大体积混凝土风冷却技术研究与应用

1、大体积混凝土降温技术概述

大体积混凝土一般为结构断面最小尺寸在80cm以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土。水泥硬化产生大量水化热引起的温度应力一旦超过混凝土抗拉极限强度，便会导致裂缝的产生，影响结构的安全和耐久。因此，如何控制大体积混凝土水化热升温和混凝土结构内外温差便成了大体积混凝土控制裂缝的关键。

通常，在大体积混凝土水化热控制上有如下几种方法：

（1）优化配合比：采用低水化热水泥，配以合理的减水剂降低水泥用量来减少水化热，在施工前期充分论证并辅以试验即可。该方法最为经济，但效果有限，一般作为辅助方法。

（2）冰水拌制混凝土：采用冰水替代常温水拌制混凝土，降低入模初始温度，效果明显，该方法在欧洲和我国港澳地区应用较为广泛，但成本较高。

（3）循环冷却管道：在混凝土结构内安装经计算的循环管道，在外部设置晾水池，混凝土浇捣及养护过程通过冷却水带走热量。该方法成熟，广泛应用于国内的大体积混凝土施工，成本较低。

2、大体积混凝土推广的技术问题

目前，虽然我国大体积混凝土降温技术日趋成熟，但优化混凝土配合比受当地技术条件限制；冰水混凝土造价高昂；循环管道冷却法工艺复杂工期较长。这些方法很难在质量、工期及费用上达成统一。

在受到技术条件、工期及成本的制约下，风冷却浇捣方法体现出较强的综合优势。作者以澳门银河娱乐度假城工程为例来做进一步探讨。

3、大体积混凝土风冷却工程应用实例

3.1 工程概况

该工程混凝土全部采用澳门当地商品混凝土，运送车程约20分钟，最高泵送高度30m。

3.2 配合比设计

受澳门当地混凝土技术及材料供应限制，高标号、低水化热水泥以及强效减水剂等材料运用并不成熟，虽通过多次试配，但其温升计算数据并不理想。

理论温升计算如下:

Tmax=WQ/cρ =416*460240/1004.8*2400=79.3

Tmax——混凝土水化热最高升温

W——每立方米混凝土中水泥用量（kg/m3）

Q——每千克水泥最终水化热量（J/kg），取Q 0 = 460240 J /kg（28 d的累计水化热）

C——混凝土比热，一般取1004.8J/(kg.℃)

ρ——混凝土的质量密度（2400 kg/m3）

T1max (t)=T0+T1(t)+Tmax.ξ=34+2+0.65*79.3=87.5℃

ξ ——到t龄期时，混凝土内部实际最高温度与绝热升温的最高温度的相关系数，按1天龄期并以试验柱子2m×2m×2m为模型进行取值，ξ=0.65

T0 ——混凝土入模温度，按施工时澳门当地平均气温取值，T0=34℃

T1(t)——到t龄期混凝土收缩当量温差，通常可取T1(t)=2℃

当量温差：水泥在硬化过程中，释放水化热的同时，混凝土便产生收缩变形，将这种变形量换算成相当于引起同样变形量所需要的温度。（如图1）

该配合比强度能满足要求，28d标准抗压强度达到72N/mm2，但其水化热导致的温升会达87.5℃，超过了合约规范（英国BS规范）要求的最高85℃

通过现场2m×2m×2m试验柱测试数据，中心最大温度在28h达到最高89.1℃，钻芯实测3d强度达58N/mm，早期强度发展过快，水化热过高。（如图2）（如图3）

图1 C60混凝土配合比

图2 C60混凝土2m×2m×1m模拟测温点分布

图3 C60混凝土2m×2m×1m模拟（未采取降温措施）测温结果

3.3 降温方案

在综合考虑合约、技术因素后，采用了鼓风机—冷却管道作为主要降温措施的方法。

（1）估计通风量初步计算及估计，选用220V（2A）通风量为520m3/h的普通鼓风机作为风冷动力装置。

（2）本工程大体积混凝土主要为2m×2m截面矩形柱，故选用L型Φ75黑铁管埋入柱的几何中心（温度最高点）作为降温冷却管道。（如图4）

（3）要求拌站根据计划将砂、石子等原材料事先置于不被阳光直射的存储区域，以尽可能降低混凝土本身初始温度，并选择在傍晚开始混凝土的浇捣，以降低其入模温度。

（4）根据未采取降温措施模拟柱测温数据，鼓风机在混凝土入模0.5h间断开启，并随着温度下降，开启频率逐渐下降。

（5）鼓风机及电器开关需采取挡水措施，防止混凝土浇捣过程中短路。

（6）拆除模板后，采用喷涂专用养护剂进行养护。

（7）根据降温曲线确定降温实施时间为10d。

（8）降温结束后，采用高一标号无收缩细石混凝土将冷却管填充。

3.4 模拟试验实测效果

采用与模拟柱相同的测温点布置方案，并完全模拟施工过程，再次进行了验证。（如图5）

测试结果（如图6），数据显示，采取降温措施后，构件温度最高点由A点变为D点，且最高温度由89.1℃降至74.8℃，最大温差由56.5℃降至42.0℃。（如图7）

3.5 实际效果

该工程4500m3C60大体积混凝土均采用上述风冷却方法，实施效果良好，经现场实测，温升、强度等指标均满足要求，结构完成2年左右仍未发现异常裂缝。

图4 风冷降温措施示意图

图5 模拟试验现场照片

图6 采用风冷降温措施构件前后最高温度对比

图7 采用风冷降温措施构件前后最大温差对比

4、风冷降温的优点及尚待改进的问题

风冷却混凝土成本较低，施工便利，经实例验证，对于竖向构件降温效果比较理想。根据港澳地区规范，满足最高温度不超过85℃的要求。同时，亦满足国内GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》中，温升值不大于50℃的要求，相信在国内混凝土配制技术、材料更加成熟的条件下，该技术具有相当的推广意义。

但仍有如下问题尚待研究：

（1）该方法仅曾在不超过6m高的竖向大体积构件的施工中进行验证，对于大底板等横向构件是否适合尚未验证；

（2）暂时无成熟的风冷降温计算理论公式支持，在施工前需做大量的试验工作以确定工况；

（3）各风冷鼓风机在案例中仍采用人工控制，可考虑采用电脑自动控制降低工作强度。