承台大体积混凝土水化热温度监测技术

杨川

（中铁十二局集团第二工程有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概况

某大体积混凝土承台长72.1m，宽度37.1m，厚度5.65m，浇筑混凝土量大约为15201m3，C40混凝土强度。承台采用分次浇筑，并将冷却水管布置于混凝土中。为了避免该大体积混凝土出现裂缝等变形情况，本文对该混凝土承台从塑性状态转变为弹性状态整个过程进行实时检测，并根据检测结果及时调整养护方案，以实现控制裂缝产生的目的。

2 现场数据采集

现场混凝土监测是将温度传感器埋至混凝土内部，目的是即时监测混凝土各个位置的温度。在浇筑承台的混凝土之前将温度传感器布置在其中，完成浇筑工作之后使其埋在混凝土内，对其内部实际温度进行直接测量，以检测数据为依据，调整冷却水量，尽可能将水化热聚集给承台带来的负面影响降至最低。在承台中部混凝土中心位置放置三个同型号温度传感器，三者不仅可以帮助校核，还可以规避冷却水管的影响，对承台实际的水化热进行准确测试。承台第一层与第二层的冷却管放置如图1所示。

图1 承台冷却管布置示意图（cm）

3 温度测试结果分析

3.1 现场实时监测温度变化

图2为具有代表性的测点的现场实时监测数据。

图2 不同测点温度变化过程

3.2 混凝土水化热升降变化规律

由图2(a)可知：

1）升温阶段：首次浇筑入模的温度约为28℃，在开始的两天，温度的增长幅度小，在第3d，温度大幅升高，大约在第5d达到峰值，约为55℃。

2）降温时：第5～15d，降温水化过程基本结束。在此期间，温度平均每天降低3℃，比温度控制指标要高。在第15d，水泥的平均温度是45℃，而大气温度为27℃，意味着要继续进行混凝土散热。

3）混凝土的温度峰值在承台的中心位置出现，且在温度达到峰值之后，因中间部分的混凝土散热困难，持续高温，但表面部分在达到温度峰值之后以极快的速度降温，也就是说在浇筑工作结束后的5～8d左右，容易产生裂缝。结果显示，首次浇筑时内部与外部温差保持在25℃之下。

由图2(b)可知：

1）升温阶段：浇筑时温度约为24℃，第1～2d温度缓慢增长，在第3d快速增长，在第5d出现峰值，约为70℃，远高于35℃的经验控制值。降温状况大体上和第一次浇筑相同。

2）选择两次浇筑，温度随浇筑次数时程曲线相似。但第一次浇筑比第二次浇筑的影响要大，比如，混凝土浇筑第二次后测点b温度回升，第一次浇筑完成大概15d后即第二次浇筑时，产生温度驼峰，但其余位置的温度曲线无此种回升，这表明一定的弹模和强度会使混凝土的导热性降低，新浇筑好的混凝土仅仅对浅层老混凝土有影响。

3）中心部分温度的变化特点是快速升温与缓慢降温，一直维持到稳定时段；与中心位置温度变化不同，混凝土边缘部分通过快速升温之后，其峰值比中心要低，维持时间也比中心要短，且迅速开始降温，快速达到稳定。

4）气温会对混凝土的水化热升降造成影响，前期水化反应平缓时，放出的热量较少，当水化反应强烈时，占主导地位的是水化热释放的能量，在降温段，反应基本完成，气温的改变对中心及中心周围的区域影响较小，只对表面混凝土产生较大影响。

3.3 温度应力时程曲线

图3是某些测点温度应力时程的曲线。

图3 部分测点温度应力曲线

由于应力无法被直接测量，所以运用粘弹性方程[1-2]，求得应力，其方程如式（1）：

式中：σij(t)为粘弹性应力场（MPa）；为弹性应力场（MPa）；τ1为水化热温度等指标的持续作用时间（h）；Cij(t)为根据时间变化产生变化的弹性模量（m2）；K(t,r)为应力函数；σij(τ)为弹性张量；d为弹性损伤；τ为龄期。

在应力测试中，为直接试验值，粘弹应力σij(t)应运用此方程进行计量，此项工作难度极大，与构件在荷载的作用下产生的应力有本质区别。实际测量出的应变值就是实际应变值。

3.4 温度应力分析

1）受压阶段：根据各测点曲线可知，在混凝土浇筑8d后，承台内混凝土大多处在受压状态。根据曲线，混凝土升温时，混凝土的弹性模量明显减小，自身膨胀导致混凝土受压应力降低，随着水化热逐渐完成，其产生的温度也开始降低。

2）受拉阶段：承台各测点在10d后出现拉应力，拉应力的出现时间与混凝土温度峰值的时间并不一致，混凝土升温后体积膨胀。由曲线得知，应力时间晚于温度，混凝土最大拉应力在2.3MPa左右。

3）导致混凝土早期硬化开裂的一个重要因素是气温。升降温前期应力曲线不光滑，出现锯齿，体现应力随外界温度改变，但波动很小。在20d前后应力波动显著提升，且拉应力有上升趋势。

4）“内压外拉”指处于升温期的混凝土内部升温速度快、外部升温速度慢所引发的现象。当混凝土没有因温度的改变而改变时，标志着降温段中部的到来，发生松弛效应的时间是第8d，此时混凝土的应压力转化为拉应力。在浇筑后期对混凝土影响最大的是内外温差，混凝土相应龄期的抗拉强度值大于由内外温差形成的混凝土截面温度应力值是控制该差值的必需条件。

4 结果分析

分析结果可知：

1）浇筑大体积混凝土时，采取“放”的原理帮助混凝土散热，合理划定浇筑单元，重点完善块间构造措施，完善施工工序，更好控制厚大体积的混凝土缝隙。

2）要考虑诸多因素，如水泥的标号、品种、砂率、水灰比、粉煤灰掺量、外加剂和纤维掺量等，使混凝土配合比更合理，最大程度降低混凝土水化热释放总量，有利于控制混凝土温升，也有利于减少降温期间的内外温度梯度[3]。

3）温控指标不是一个常量，其不仅受结构厚度的影响，也受气温的影响，只控制温度并不能达到预期效果，更主要的是应力控制。监测应力量值需要把混凝土松弛效应考虑在内，如此测得的应力为真实的结果。

5 结语

基于上述分析，针对大体积混凝土温控提出以下建议：

1）冷却管在掩埋铺设时应当采取相应举措进行稳固，浇筑混凝土前应当提早实行通水试验来查验冷却管是否拥塞和损坏，在浇筑混凝土进程中避免拥塞、透水。

2）用水泵泵水，确保冷却管进水口时有充足动力，出入水管的水温差在5～10℃之内，承台从浇筑起至浇筑完后15d内不停灌水，且此水不可循环使用。

3）防止高温时浇筑基桩混凝土，所用原料应防止暴晒，基桩浇筑后留意洒水养生。

4）冷却管运用后即注入35℃的水泥来封孔，把超出基桩顶面部分截掉，同时进行防腐处理。