大体积混凝土循环水降温系统应用技术

大体积混凝土循环水降温系统应用技术

谢仁良

谢仁良

（中铁二局第一工程有限公司）

【摘要】结合工程实例，因大体积混凝土结构具有设计强度等级较高、体积量大、水化热引起的混凝土内部温度较高、施工工艺和施工方法随意性大、施工作业人员技术知识相对匮乏、容易产生有害裂缝等特点。在大体积混凝土结构中预埋循环水管，通过管内流动的低温水带走水化热和混凝土里表温度进行监控，实时调整内循环水水量，缩小混凝土里表温差，预防和控制混凝土因温度应力和变形而产生的有害裂缝。

【关键词】大体积混凝土；筏板基础；冷却循环水降温系统；温度监控；裂缝控制

1．大体积混凝土工程概况

该工程上部由8个单体建筑构成，下部整体地下室，单体框架剪力墙结构落地，无转换结构，设计基础形式主要为：C1、C2、C5栋为柱下独基和墙下条基，C3、C4栋筏板基础，C6～C7、C8～C9、C10～C12栋为人工挖孔桩基础，其中筏板基础长32.2m，宽28.9m，板厚1.7m，电梯筒体周边混凝土厚度约5m，混凝土强度等级C35，混凝土量约1900m3，设计要求原槽一次性浇注。

根据《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）相关规定，该工程C3、C4筏板基础结构为大体积混凝土结构，混凝土有害裂缝预防和控制是本基础工程施工重点，经过众多方案的优化和比选，决定采用冷却循环水降温系统。

2．冷却循环水降温系统的构成

2.1工作原理：混凝土浇筑完成后，在保温保湿养护过程中，对混凝土里表温度进行监测，通过预埋冷却循环水管将混凝土凝结硬化过程中产生的部分热量带走，从而达到减小混凝土结构里表温差的目的。

2.2主要材料设备：φ100镀锌钢管(主管)、φ50镀锌钢管（预埋管）、直接、900弯头、控制阀、流量计、增压泵、20m3的循环水池、电子测温仪、温度计、预埋式温测线、外露温测探头。

2.3冷却循环水降温系统设置情况：在筏基混凝土结构中预埋循环水管，水平间距1m，竖向间距0.85m，在主管进口和出口处设置控制阀、流量计和增压泵。冷却循环水降温系统如下图所示：

3．大体积混凝土施工质量控制

3.1原材料质量控制

选用合格的开阳紫江牌P.O42.5级低热水泥、粗细骨料、高效缓凝型减水剂和泵送剂等外加剂、拌合用水和养护用水、粉煤灰、磷矿粉和钢渣粉等掺合料。

3.2优化配合比

3.2.1设计原则

保证设计强度和施工条件的前提下，优先采用“低热水泥、低水泥用量和低拌合水量”的方法，适量掺入粉煤灰、磷矿粉和钢渣粉等掺和料，延迟混凝土水化热，增加后期强度。

3.2.2配合比设计

经多次反复试验，确定施工配合比，本工程大体积混凝土筏板基础拟用配合如下：

混凝土施工配合比

3.3混凝土浇筑

3.3.1施工工序

采用“分段定点下料，一个坡度，薄层浇筑，循序渐进，一次到顶”的浇筑方案。分层厚度原则上按500mm、400mm、400mm、400mm分四层，视混凝土供应速度适当调整；根据混凝土流淌长度，布置三道振动棒，第一道至混凝土坡顶，第二道在混凝土斜坡坡中，第三道在混凝土坡脚。三道相互配合，保证覆盖整个坡面，确保不漏振。

3.3.2混凝土浇捣时间的控制

选用有经验的捣固手，振捣棒快插慢拔，振捣棒插入点采用梅花点布置，捣固间距400mm，用二次捣固的方法，将振捣棒插入下层50～100mm，增加混凝土的密实性和均匀性，提高混凝土界面处的粘结力和咬合力，振捣时间以表面出水泥胶浆为宜，不振捣过度，避免粗骨料下沉分层而影响混凝土质量。分层浇筑要控制好层间间歇时间，应在前层混凝土初凝之前完成次层混凝土浇捣。

3.3.3混凝土表面处理

防止混凝土表面凝缩裂缝，混凝土浇筑时适当掺入钢丝纤维，在浇注时，每次振捣前将扎丝洒在混凝土表面，再进行振捣，增加混凝土表面整体性，防止混凝土裂缝开展。混凝土抹面时间控制，在初凝前完成第一次抹面，在终凝前完成第二次抹面。表面出现裂缝时，用木抹子拍打使裂缝愈合。

4．混凝土养护和温控措施

4.1混凝土的最大热绝热温升计算

Tmax′=WQ/Cρ

W－-每立方米混凝土中水泥用量，取294（kg/m?）；

Q--水泥水化热总量，经试验显示，开阳紫江牌P.O42.5级水泥，3d为314（KJ/kg），7d为354（KJ/kg），28d为375（KJ/kg）；

C--混凝土比热,取0.96[KJ/(kg.℃)]；

ρ--混凝土容重,经试验显示，取2450（kg/m?）；

根据试验，混凝土凝结硬化绝热升温主要在3～7天内；

则：Tmax′=294×354/（0.96×2450）=44.25℃。

混凝土入模平均温度（To）为21℃时，则混凝土内部最高温度为：

Tmax=To+Tmax′=21+44.25=65.25℃

4.2最大温差计算

ΔT=Tmax(t)-Tb(t)

Tb(t)--混凝土龄期t时的表面温度，夏季进行筏板基础施工，贵阳夏季平均气温约20℃，通过薄膜麻袋保温保湿养护，混凝土表面温度可控制在20℃。

ΔT=Tmax(t)-Tb(t)=65.25-20=45.25℃

4.3混凝土养护和温度监测

混凝土浇筑完成后，采用薄膜麻袋保温保湿养护14d，当循环水降温速度短时间达不到使混凝土表里温差低于25℃时，可在混凝土表面浇洒热水养护，使其内外温差控制在合理范围。

温度监测点布置按温度传感线、测温仪的使用说明进行预埋和监测。高水化热期每2h监测一次，其余时段每3～4h监测一次，确保混凝土表里温差超过容许范围时，能及时采取降温措施。

5．冷却循环水管设计验算

根据本工程预埋循环水管道设置和100SG50-30管道泵参数可知，主管管径100mm，泵流量50（m?/h），泵扬程30m，32m长的50支管20根，80m长的50支管12根。由此可计算在加压管道泵作用下，主管排完预埋在混凝土中的循环水管容量水所需时间：T=（3.14×0.05×0.05/4）×(20×32+12×80)/50=226s。

5.1循环水管容量计算

筏板基础厚度1.7m，根据设计方案，普通区域设置单层循环水管，电梯筒体周边局部设置5层循环水管。以单层循环水管为例，可进行如下计算：

单根水管水容量：

Q=(πd2/4)×L=3.14×0.052/4×32=0.0628(m?)

单根水管水重量：

M1=ρQ=1.0×103×0.0628=62.8(kg)

其中：ρ—水的密度1.0×103kg/m?

5.2冷却水管带走热量Q吸:

Q吸=C1M1Δt1

其中：C1--水的比热容4.2×103J/kg.℃

M1—水的质量（kg）

Δt1—水温变化值，夏季贵阳进水温度约15℃，取混凝土表里温差极限为25℃。

Q吸=C1M1Δt1

=4.2×103×62.8×（65.25-15）=13.25×106J

5.3可冷却范围内混凝土质量M2:

φ50镀锌钢管冷却范围为周边500mm,此区域冷却混凝土体积为：

V=32×3.14×0.52=25.12M3

M2=ρv

=2450×25.12=6.15×104kg

5.4降温效果验算

根据热量平衡：Q吸=Q放=C2M2Δt2

Δt2=Q吸/C2M2

=13.25×106/(0.96×103×6.15×104)=0.224℃

经验算得：在加压管道泵作用下，循环水每小时降温T=0.224×3600/226=3.57℃。

据此循环降温，混凝土内温度可在（65.25-25）/3.57=11.3h内可控制在25℃度以内。

循环水池设置，在自然散热下，6h内能恢复常温，水池大小为：6×（3.14×0.05×0.05/4）×(20×32+12×80)=18.84m3。

6．结束语

通过上述计算可知，混凝土从浇筑完成后达上人强度后并开始进行温度监测，通过水循环逐步带走混凝土内部水化热，降低混凝土内部温度，使混凝土表里温差基本保持一致，有效的抑制有害温度裂缝，保证混凝土的安全、适用、耐久性，降低处理有害裂缝的施工成本。因此，在大体积混凝土施工中采用冷却循环水降温效果是明显的，可广泛应。

参考文献：

[1]《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2009）

[2]《普通混凝土配合比设计规范》（JGJ55-2011）

[3]贵阳市南明区中坝路保障性住房建设工程C标段大体积混凝土施工方案