pilecap of Bridge over Yangtse River at Tianxingzhou in Wuhan City, the measures forcracks control in massive concrete were proposed.Detailed thermal calculation s were carried out according to the criterions. The calculation results showed t hat the maximumtemperature difference inside and outside the concrete after pou ring doesn 't exceed 25. Practice proved that effect of crack control by the mea sures is obvious, which provides good reference to design and construction of si milar massive concrete.

随着我国交通事业的发展和桥梁技术的提高 , 大体积混凝土 在桥梁结构中的应用越来越广泛 , 同时也出现了工程裂缝增多的 突出问

题。 混凝土结构产生的裂缝主要有温度变化、 混凝土收缩 及构造物约束条件影响引起的。 混凝土在凝结硬化期间水泥水化 产生大量的水化热 , 内部温度不断上升 , 混凝土内外形成较大的 温度梯度 , 在基础或支座的约束下使混凝土内部产生温度应力 , 一旦温度应力超过混凝土的抗拉强度 , 混凝土表面就会产生不同 程度的裂缝 , 混凝土的早期强度低 ,随着龄期的增长 , 混凝土弹性 模量和强度逐渐增加 ,对混凝土随后的降温变形约束较大 , 这时 温度应力如超过混凝土的抗拉强度同样会产生裂缝。

因此,大体积混凝土工程施工前 , 应对施工阶段大体积混凝 土浇筑块的温度进行计算 , 验证是否满足大体积混凝土浇筑后混 凝土的表面和内部温差不宜超过

25 C的规定要求[1],应用混凝

土结构的温度控制理论 , 对大体积混凝土进行热工计算 , 确 定施 工阶段大体积混凝土浇筑块的升温峰值、内外温差的控制指标 , 制定温控施工的技术措施 , 以防止或控制有害温度裂缝的产生。

1 工程概况 武汉天兴洲公铁两用长江大桥正桥为双塔三索面斜拉

桥 , 全 桥长1 092 m,该桥主墩3#墩为薄壁空心墩，主墩基础设计采用桩 承台结构 , 桩基由 21 根 2.5 m 钻孔灌注桩群桩组成 , 承台为实体 钢筋混凝土结构,3#墩基础承台平面尺寸为 35.2 5 mx 19.0 m,厚 度为5 m,混凝土体积为3 348.7 m3,混凝土强度等级为 C30b由 于混凝土体积大 , 将受到混凝土内部水化热温升影响、外界气温 变化影响以及内外条件约束影响的制约 , 大体积混凝土施工往往 产生温度裂缝 , 如何有效防止有害裂缝的产生是施工的关键 , 是 保证承台质量的前

提。

2 混凝土温度裂缝控制措施

2.1 合理选择材料及配合比设计 承台大体积混凝土配合比设计中

主要考虑降低水化热 , 减少 混凝土的绝热温升。 本工程选用水化热较低的 P.O42.5 矿渣水泥 , 选用坚固耐久、级配合格、颗粒良好的粗骨料

（粒径为5〜26.5

mm勺碎石）,采用细度模数为2.7的中砂,在满足混凝土良好的和 易性

要求下，降低水灰比，坍落度为14〜16 cm。配合比采用掺高 效缓凝减水剂及粉煤灰的“双掺技术”。

在混凝土中掺入H级粉

煤灰取代部分水泥 , 以降低水化热 , 在混凝土中掺用缓凝高效减 水剂 , 延长混凝土初凝时间 , 延长水泥水化热释放时间 （ 见表

1） 。

表1承台C30混凝土配合比kg/m3 水泥粉煤灰砂石水外加剂

262.587.57301 0951752.82.2 施 工控制措施

在承台大体积混凝土施工过程中 , 从混凝土拌和、运输、浇 筑到保温养护整个过程实施全程有效监控 , 特别对混凝土分层、 浇筑温度和养护进行严格控制 , 保证混凝土施工质量。

（1） 混凝土分层施工 根据有限元计算 [2] 结果并考虑实际 施

工需要 , 承台 C30 混凝土 5 m 分 2 层浇筑 , 第一层 2.5 m, 第二 层 2.5 m, 控制各层混凝土浇筑间隙期为 7 d 左右。

(2) 降低混凝土入模温度 浇筑温度根据不同的季节施工要 求均

作了明确的控制要求 , 混凝土夏季最高入模温度控制在 30 C ,混凝土

冬季最低入模温度控制在 10 C ,通过测水泥、砂、

石、水的温度 , 估算出机温度和浇筑温度 , 在标准要求范围内 , 尽 量降低混凝土的浇筑温度 , 降低入模温度是控制温度峰值的最有 效措施之一。根据现场实际情况 , 提前将砂石料洒水并搭设遮阳 棚来降低原材料的温度 , 通过冷却水拌和降低混凝土出机温度。

(3) 加强保温措施 在浇筑大体积混凝土时 , 应在室外气温 较低

时进行 , 浇筑后的大体 积混凝土应采取保温措施以减少内 表温差。控制温差一方面要降低混凝土中心温度 , 另一方面则应 对表面混凝土进行降温。在混凝土达到初凝后 , 采用两层草袋和 一层塑料薄膜进行保温保湿养护 , 同时为使水泥水化充分进行 , 还需进行喷水养护。为保证温度缓慢下降 , 降低混凝土内外的温 度梯度 , 减小温度收缩应力 , 适当加强养护时间 , 混凝土养护时间 以混凝土内部温度与大气环境平均温度之差小于 准。

2.3 温度监控措施

20 C以下为标

为检验施工质量和温控效果 , 掌握温控信息 , 以便及时调整 和改进温控措施 , 做到信息化施工 , 需在承台大体积混凝土内部 不同部位埋设温度传感器 , 对混凝土进行温度监测 (见图 1)。及 时摸清大体积混凝土内部温度场升降的变化规律 , 由于大体积混 凝土的温度、应力发展及防裂是一个十分复杂的过程 , 使用的材 料、施工环境、 施工工艺和养护条件等都会引起温度和应力的变 化, 只有通过监控才能更准确地了解结构的质量和抗裂安全状 况。有的放矢地采取相

应的技术措施。

图 1 温度监控流程图 3 热工理论计算

3.1 混凝土绝热温升计算

在进行混凝土的绝热温升计算时 , 假定承台结构四周没有任 何散热和热损失的情况下 , 水泥水化热全部转化成温升后的温度 值, 可以得出

T 热=WQ0(1 -e-mt)/ 丫 C⑴

式中:T热为混凝土的绝热温升,°C ; W为每立方米混凝土中 水泥实际用量 , k g/m3;Q0 为每千克水泥水化热量 , 取 334

kJ/kg;c 为混凝土比热，取1.0 J/(kg? C )； 丫为混凝土的密度， 取 2 400 kg/m3;t 为水泥水化热升温龄期 ,d;m 为热影响系数 , 混 凝土

浇注温度控制为15 C时取0.34;

3.2 混凝土最高温度

混凝土内部中心温度 Tmax,按下式计算

T? : ?max=Tj+T 热(2)

式中:Tj为混凝土的浇筑温度，取15 Co

根据文献 [3] 介绍, 混凝土的最大温升与水泥的标号、品种、 用量及模板的选材等因素有关 , 在此引入相关的计算公式

T =T 热 K1K2K3K* (3)

式中:K1为水泥标号修正系数，取1.0;K2为水泥品种修正系 数，取1.2;K 3为水泥用量修正系数，取W/275;K4为模板修正系 数,取

1.0。「为修正后混凝土最大温升；E为不同浇注厚度的 温降系数。

按表 2 取值。 表 2 温控计算结果 龄期/d371428T热

/ C 23.3633.1536.2236.53 E 0.650.610.410.16T ' / C 17.3923. 1617.016.69Tmax/ C 32.3938.1632.0121.693.3 混凝土表面温 度

大体积混凝土表面温度按下式计算

Tb(t)=Tq+4H2ht(H-ht) △ Tt⑷

式中:Tb(t)为龄期t时混凝上表面温度，C ; Tq为龄期t 时大气平均温度，C，取10 C ; △ Tt为龄期为t时混凝土内 最高温度与外界气温 之 差，△ Tt=T? : ?max-Tq;H为混凝土的计 算厚度 ,

m(H=h+h t, h 为混凝土实际浇筑厚度 ; ht 为混凝土的 虚厚度,ht=K

入/ B ,入为混凝土导热系数，取2 .33 W/(m?K));K 为计算折减系数，根据试验资料可取0.667; B为模板及保温层 传热系数。

按下式计算

B =1/( E 5 i/ 入 i+1/ B q)(5)

式中:5 i为各种保温材料厚度，取0.05 m;入i为各保温材 料的传热系数，取0.14 W/(m2?K); B q为空气层传热系数，取23

W/(m2?K)

表 2 不同龄期时混凝土表面温度

龄期 /d371428Tb(t)/ °C 22.4125.6122.2016.484 主要结论

(1) 各龄期混凝土内最高温度与表面温度均不大于

25 C,

两者最大温差为 12.55 C , 混凝土表面与外界温差也不大于

25 C, 热工计算结果表明 , 混凝土内部最大温升为 38.16 C, 内 外温

差满足文献 [1] 的有关规定。 因此在混凝土浇筑过程中 , 可不 采取其它降低混凝土内部温度的措施。

(2) 从混凝土材料和配合比设计入手 , 施工过程中采用分层 分

块、浇筑温度控制和合适的保温养护方式 , 应用混凝土结构的 温度控制理论 , 对大体积混凝土进行热工计算作为理论指导 , 可 以有效地控制大体积混凝土产生裂缝 , 保证承台的施工质量。

(3) 本次计算采用的数据是正常施工的资料 , 由于混凝土开 裂

原因的复杂性 , 与使用的材料、施工环境、施工工艺和养护条 件密切相关 , 同时施工过程受气候的影响 , 存在一定的随机性。 因 此, 大体积混凝土温度控制是一项综合技术 , 涉及很多因素 , 需结 合当地的气温、 环境, 选择既经济又有效的施工方法 , 确保工程质 量。