大體積混凝土最小化溫差控制技術(shù)
2005-03-23 00:00
高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ)表面復(fù)蓋保溫毯，可大幅降低表層混凝土冷卻速度
工程師在重荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常采用高強(qiáng)混凝土。由于，這種混凝土的強(qiáng)度比較高，因此，與采用傳統(tǒng)混凝土的相比，其構(gòu)件的尺寸就較小。大體積混凝土的水化熱（無(wú)論是否采用高強(qiáng)混凝土）及其產(chǎn)生的溫升，都會(huì)導(dǎo)致熱膨脹和收縮問(wèn)題。如不對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，混凝土中的溫差膨脹，會(huì)使其內(nèi)部的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。本文介紹了一種由某工程承包商采用的,對(duì)大體積高強(qiáng)混凝土基礎(chǔ),進(jìn)行溫差監(jiān)控的方法。
大體積混凝土基礎(chǔ)
美國(guó)田納西流域管理局，正在對(duì)其管轄區(qū)內(nèi)的燒煤發(fā)電廠，安裝優(yōu)先催化還原設(shè)備，其中有一個(gè)結(jié)構(gòu)裝置首位于阿拉巴馬州東北部。新設(shè)備要求大體積混凝土基礎(chǔ)承受其巨大的重力和瞬間荷載。基礎(chǔ)由四個(gè)巨大的承臺(tái)和相連的地梁組成。承臺(tái)面積2.7m2，厚2.4m，地梁寬1.2m，深1.2m，基礎(chǔ)混凝土的28天強(qiáng)度為C40（40MPa）。標(biāo)準(zhǔn)的能滿(mǎn)足項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范的拌合物是：石灰石骨料，350kg符合ASTM C150規(guī)范 的波特蘭Ⅱ型水泥，以及47kg（符合ASTM C618規(guī)范）的F級(jí)粉煤灰。
ACI 207. 1R對(duì)大體積混凝土的定義是：“任何體積的混凝土，其三維尺寸大到足以需考慮測(cè)定其水泥水化產(chǎn)生的熱量，及其伴隨的體積變化會(huì)導(dǎo)致最細(xì)微的開(kāi)裂?！盇CI207 接著指出，巨大的拉應(yīng)力和應(yīng)變，可能會(huì)隨著大體積混凝土中，溫度升降引起的體積變化，而進(jìn)一步發(fā)展。
本項(xiàng)目的基礎(chǔ)，鋼筋密布，四周均設(shè)約束鋼筋。但是，這些鋼筋不能保證混凝土不開(kāi)裂，更不能防止混凝土產(chǎn)生熱量。這些采用高強(qiáng)混凝土的基礎(chǔ)，如果暴露在寒冷氣候中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，必然會(huì)由于基礎(chǔ)中央和外露表面之間的巨大溫差，而問(wèn)題多多。但是，如果混凝土的最大溫差得以控制，大體積混凝土基礎(chǔ)的散熱均勻，避免出現(xiàn)基礎(chǔ)中的溫差，這些問(wèn)題都是可以避免的。被選擇用于本項(xiàng)目的方法，就是盡量減少溫差和降低混凝土最高升溫，從而防止混凝土的開(kāi)裂及其潛在的內(nèi)部損傷。
測(cè)量設(shè)備及監(jiān)測(cè)方法
當(dāng)混凝土的外表面溫度持續(xù)下降時(shí)（由于散熱），會(huì)隨著大體積混凝土內(nèi)部持續(xù)升溫（由于水化），使溫度裂縫的可能性增加。此外，由于拌合物的配合比設(shè)計(jì)，水泥用量以及澆筑規(guī)模的大小，都會(huì)使混凝土內(nèi)部的溫度，輕易地超過(guò)最高安全極限溫度70℃。該極限溫度的設(shè)定，正是來(lái)自當(dāng)前混凝土行業(yè)施工實(shí)踐所關(guān)注的，與延遲鈣礬石反應(yīng)有關(guān)的，混凝土長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題。外界（周?chē)鷼鉁兀囟扰c混凝土內(nèi)部溫度有巨大的差異（這種狀況在實(shí)際施工中相當(dāng)嚴(yán)重），如果外界溫度進(jìn)一步降低，外側(cè)的混凝土就會(huì)阻止不斷升溫的內(nèi)部混凝土的熱膨脹，其結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致混凝土毀損。
本項(xiàng)目的基礎(chǔ)是在11月份澆筑的，當(dāng)時(shí)的室外平均溫度在4-10℃之間。特別是兩個(gè)位于北面的承臺(tái)，有三面外露在空氣環(huán)境中，并在澆筑時(shí)，會(huì)遭受寒流。而兩個(gè)位于南面的承臺(tái)及地梁，由于局部埋在土中與地平面相平，且只有朝北一面外露，因此，遭受極端溫差的可能性較小。
最初，避免溫差膨脹和收縮問(wèn)題的計(jì)劃是：采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保溫毯給混凝土保溫，盡量減少溫差。把基礎(chǔ)混凝土水化過(guò)程中產(chǎn)生的熱散去，預(yù)計(jì)需14天。由于鋼結(jié)構(gòu)吊裝進(jìn)度很緊，因此，承包商很重視對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行14天保溫養(yǎng)護(hù)。他們決定在混凝土內(nèi)放置熱電偶，用來(lái)確定何時(shí)混凝土內(nèi)部溫度，已下降到足以掀去保溫毯。這是一種簡(jiǎn)單的監(jiān)測(cè)溫度的方案，可提供混凝土中最高的內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)資料。
把熱電偶放置在東北和西南方向上的承臺(tái)內(nèi)部（以代表混凝土的中心溫度），也把熱電偶放置在同樣的承臺(tái)外表面中央，（以代表混凝土的表面溫度），深度離模板表面50mm。對(duì)西南方向上的承臺(tái)進(jìn)行溫度測(cè)量，用以判斷土地對(duì)混凝土溫度變化和冷卻的影響程度。
若出現(xiàn)特殊降溫不切實(shí)際的場(chǎng)合，以及出現(xiàn)必須使用高強(qiáng)拌合物的場(chǎng)合，為了控制開(kāi)裂，波特蘭水泥協(xié)會(huì)的“混凝土拌合物的設(shè)計(jì)和控制”規(guī)范認(rèn)為的良好技術(shù)是：1）連續(xù)一次性澆筑全部分項(xiàng)混凝土工程，2）避免來(lái)自鄰近混凝土構(gòu)件的外部約束，3）通過(guò)防止混凝土內(nèi)部和外層過(guò)高的溫差，控制內(nèi)部溫度變化。本項(xiàng)目的基礎(chǔ)，就采用連續(xù)一次性澆筑。并且不受到鄰近混凝土構(gòu)件的約束。
具體措施的落實(shí)
內(nèi)部的水化熱會(huì)引起升溫，為了預(yù)測(cè)基礎(chǔ)內(nèi)部的峰值升溫，我們采用了兩種原始文件資料作為參考依據(jù)，即波特蘭水泥協(xié)會(huì)文件和ACI207.2R規(guī)范。引起峰值升溫的因素包括：混凝土的初始溫度，周?chē)h(huán)境溫度，拌和物的配合比（膠凝材料總量），混凝土構(gòu)件的尺寸，及其用鋼量。
在炎熱氣候條件下，最常用的是：采用冷卻水，或采用部分取代用水量的冰塊，對(duì)混凝土進(jìn)行降溫。其他還有采用水噴淋骨料，或把液態(tài)氮注入新拌混凝土等降溫方法。
基礎(chǔ)混凝土的初始溫度估計(jì)在16℃左右，其依據(jù)是：攪拌站測(cè)得的骨料和其他材料的溫度?；炷辽a(chǎn)商表示，用特殊的方法把混凝土冷卻到16℃以下，會(huì)增加生產(chǎn)成本。該混凝土初始溫度，加上預(yù)計(jì)的混凝土升溫，然后，對(duì)混凝土是否會(huì)超過(guò)極限溫度70℃進(jìn)行預(yù)測(cè)。
ACI207.1R第5.3節(jié)可用來(lái)近似算出，無(wú)冷卻損失的混凝土最高升溫。對(duì)于該工程項(xiàng)目采用的強(qiáng)度為40MPa的混凝土，根據(jù)ACI207.2R的方程式，預(yù)估的混凝土絕熱升溫為60℃（即無(wú)任何散熱損失）。
根據(jù)《混凝土拌和物的設(shè)計(jì)和控制》的公式，可對(duì)采用350kg水泥，47kg粉煤灰，相當(dāng)于23.5kg水泥進(jìn)行計(jì)算（一般都以1/2粉煤灰的重量，當(dāng)作產(chǎn)生水化熱的水泥重量），預(yù)估出混凝土的最高升溫約59℃（無(wú)冷卻措施）。
把較高的峰值溫度60℃，加上混凝土澆筑時(shí)的初始溫度16℃，近似得出混凝土的最高溫度77℃（無(wú)任何冷卻損失）。預(yù)計(jì)混凝土通過(guò)正常外露，或在大氣中的冷卻，其內(nèi)部的最高溫度在68-70℃之間。因此，不必加冰塊降低混凝土的初始溫度。
為了控制表面裂縫，PCA文件建議，內(nèi)外溫差一般不要超過(guò)20℃。文件還指出，采用石灰石骨料的混凝土，其最大溫差應(yīng)限制在31℃。用于本工程項(xiàng)目的混凝土，其溫差可能會(huì)超過(guò)這極限溫度，因此，應(yīng)采用隔熱保溫毯來(lái)降低溫差，直至通過(guò)散熱，使其內(nèi)部溫度與周?chē)h(huán)境溫度相同為止。本項(xiàng)目選擇的混凝土內(nèi)外極限溫差是28℃。
本項(xiàng)目選擇采用雙層保溫毯，其總熱傳導(dǎo)約4H2.h.f/Btu（0.70M2.K/W），可防止混凝土表面快速冷卻?；炷潦窃?002/11/22澆筑的，然后，就立刻將保溫毯覆蓋在所有外露的混凝土表面和木模板表面。采用熱電偶測(cè)出混凝土內(nèi)部和外表面的溫差。估計(jì)需14天，才能使混凝土基礎(chǔ)的內(nèi)部溫度降至周?chē)h(huán)境溫度（28℃）。定期對(duì)熱電偶進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便確認(rèn)何時(shí)可把復(fù)蓋的保溫毯掀掉。
在嚴(yán)寒氣候條件下，基礎(chǔ)周?chē)叵碌耐寥溃墙档蜕岬牧己帽夭牧?。但是，外露的混凝土，必須采用保溫毯進(jìn)行保溫。
環(huán)境溫度在28℃內(nèi)
承包商采用熱電偶，定期監(jiān)測(cè)混凝土的溫度，并且在混凝土的內(nèi)部溫度達(dá)到周?chē)h(huán)境溫度28℃時(shí)，把保溫毯掀掉。我們有趣地觀察到，當(dāng)基礎(chǔ)被局部埋在土層下時(shí)，諸如位于西南方向上的基礎(chǔ)，與東北方向上的承臺(tái)相比，混凝土的內(nèi)部和外表溫度都下降得較快。其原因就在于：土壤是良好的保溫材料。地梁的溫差不明顯，其原因是：梁寬僅1.2m，而承臺(tái)寬2.7m。12月3日（澆筑后第10天）東北方向承臺(tái)的混凝土內(nèi)部溫度為27℃，基本與期望的平均環(huán)境溫度28℃持平，這時(shí)，保溫毯就掀掉了。在基礎(chǔ)模板拆除后，外露的基礎(chǔ)混凝土表面，沒(méi)看到任何裂縫。幾周后，仍無(wú)任何表面裂縫。
極限溫差
表面裂縫，不但會(huì)影響到混凝土結(jié)構(gòu)的美觀，而且還會(huì)使其壽命受損。雖然，表面裂縫很小，但是，還是會(huì)令工程師、承包商和業(yè)主擔(dān)心不已。內(nèi)部裂縫和太高的混凝土溫度，同樣會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，并更為令人擔(dān)心。因?yàn)?，如果?huì)產(chǎn)生延遲性鈣礬石反應(yīng)，會(huì)對(duì)混凝土的整體性，帶來(lái)許多不可預(yù)見(jiàn)的影響。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于，高強(qiáng)度混凝土的使用日益普遍，因此，設(shè)計(jì)人員必須了解，并采用PCA和ACI的推薦方法，以避免產(chǎn)生類(lèi)似的裂縫和高溫問(wèn)題。
熱電偶或其他測(cè)溫裝置，是一種用于確定溫差的方法。在嚴(yán)寒氣候條件下，混凝土表面保溫，可以最大限度地減小大體積混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，散熱時(shí)的內(nèi)外溫差，而且，表面保溫，對(duì)內(nèi)部最高溫度，幾乎沒(méi)有影響。依靠土壤散熱，有助于降低最高溫度，同時(shí)又能使混凝土的外部溫度，保持在內(nèi)部溫度可接受的范圍內(nèi)。與使用保溫毯給外露混凝土保溫相比，土壤能更好地使大體積混凝土的溫差大幅度降低。
使用PCA和ACI編制的技術(shù)指南，可算出和核查混凝土的最高溫度,以防止混凝土過(guò)熱,產(chǎn)生內(nèi)部破壞。應(yīng)采用相關(guān)規(guī)定,諸如根據(jù)項(xiàng)目規(guī)定的強(qiáng)度要求,修正拌和物的膠凝材料用量，降低初始澆筑溫度,或提供內(nèi)部降溫手段，避免混凝土出現(xiàn)高溫。
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