大体积混凝土施工温度监测及其温度应力分析

赵学军

摘要: 大体积混凝土因自身水化热和环境温度的影响易产生温度裂缝。监测大体积混凝土温度的变化是工程检测的重要工作。通过试验室对混凝土施工前的温度的观测, 由温度结果分析得出适宜的施工工艺。对调整施工工艺后的结构混凝土进行温度观测及温度应力分析,明显的降低了混凝土的温度及应力, 该工程中大体积混凝土温度符合工程的要求和标准。

关键词: 大体积混凝土; 温度观测; 应力

中图分类号： TV544+.91文献标识码： A 文章编号：

1 工程背景

1.1 工程简介

广西省桂来高速公路黔江特大桥大型承台施工，为防止水化热和环境温度产生温度裂缝使钢筋锈蚀, 混凝土的碳化, 降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。本工程中从原材料、施工工艺和散热降温等方面采取相应的技术措施来保证大体积混凝土的实际温差在允许温差范围内, 从而有效控制温度应力的变化及温度裂缝的产生。大体积混凝土浇筑最高温度不宜超过80 ℃; 大体积混凝土表面和内部温差控制在设计要求的范围内, 温差不宜超过25 ℃。本工程通过试验室对混凝土温度的变化进行监控和观测, 由温度变化结果分析得出适宜的施工工艺, 以确保结构混凝土施工的质量。根据广西省桂来高速公路黔江特大桥大型承台设计要求, 混凝土的浇筑入模温度不得超过32℃。在混凝土养护期间, 内部最高温度不得高于85 ℃( 施工环境温度较高) , 混凝土内任何相邻1m 的两点温度差值不能大于25℃。

承台的结构尺寸长25.3 m,宽为8.62 m, 高度为5 m 的钢筋混凝土结构。水泥采用强度增长较为缓慢且水化放热量低的P·O42.5级水泥, 3 d 抗压强度26 MPa, 28 d 抗压强度56 MPa; 7 d 水化热306 kJ/kg。在混凝土中掺加部分粉煤灰, 可使混凝土内部温峰显著降低, 减少混凝土水化热, 有利于防止大体积混凝土开裂。选用性能较好的I 级粉煤灰, 需水量比90%~92%, 烧失量1.6%~2.5%。外加剂选用高效泵送剂FDN, 其减水性能及坍落度保持性能均较好。水采用符合现行国家标准的自来水或者地下水。粗骨料采用粒径为5~25mm, 连续级配且含泥量小于1%的碎石, 细骨料采用细度模数2.7 的中砂, 含泥量不大于2%。根据配合比设计原则及本工程的具体要求, 通过正交试验方法选择出合理的配合比, 在此基础上, 结合类似工程实践经验对配合比设计结果进行调整, 最终配合比见表l。

表1

2 温度监控系统及测点布置

温度监控系统采用自动温度检测系统。温度传感器按照设计埋置于混凝土中, 传感器连接数据采集器, 并通过控制器与计算机相连。温度测量精度为0.1 ℃, 可以24 h 实时监测, 数据定期以文本文件形式储存。混凝土内部温度的监测工作在混凝土浇筑的同时进行, 在混凝土养护期间, 对温升阶段和温降阶段, 自动显示、记录24 h 各测点温度变化情况, 设置报警温度为25 ℃。每天提供每隔15 min 的测点数据, 每天对数据进行结果分析和评价, 以便施工现场及时调整保温养护等施工措施, 确保工程质量。

3 大体积混凝土模型内部温度测试结果与施工方案调整

3.1 混凝土温度测点的布置

通过在试验室浇筑混凝土, 以结构混凝土所使用的材料和浇筑条件对混凝土浇筑温度进行提前的把握,根据试验室内混凝土的温度观测结果进行分析调整施工方案。试验室混凝土模型中测点的布置如图1 所示。

图1 试验室混凝土模型中测点的布置

3.2 混凝土温度观测结果及其分析

对混凝土试验温度的记录如图2。所有温度测点的温度记录曲线的大致可以分为3 个阶段:①浇筑前期: 即混凝土入模后, 温度曲线在短时间内升高, 其中以处于混凝土模型中间部位的T2 测点的温度变化速率最为明显。②浇筑中期: 随混凝土中水泥的水化热逐步向外

图2 混凝土试验温度检测结果

传递,各个温度测点的温度逐渐缓慢的降低。③浇筑后期: 温度测点温度降低更加缓慢。对于该混凝土模型试验的混凝土而言, 各个温度测点最高温度都出现在混凝土浇筑后2 d。其中测点T2 温度上升至92.88 ℃后, 温度开始回落。位置处于足尺混凝土模型表面的温度测点, 受外界温度影响较大, 所以出现了和布置在混凝土模型外面测点相同的规律, 即出现了明显的波动起伏, 这是由于外界温度的变化造成的。图3 和图4 是混凝土模型中最大温度和最大温度差的监测结果。图3 可以发现: 混凝土模型试验中, 混凝土放热速率很快, 混凝土浇筑2 d 后混凝土温度达到最大值, 最高温度为92.88 ℃, 温度在该位置保持近1 d 后开始逐渐下降。

图3混凝土试验中最大温度监测结果图4混凝土试验中最大温差监测结果

温度差出现在混凝土浇筑3 d 后, 最高温度差为49.50 ℃, 较大的混凝土温度差持续3 d 左右才逐渐开始降低。说明混凝土的最大温度和最大温度差出项规律并不同步,在施工过程中, 应该根据施工设计的要求, 对于控制最大温度或者最大温度差应分别采用不同的控制方法。

3.3 温度应力分析

根据参考文献{2}大体积混凝土的温度和温度差来推算混凝土中的最大温度应力, 由此可清楚混凝土中是否会产生由温度差过大而产生裂缝, 以便及时调整施工工艺。

计算公式如下:

σmax=0.1125E×a×T0( 1-r)(1)

式中:E——弹性模量, 取3.0×104;

a——混凝土线膨胀系数, 取1.0×10-5;

T0=Tmzx- T';

Tmzx——混凝土中部最高温度;

T'——混凝土表面温度;

r——混凝土泊松比, 取0.15。

K=Rf/σmax

根据以上温度观测结果, 由式(1) 计算可知, 混凝土中的最大温度应力为1.95 MPa, K 值为0.87<1.15, 混凝土可能产生裂缝。为此必须对原有的施工方案进行调整, 通过采取适宜的施工技术措施, 对基础承台大体积混凝土进行内部温度和温差控制, 尽量使得混凝土各区域内部最高温度控制在85 ℃以内,尤其是要控制混凝土中的温差控制在25 ℃以内, 以减小温度应力, 防止混凝土温度裂缝的产生, 确保大体积混凝土的施工质量。

3.4 施工方案的调整

(1) 降低混凝土入模温度。通过确定合理的混凝土配合比和添加剂( 包括掺入冰水等措施) , 来有效控制混凝土的入模温度。调整后的混凝土入模温度经测定为15 ℃。

(2) 承台采用分层浇筑，每一浇筑层厚度2.5m，每浇筑一层宜间歇7～12天再浇筑第二层，每层分四次浇筑，在初凝时间范围内每层浇筑。

(3) 布置冷却水管。在承台混凝土内部设置具有一定强度外径D28*2的输水管, 通过低温水循环降低混凝土中心区域的温度。冷却水管的进水温度约为8 ℃左右, 出水的温度约为35 ℃左右, 表明冷却水管对降低混凝土内部的水化热起到了的作用。

(4) 加强保温措施。温度裂缝的产生关键在于混凝土中心温度和表面温度的差值不应过大( 规范要求控制在25 ℃以内) 。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保温。常用的保温措施有蓄水保护和覆盖草袋保护。因此本工程采用覆盖草袋进行表面混凝土的保温措施, 以保证表面温度不会下降太快。

(5) 进行温度监控。在混凝土内部不同厚度区域布置温度传感器, 对底板的温度场进行浇筑期和养护期的连续监测, 根据监测结果调整养护措施( 降低冷却水管的入水温度, 加强保温等) 。根据大体积混凝土温度监控数据, 每天对结果进行分析一次。

4现场结构混凝土的温度测试结果和温度应力分析

现场结构混凝土进行浇筑时, 在混凝土内部不同部位布置了12 个测温点,对承台的温度进行浇筑期和养护期的连续监测, 获得了各测试部位的内部最高温度及其与混凝土表面的温差随时间的变化规律。图6 是现场结构混凝土的各个测点的温度监测结果。图中可见,各个测点温度的变化规律和图2 的规律类似。即在混凝土浇筑后, 混凝土内的温度升高很快, 部分测点在2 d 后达到最高, 部分测点在浇筑3 d 后达最高, 然后混凝土中的温度逐渐降低。整个结构中混凝土的温度最高为82.56 ℃。

图6现场混凝土试验温度监测结果

图7现场混凝土施工最大温度监测图8现场混凝土施工最大温差监测

图7 是现场结构混凝土的最大温度监测结果。由图可见,混凝土浇筑3d 后, 现场混凝土中出现最大温度, 最大温度值为82.56 ℃, 最大温度持续约3 d 左右。在结构混凝土中最大温度持续时间较长的原因可能是尺寸较大, 水泥水化热很难从中心部位转移到表面得到释放而致。图8 是现场结构混凝土的最大温度差监测结果。在该混凝土中选择测点为T1-T3 和T7-T10。图中可见,最大的温度差均小于25℃,小于工程设计要求，根据式(1) 和现场结构混凝土的温度监测结果可以计算其最大温度应力。

即σmax=0.112 5E×a×T0 /1- r=0.1125×3.0×104×1.0×10- 5×19.2/1- 0.15=0.762MPa, K=Rf /σmax=1.3/0.762=1.71>1.15,

即该结构混凝土满足抗裂条件。

总之, 通过试验室中利用相同的材料和工艺配置混凝土试验,预先对现场混凝土的情况有所掌控, 然后调整施工工艺,降低混凝土中的最大温度和最大温度应力, 避免了混凝土结构由于温度而引起的裂缝,确保了本工程的质量。

5 结论

大体积混凝土温度是施工过程中需要严格控制的指标。可通过试验室模型对现场混凝土进行预见性分析,然后通过试验结果调整施工工艺。主要降低施工材料入模温度;采用分层浇筑、保温措施、布置冷却水管等施工措施。通过调整施工工艺的现场结构混凝土最大温度大幅度降低, 最大温度差和最大温度应力都得到了控制, 达到了工程要求, 保证了工程质量。

参考文献:

[1] JTJ 041-2000公路桥涵施工技术规范

[2] JTG E30-2005公路工程水泥及水泥混凝土试验规程

[3] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京: 中国建筑工业出版社, 1997.

[4] 江正荣.建筑施工计算手册[K].北京: 中国建筑工业出版社, 2001.