大体积混凝土温度智能控制技术及防护措施研究

杨志学, 张林艳, 王立伟

中国葛洲坝集团第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

目前,大体积混凝土已广泛应用于建筑物、桥梁、隧道等重要工程中。由于混凝土水化反应会产生大量热量,导致混凝土内部温度升高,易引起裂缝等损害,因此,在大体积混凝土施工过程中,需要采取有效的温度控制和防护措施。

当前,大体积混凝土的温度控制和防护主要依靠经验及传统手段,效果有限,难以满足工程质量和安全要求。智能温控系统作为近年新兴技术,在大体积混凝土施工中的应用逐渐受到重视。该技术利用数学模型、计算机技术和传感器技术实现对混凝土内部温度的实时监测和控制,可以精准地预测混凝土内部温度场分布,及时采取措施控制温度升高,为混凝土养护提供科学依据。

1 混凝土水化反应与温度升高的关系

混凝土的水化硬化过程是水泥与水混合后发生的物理化学反应过程。在这个反应过程中,水泥与水中的钙离子和硅酸根离子结合成水化硅酸盐,其中包括硅酸二钙、硅酸三钙和硫铝酸钙,这些反应产物的生成与混凝土强度的提升密切相关。温度对混凝土水化反应的影响主要是加速反应速度[1]。

当混凝土受到高温影响时,其中的水化反应将加速,混凝土早期强度也会增加。但是随着时间的推移,温度过高会对混凝土水泥石胶凝结晶产生不可逆的影响,导致混凝土的强度和耐久性下降。高温易造成混凝土内部蒸汽压力迅速增加,从而引起混凝土孔结构的膨胀,形成裂缝,进而加速混凝土的龟裂和破坏。另外,高温还会导致混凝土内的冻融损伤、钢筋锈蚀等问题,因此,在混凝土的使用和施工中,温度控制十分重要。通过采用智能温控系统及相应技术手段,可以对大体积混凝土进行实时、精确的温度监测和控制,降低温度对混凝土品质和性能的不良影响,提高混凝土的耐久性和使用寿命。

2 应用实例

本研究应用于贵州某高速引底河特大桥主墩承台,引底河特大桥为山区V型沟谷而设。桥梁按路线分幅设计,主桥平面位于直线上,主桥纵断面位于直线上,桥梁纵坡:左幅为1.00%,右幅为0.70%。引底河特大桥左右幅孔跨布置:(96+180+96) m预应力混凝土连续刚构加1×30 m简支T梁。左幅桥起点桩号:ZK14+240.120,终点桩号:ZK14+654.800,桥梁全长414.68 m,中心桩号:ZK14+432.000;右幅桥起点桩号: YK14+240.120,终点桩号:YK14+654.800,桥梁全长 414.68 m,中心桩号:YK14+432.000。主墩均为双肢薄壁空心墩接箱型空心墩及双肢薄壁空心墩。每肢薄壁墩釆用箱型截面,横桥向8.5 m,顺桥向3.2 m,两片墩间净距为6.6 m。墩身上部端与箱梁0号梁段固接,下部端接箱型空心墩。箱型空心墩釆用单箱3室截面,横桥向宽8.5 m,顺桥向宽13 m,箱型空心墩上部与双肢薄壁墩固结,下部与承台固结。2号主墩承台采用24 m×17.5 m×6.0 m矩形承台,1号主墩承台釆用15.5 m×18 m×6.0 m矩形承台,过渡墩承台釆用8.8 m×12 m×4 m矩形承台,承台底层设有C25片石混凝土垫层。

本文中的结构混凝土温度控制采用预埋冷却水管循环通水降温,内部测温采用建筑电子测温仪进行。该测温仪是根据我国建筑行业施工特点和有关技术规范研制的专业测温仪器,可直观、准确、快捷地显示被测温度,具有可靠性好、适用范围广、宽温操作环境、体积小重量轻、操作简单等优点。它由主机和测温线组成,主机为便携式仪表,设有电源开关、照明开关、插座和液晶显示屏,可显示被测温度值,测温线为预埋式,由插头、导线和温度传感器制成,每支测温线可测1个点的温度。测温时按下主机电源开关,将测温线插头插入主机插座中,主机显示屏即可显示相应测温点的温度[2]。

2.1 冷却水循环

根据冷却水管布置层数、进水口位置,采用1台或2台离心式增压泵统一供应循环水,每个散热管的进水口连接在1根供水管上,分别设阀门,单根水管流速按0.8～1.0 m/s控制。为便于控制温度,每个承台应预备足够的供水水源,抽取河水作为冷却供水,且将出口水汇于同一水箱内,降温后备用,做到循环利用。

在水冷却降热过程中,应通过调节进水流量及水温控制进水温度与混凝土最高温度之间的温差,宜为15～25 ℃;出水温度与进水温度之差为3～6 ℃;降温速率每天不宜大于2 ℃,且4 h不宜大于1 ℃。当混凝土内部最高温度与表层温度之差不大于15 ℃时,可暂停水冷却作业;当测温管实测混凝土内部温度与表层温度之差大于25 ℃时,应重新启动水冷却系统,并调整进水水温,若水温比混凝土内部温度低得多,则加热进水。

混凝土浇筑前,应在冷却水管中预先注满冷却水,每层冷却水管被浇筑的混凝土覆盖,振捣完毕初凝后,即可启动该层冷却水管通水降温。承台从浇筑起至浇筑完毕,应连续不间断注水,至混凝土温度满足上述要求,方可停止冷却水循环;水冷却降温结束后,应及时用水泥浆对冷却水管进行压浆封堵。

2.2 混凝土温度监测

2.2.1 测区及测点布置

据《大体积混凝土施工标准》(GB 50496—2018)、《大体积混凝土温度测控技术规范》(GBT 51028—2015)规定,温控测试区和监测点布置位置要求如下。

1)测试区选择混凝土浇筑体平面图对称轴线的半条轴线,测试区内监测点按平面分层布置。

2)在检测区内,监测点的位置与数量可根据混凝土浇筑体内温度场的分布及温控要求确定。

3)在每条测试轴线上,监测点位应不少于4处,根据结构的几何尺寸布置(见图1)。

单位:mm。

4)按混凝土厚度,每个测位布置3～5个测点,分别位于混凝土表层(距表面50 mm)、中心、底层(距底面50～100 mm)及中上、中下部位(见图2)。

5)本方案采用冷却水降温,测位和测点均布置在相邻2层冷却水管中间位置。

6)砼浇筑时安排3名人员轮班进行温度检测,1次/h。

图2 大桥2#墩测温点立面布置图

2.2.2 测温元件选择

据《大体积混凝土施工标准》(GB 50496—2018)规定,本方案所用测温元件应满足以下几点要求。①25 ℃环境下,测温误差不应大于0.3 ℃。②温度测试范围应为-30～120 ℃。③测试元件绝缘电阻应大于500 MΩ。④测温线的长度为测温点的深度再加上200 mm。

2.2.3 测温元件安装及保护

1)测温元件安装前,应在水下1 m处浸泡24 h不损坏。

2)预埋元件安装。将测温元件绑扎固定在支撑物上(采用Ø16 mm以上竖向钢筋,其长度为浇筑体厚度再加上20 cm)。浇筑混凝土前,将绑好测温线的支撑物植入混凝土中,固定牢固,不同高度位置测温点的温度传感器不得与支撑物、承台构造筋接触(采用30 mm×30 mm×30 mm的小方木作为隔离)[3]。

3)每个测温点的测温元件引出线集中布置,不同高度的引出线做好相应高度标签,连接插头留在混凝土外面并用塑料袋罩好,避免潮湿,保持清洁。

4)混凝土浇筑过程中,应对测温元件进行保护,下料和振捣时不得直接冲击和触及测温元件及引出线。

2.2.4 温度控制指标及测温频率

1)温度监控指标:里表温差小于28 ℃。

由于现有大型锻压机械已无法在设备和工艺上进行大范围的改动，因此，在设备、工艺及周围环境已经确定的情况下，隔绝噪声的传播途径是降噪的主要措施。

2)降温速率不宜大于2 ℃/d,且4 h不宜大于1 ℃。

3)揭开保温层时的混凝土表面与环境最大温差应小于20 ℃。

4)停止温度监测指标:满足上述1)条,且混凝土最高温度与环境最低温度之差连续3 d小于25 ℃。

5)监测周期与频率。①混凝土浇筑结束后3 d内:每隔2 h测1次。②混凝土浇筑结束后4～15 d:每隔4 h测1次。③混凝土浇筑结束后16 d:每隔24 h测1次。④当里表温差小于25 ℃时,停止测温[4]。

2.2.5 温控监测规定

1)大型混凝土浇筑室内监测点的设置,应当以能够准确反映浇筑室内最热增加量、芯部温度与表面温差、降温速度和周围温度等为依据。

2)监测点位布设以测试区为基准,测试区中的监测点位按照一定的代表性,进行分层布设,在基座对称轴上不少于4个,并根据结构几何特征进行布设。

3)在混凝土浇筑体壁厚的方向上,外表面应有一定的排布。底部及中央温度测量点、其他测量点的距离不应超过600 mm。

4)大容积混凝土浇筑后,至少4次/d,每天至少检测4次核心与表面的温差、冷却率、环境温度和应变,每个工班至少检测2次。

5)浇筑在混凝土表面以下500 mm范围内的,建议设置在混凝土表面以下。

2.2.6 减轻温度应力的措施

通过提高骨料级配、使用干法、掺合料、添加引气剂和增塑剂等方法来降低混凝土的水泥用量。在温度超过25 ℃时,浇筑时应减小浇筑层的厚度,并充分利用浇筑层的热量。在混凝土内部埋置1根软管,注入凉水使其冷却。为防止混凝土表层出现明显的温差,设定合理的拆模时间,在气温突然下降时做好表层隔热处理。

3 混凝土保温养护措施

大体积混凝土在每次浇筑完成后,除了按照一般混凝土进行常规养护之外,还应该按照温度控制技术措施的要求,对大体积混凝土进行保温养护。

1)保持水分的保鲜期,至少要28 d。保温罩的拆除要分阶段进行,在混凝土表面温度与外界最大温差不超过20 ℃的情况下,可以彻底拆除。

2)养护时,要确保胶膜和养护涂料完好,使混凝土表面始终保持湿润。

3)在大体积混凝土的保温与养护过程中,对其内部与表面的温度、冷却速度等参数进行监测,如果监测值达不到控温指标,则需要及时调整保温与养护方法。

4)大型混凝土在拆除模板后,要做好防冻、降温、强干的养护工作。一般情况下,大体积混凝土的拆除时间可适当推迟,而将模板用作保温和维护措施时,则须按温度控制的需要来决定拆除时间[5]。

4 混凝土特殊气候条件保障措施

在遇到炎热、冬季、大风或者雨雪天气等特殊气候条件时,大体积混凝土施工必须采用行之有效的技术措施,确保混凝土浇筑和养护的质量,并且还应该符合以下规定。

1)当在炎热季节浇筑大体积混凝土时,应该将混凝土原材料进行遮盖,避免日光暴晒,并用冷却水搅拌混凝土,或采用冷却骨料、搅拌时加冰等方法降低入模温度,必要时采用混凝土中埋入冷却管措施,在混凝土浇筑之后,应及时进行保湿养护。

2)在冬天,用热水搅拌和骨料加热等方法来提高混凝土原料的温度,使混凝土的入模温度不能低于5 ℃。在浇筑完混凝土后,要立即做好保温和湿润的工作。

3)在强风条件下进行混凝土浇筑,施工现场要做好防风工作,减小混凝土表层的流速,加大对混凝土表层的刮除力度,并要及时铺上塑料布等隔热材料,以保证混凝土表层的水分不会流失,以免出现干燥现象。

4)恶劣的气候条件下,不能在户外进行混凝土浇筑,如果确需在室外进行,必须采取相应的措施,以保证混凝土质量。在浇筑过程中,如果突然遇到了下雨或者大雪天气,在结构合理的位置上要预留施工缝,并在最短时间内停止浇筑混凝土,并且对尚未硬化的混凝土进行覆盖,防止雨水对新浇筑混凝土的直接冲刷。

5 结束语

本文深入剖析了混凝土温度对强度和耐久性的影响,并详细阐述了混凝土温度控制技术,系统介绍了混凝土温度监测的规范标准。同时,还探讨了大体积混凝土的保护措施,这些保护措施的实施能帮助降低温度对混凝土品质和性能的不良影响,提高混凝土的耐久性和使用寿命。