实体结构混凝土早期温度发展特征与凝结时间关系

费晓春，李 明，王方刚，徐 文

(1.中国中铁四局集团第二工程有限公司，苏州 215131；2.江苏省建筑科学研究院有限公司,高性能土木工程材料国家 重点实验室，南京 210008；3.江苏苏博特新材料股份有限公司，南京 211103)

0 引 言

与实验室单一因素、标准条件相比，实体混凝土自浇筑后即处于水化-温度-湿度-约束的多场耦合作用环境[1-2]，因此，直接利用实验室测试的凝结时间结果并不能很好的满足实际工程施工需求，若忽视室内测试的凝结时间与实体结构凝结时间存在的差别，容易在浇筑过程中因实体结构混凝土凝结时间显著缩短不利于振捣而出现冷缝或板类结构抹面时机把握不准确而出现鼓包的现象。此外，实体结构凝结时间的确定也有助于实体结构监测变形零点的选取[3-4]，为补偿收缩类膨胀材料在实体变形的补偿效果评价提供支撑。

实体结构混凝土温度发展受胶凝材料水化放热与结构散热的影响[5]，通常情况下，在凝结前的塑性阶段，胶材水化速度较慢，实体结构的温升速率也较小，混凝土凝结后，胶凝材料水化处于加速期，混凝土温升速率发展迅速。因此，混凝土早期温度发展历程在一定程度上可反映出实体结构混凝土的凝结时间。已有的研究根据室内试件[6-8]或实体混凝土变形特征[9]进行混凝土凝结时间的确定，鉴于实体结构温度监测的便利性，本文则根据大量实体工程监测结果，基于早期温度发展特征反演推算出实体结构凝结时间，同时将反演结果与室内标准条件及现场同条件测试结果进行了比较，为工程施工方案的制定提供参考。

1 工程基本概况

基于大量的工程实践积累，统计了城市轨道交通工程地下车站侧墙、现浇隧道底板、侧墙、顶板及桥梁索塔实心段等工程混凝土实体温度监测结果，其中混凝土强度等级为C35、C40、C50，厚度为0.7 m、1.1 m、1.3 m、1.5 m、1.6 m、3 m，采用钢模板。工程基本概况见表1。在实体结构中心位置埋设温度探头，必要时在墙体结构中心位置对应的内、外侧表处(距离表面约5 cm)及板类结构中心对应的底部及顶部上表处(距离底面或上表面约5 cm)同时埋设温度探头，采用混凝土温度-应变无线监测系统，采集频率设置为0.5 h/次或1.0 h/次。

表1 工程基本概况Table 1 Basic information of the projects

2 结果与讨论

2.1 不同结构混凝土早期温度发展历程

针对墙体、板类等典型结构，根据工程进展情况，对不同季节施工的侧墙、顶板、底板等混凝土结构中心点进行了温度监测，统计分析不同厚度结构混凝土温升阶段监测结果如图1～图7所示。结果表明，混凝土中心点温度发展历程受自身因素如配合比及周围散热条件如模板类型、结构形式及厚度、施工季节等因素的影响，整体上随强度等级的提高及结构厚度的增大而表现出早期温升速率加快及温峰值增高。不同结构混凝土中心测点温度增长规律复合Boltzmann增长曲线，曲线上存在明显的转折特征区域，新拌混凝土浇筑后开始的一段时间内温度增长缓慢或者说可以忽略不计，超过一定时间后迅速增长。结构混凝土中心测点温度增长驱动力来自胶凝材料的水化放热，在此过程中伴随结构的形成，混凝土由塑性阶段向硬化阶段转变。考虑到凝结前水化反应速度较慢，相应的水化放热造成的温升驱动力较弱，随着水化反应进入加速期而开始快速放热并带来快速的温升，混凝土结构也随之形成。因此，结构混凝土早期温度发展历程可反映出实体结构的凝结时间。

图1 工况A 侧墙中心温度
Fig.1 Center temperature of sidewall under construction condition A

图2 工况B1侧墙中心温度
Fig.2 Center temperature of sidewall under construction condition B1

图3 工况B2侧墙中心温度
Fig.3 Center temperature of sidewall under construction condition B2

图4 工况B3侧墙中心温度
Fig.4 Center temperature of sidewall under construction condition B3

图5 工况B4顶板中心温度
Fig.5 Center temperature of roof under construction condition B4

图6 工况B5底板中心温度
Fig.6 Center temperature of bottom plate under construction condition B4

图7 工况C索塔实心段中心温度Fig.7 Center temperature of cable tower under construction condition C

结合水泥水化反应特点及实体结构温度增长规律，则温度开始明显增长可作为实体结构混凝土初凝时间(ti)，温度开始快速增长可作为实体结构混凝土终凝时间(tf)。忽略混凝土生产及运输时间，以混凝土自浇筑开始作为零点，对温升阶段中心测点温度发展曲线进行微分处理。结果表明，dT/dt微分曲线规律同水泥水化反应规律类似，因此，可较为直观的根据中心测点温度微分曲线推算出实体结构凝结时间。由图1可推算出0.7 m厚侧墙中心点混凝土初凝、终凝分别为13.0 h、14.0 h，由图2可推算出1.1 m厚侧墙中心点混凝土初凝、终凝分别为5.5 h、6.5 h，由图3可推算出1.3 m厚侧墙中心点混凝土初凝、终凝分别为15.0 h、17.0 h，由图4可推算出1.5 m厚侧墙中心点混凝土初凝分别为14.0 h、17.0 h，由图5可推算出1.3 m厚顶板中心混凝土初凝、终凝分别为16.0 h、 18.0 h，由图6可推算出1.6 m厚底板中心混凝土初凝、终凝分别为6.0 h、8.0 h，由图7可推算出实心段中心混凝土初凝、终凝分别为4.5 h、6.0 h。受混凝土配合比、结构尺寸及散热条件的影响，初凝时，混凝土已温升约1～3℃，终凝时，混凝土已温升约2～4 ℃。

2.2 不同测点混凝土早期温度历程

针对墙体及板类结构特点，在侧墙内、外侧表及顶板底部、上表同步进行了温度监测，选取的工况B3某现浇隧道1.5 m厚侧墙，其内侧表与地连墙相接，外侧采用钢模板。图8(a)为侧墙混凝土内侧表早期温度监测及微分处理结果，结果表明，内侧表温度增长规律与中心测点增长规律相同，最大温升值小于中心测点。根据温度发展历程推算的初凝、终凝分别为14.0 h、17.0 h，与图4所得结果相同。图8(b)为侧墙混凝土外侧表早期温度监测及微分处理结果，结果表明，由于钢模板散热较好，外侧表温度发展受周围环境温度、拆模及保温养护措施的影响较大，但早期仍存在快速增长的阶段，据此推算该测点附近混凝土初凝、终凝分别为16.0 h、19.0 h，较中心及内侧点延长2.0 h。选取的工况B4某现浇隧道1.3 m顶板，其底部为钢模板，顶部二次抹面后覆盖带塑料内膜的土工布进行养护，底部及上表测点混凝土早期温度监测及微分处理结果如图9(a)、9(b)所示，结果表明，底部测点温度增长规律与中心测点增长规律类似，推算的凝结时间较中心测点延长1.0 h，顶部上表面测点温度发展历程同样受周围环境及养护措施的影响较大，推算的凝结时间较中心测点延长2.0 h。由于散热条件不同，表面测点与中心测点温度发展历程存在一定的差别，由此造成凝结时间的差异，但整体上差别不大。

图8 工况B3侧墙内侧和外侧表温度
Fig.8 Inner and outside surface temperature of sidewall under construction condition B3

图9 工况B4顶板底部和上表温度
Fig.9 Bottom and top surface temperature of roof under construction condition B4

2.3 凝结时间测试结果比较

在实体结构浇筑的同时，从混凝土拌合物中筛出砂浆用贯入阻力法同步测试了置于温度为(20±2) ℃的环境标准条件及现场同条件下的试样的凝结时间，统计结果如表2所示。结果表明，标准条件下的测试结果与同条件测试结果存在一定的区别，根据实体温度监测结果反演推算的凝结时间显著小于标准条件及同条件测试结果，这主要是由于温度对水化反应的影响所致。采用贯入阻力法测试的试样体积尺寸较小，试样水化放热反应几乎不会产生温升，因此，试样的凝结时间主要受周围环境温度影响，一般情况下，周围环境温度越高，试样水化反应速度越快，对于夏季工况下，同条件测试结果小于标准条件测试结果，冬季工况下，同条件测试结果大于标准条件测试结果。由于混凝土为热的不良导体，一般情况下，与结构表面处相比，结构中心处混凝土受环境温度影响较小，新拌混凝土自浇筑后即处于水化-温度-湿度-约束的多场耦合作用环境，受混凝土配合比、外加剂及结构尺寸的影响，中心处混凝土因自身水化反应累计放热加速了水化反应速度，使得实体结构混凝土凝结时间显著小于单一因素条件下的测试结果，表面测点混凝土受散热条件的影响，其凝结时间一般较中心测点凝结时间有所延长。

因此，直接利用标准条件下或同条件测试的凝结时间结果来指导实际工程浇筑、振捣及抹面等工作可能会导致因实体结构凝结时间缩短而出现冷缝或板类抹面时机把握不当而出现鼓包等质量问题。将表2所示的中心测点实体反演凝结时间结果与标准条件及同条件测试结果进行拟合如图10所示，结果表明，实体反演结果与同条件测试结果存在较好的相关性，实体反演的终凝时间与标准条件测试的终凝时间存在一定的相关性，其中，同条件测试的初凝时间约为实体反演结果的1.8倍，终凝时间约为实体反演结果的2.0倍。因此，实体结构浇筑前，在测试室内标准条件下混凝土凝结时间的同时，宜在待浇筑结构处同步测试同条件下混凝土凝结时间，并根据浇筑组织需求适当调整混凝土凝结时间。实体结构浇筑过程中，在实体温度监测的基础上，宜同步开展同条件凝结时间测试，以为信息化施工提供支撑。

图10 初凝结果比较及终凝结果比较
Fig.10 Comparison of initial setting and comparison of final setting

3 结 论

不同结构混凝土中心测点温度增长规律复合Boltzmann增长曲线，曲线上存在明显的转折特征区域，新拌混凝土浇筑后开始的一段时间内温度增长缓慢或者可以忽略不计，超过一定时间后迅速增长。利用温度开始明显增长可作为实体结构混凝土初凝时间，温度开始快速增长可作为实体结构混凝土终凝时间。实体反演结果与同条件测试结果存在较好的线性相关性，同条件测试的初凝时间约为实体反演结果的1.8倍，终凝时间约为实体反演结果的2.0倍。结合标准条件测试结果，可进一步根据同条件凝结时间测试结果制定预先施工方案。