大體積混凝土最小化溫差控制技術
2005-03-23 00:00
高強混凝土基礎表面復蓋保溫毯，可大幅降低表層混凝土冷卻速度
工程師在重荷載結構設計中，常采用高強混凝土。由于，這種混凝土的強度比較高，因此，與采用傳統(tǒng)混凝土的相比，其構件的尺寸就較小。大體積混凝土的水化熱（無論是否采用高強混凝土）及其產(chǎn)生的溫升，都會導致熱膨脹和收縮問題。如不對其進行監(jiān)測，混凝土中的溫差膨脹，會使其內(nèi)部的拉應力超過其抗拉強度，導致混凝土開裂。本文介紹了一種由某工程承包商采用的,對大體積高強混凝土基礎,進行溫差監(jiān)控的方法。
大體積混凝土基礎
美國田納西流域管理局，正在對其管轄區(qū)內(nèi)的燒煤發(fā)電廠，安裝優(yōu)先催化還原設備，其中有一個結構裝置首位于阿拉巴馬州東北部。新設備要求大體積混凝土基礎承受其巨大的重力和瞬間荷載?；A由四個巨大的承臺和相連的地梁組成。承臺面積2.7m2，厚2.4m，地梁寬1.2m，深1.2m，基礎混凝土的28天強度為C40（40MPa）。標準的能滿足項目設計規(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級粉煤灰。
ACI 207. 1R對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定其水泥水化產(chǎn)生的熱量，及其伴隨的體積變化會導致最細微的開裂?！盇CI207 接著指出，巨大的拉應力和應變，可能會隨著大體積混凝土中，溫度升降引起的體積變化，而進一步發(fā)展。
本項目的基礎，鋼筋密布，四周均設約束鋼筋。但是，這些鋼筋不能保證混凝土不開裂，更不能防止混凝土產(chǎn)生熱量。這些采用高強混凝土的基礎，如果暴露在寒冷氣候中進行養(yǎng)護，必然會由于基礎中央和外露表面之間的巨大溫差，而問題多多。但是，如果混凝土的最大溫差得以控制，大體積混凝土基礎的散熱均勻，避免出現(xiàn)基礎中的溫差，這些問題都是可以避免的。被選擇用于本項目的方法，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裂及其潛在的內(nèi)部損傷。
測量設備及監(jiān)測方法
當混凝土的外表面溫度持續(xù)下降時（由于散熱），會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計，水泥用量以及澆筑規(guī)模的大小，都會使混凝土內(nèi)部的溫度，輕易地超過最高安全極限溫度70℃。該極限溫度的設定，正是來自當前混凝土行業(yè)施工實踐所關注的，與延遲鈣礬石反應有關的，混凝土長期耐久性問題。外界（周圍氣溫）溫度與混凝土內(nèi)部溫度有巨大的差異（這種狀況在實際施工中相當嚴重），如果外界溫度進一步降低，外側的混凝土就會阻止不斷升溫的內(nèi)部混凝土的熱膨脹，其結果就會導致混凝土毀損。
本項目的基礎是在11月份澆筑的，當時的室外平均溫度在4-10℃之間。特別是兩個位于北面的承臺，有三面外露在空氣環(huán)境中，并在澆筑時，會遭受寒流。而兩個位于南面的承臺及地梁，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題的計劃是：采用現(xiàn)有標準規(guī)定的保溫毯給混凝土保溫，盡量減少溫差。把基礎混凝土水化過程中產(chǎn)生的熱散去，預計需14天。由于鋼結構吊裝進度很緊，因此，承包商很重視對基礎進行14天保溫養(yǎng)護。他們決定在混凝土內(nèi)放置熱電偶，用來確定何時混凝土內(nèi)部溫度，已下降到足以掀去保溫毯。這是一種簡單的監(jiān)測溫度的方案，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。對西南方向上的承臺進行溫度測量，用以判斷土地對混凝土溫度變化和冷卻的影響程度。
若出現(xiàn)特殊降溫不切實際的場合，以及出現(xiàn)必須使用高強拌合物的場合，為了控制開裂，波特蘭水泥協(xié)會的“混凝土拌合物的設計和控制”規(guī)范認為的良好技術是：1）連續(xù)一次性澆筑全部分項混凝土工程，2）避免來自鄰近混凝土構件的外部約束，3）通過防止混凝土內(nèi)部和外層過高的溫差，控制內(nèi)部溫度變化。本項目的基礎，就采用連續(xù)一次性澆筑。并且不受到鄰近混凝土構件的約束。
具體措施的落實
內(nèi)部的水化熱會引起升溫，為了預測基礎內(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，周圍環(huán)境溫度，拌和物的配合比（膠凝材料總量），混凝土構件的尺寸，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，對混凝土進行降溫。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。
基礎混凝土的初始溫度估計在16℃左右，其依據(jù)是：攪拌站測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，會增加生產(chǎn)成本。該混凝土初始溫度，加上預計的混凝土升溫，然后，對混凝土是否會超過極限溫度70℃進行預測。
ACI207.1R第5.3節(jié)可用來近似算出，無冷卻損失的混凝土最高升溫。對于該工程項目采用的強度為40MPa的混凝土，根據(jù)ACI207.2R的方程式，預估的混凝土絕熱升溫為60℃（即無任何散熱損失）。
根據(jù)《混凝土拌和物的設計和控制》的公式，可對采用350kg水泥，47kg粉煤灰，相當于23.5kg水泥進行計算（一般都以1/2粉煤灰的重量，當作產(chǎn)生水化熱的水泥重量），預估出混凝土的最高升溫約59℃（無冷卻措施）。
把較高的峰值溫度60℃，加上混凝土澆筑時的初始溫度16℃，近似得出混凝土的最高溫度77℃（無任何冷卻損失）。預計混凝土通過正常外露，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20℃。文件還指出，采用石灰石骨料的混凝土，其最大溫差應限制在31℃。用于本工程項目的混凝土，其溫差可能會超過這極限溫度，因此，應采用隔熱保溫毯來降低溫差，直至通過散熱，使其內(nèi)部溫度與周圍環(huán)境溫度相同為止。本項目選擇的混凝土內(nèi)外極限溫差是28℃。
本項目選擇采用雙層保溫毯，其總熱傳導約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。采用熱電偶測出混凝土內(nèi)部和外表面的溫差。估計需14天，才能使混凝土基礎的內(nèi)部溫度降至周圍環(huán)境溫度（28℃）。定期對熱電偶進行監(jiān)測，以便確認何時可把復蓋的保溫毯掀掉。
在嚴寒氣候條件下，基礎周圍地下的土壤，是降低散熱的良好保溫材料。但是，外露的混凝土，必須采用保溫毯進行保溫。
環(huán)境溫度在28℃內(nèi)
承包商采用熱電偶，定期監(jiān)測混凝土的溫度，并且在混凝土的內(nèi)部溫度達到周圍環(huán)境溫度28℃時，把保溫毯掀掉。我們有趣地觀察到，當基礎被局部埋在土層下時，諸如位于西南方向上的基礎，與東北方向上的承臺相比，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，而承臺寬2.7m。12月3日（澆筑后第10天）東北方向承臺的混凝土內(nèi)部溫度為27℃，基本與期望的平均環(huán)境溫度28℃持平，這時，保溫毯就掀掉了。在基礎模板拆除后，外露的基礎混凝土表面，沒看到任何裂縫。幾周后，仍無任何表面裂縫。
極限溫差
表面裂縫，不但會影響到混凝土結構的美觀，而且還會使其壽命受損。雖然，表面裂縫很小，但是，還是會令工程師、承包商和業(yè)主擔心不已。內(nèi)部裂縫和太高的混凝土溫度，同樣會產(chǎn)生問題，并更為令人擔心。因為，如果會產(chǎn)生延遲性鈣礬石反應，會對混凝土的整體性，帶來許多不可預見的影響。在混凝土結構設計中，由于，高強度混凝土的使用日益普遍，因此，設計人員必須了解，并采用PCA和ACI的推薦方法，以避免產(chǎn)生類似的裂縫和高溫問題。
熱電偶或其他測溫裝置，是一種用于確定溫差的方法。在嚴寒氣候條件下，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)護過程中，散熱時的內(nèi)外溫差，而且，表面保溫，對內(nèi)部最高溫度，幾乎沒有影響。依靠土壤散熱，有助于降低最高溫度，同時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編制的技術指南，可算出和核查混凝土的最高溫度,以防止混凝土過熱,產(chǎn)生內(nèi)部破壞。應采用相關規(guī)定,諸如根據(jù)項目規(guī)定的強度要求,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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