大体积混凝土施工温控技术

大体积混凝土施工温控技术

苏义明

南水北调中线干线工程建设管理局天津分局 天津市 300393

摘要：主要总结了河北省南水北调配套保沧干渠工程保定段调压井筒壁混凝土浇筑施工过程中，混凝土拌制、运输、浇筑、养护、内部降温、外部保温、温度检测等措施，通过上述措施，防止或减少混凝土裂缝，取得了良好效果。

关键词：大体积混凝土；浇筑；裂缝；温度控制；通水冷却

引言：调压井筒壁为圆环形桶状，这种圆弧形壳状混凝土结构极易发生裂缝，且其壁厚已超过1m，属于大体积混凝土施工，因此，因此防止和减少混凝土裂缝的产生就成了施工质量控制的主要目标，我们采取的主要措施就是混凝土内部通水冷却和混凝土外部保温，通过降低混凝土内外温差，防止和减少混凝土裂缝的产生，取得了良好效果。

1、工程概况

河北省南水北调配套工程保沧干渠工程调压井主要由承台及筒壁构成。承台尺寸为直径30m，高度1.8m的圆台；井体为圆环型的钢筋混凝土的筒体结构，筒体内径11m，筒壁厚为1.2m~1.0m，总高度22.62m，其中地上17.72m,地下4.9m。

调压井承台混凝土方量为1272m³，筒壁混凝土方量为1041m³，筒壁厚度在1m以上，属大体积混凝土施工。混凝土强度等级C35、抗冻融等级F150、抗渗等级W8。

2、措施计划

由于本工程筒体壁厚大于1m，属于大体积混凝土施工，而井体又为圆环型的钢筋混凝土的筒体结构，因此防止和减少混凝土裂缝的产生就成了施工质量控制的主要目标。

2.1、对于大体积混凝土施工中的裂缝防治，一般从以下几个方面采取相应措施：

2.1.1合理确定混凝土配合比，降低混凝土水化热的产生。

2.1.2预冷混凝土骨料和用水，在运输过程中采取保温措施，降低混凝土浇筑温度。

2.1.3合理安排混凝土浇筑时间。

2.1.4合理安排混凝土浇筑分期。

2.1.5混凝土浇筑后加强内部散热和外部保温，尽量降低混凝土内外温差。

2.2、在实际施工中，主要采取了以下措施：

2.2.1对于混凝土的配合比，委托河北省权威检测部门出具，并明确提出混凝土水化热的最高值的要求，由于混凝土还有很高的抗渗、抗冻要求，经过综合考虑各方面需要和多次试配检验，通过掺加适量粉煤灰替代部分水泥并添加相应外加剂，得到了比较满意的混凝土配合比。

2.2.2、由于本工程采用商品混凝土，所以在混凝土拌合、运输过程中温控措施由拌合站实施，我们只提出混凝土入仓温度的要求，入仓温度规定为不得超过25℃。

2.2.3由于工期紧张，本工程无法调整施工计划，调压井混凝土浇筑安排在2015年6、7月份施工，因此，混凝土的浇筑季节无法选择，正好处于高温季节施工，主要选择在每天的晚上进行浇筑。

2.2.4本工程混凝土厚度较小，混凝土水化热累积效应不明显，因此，混凝土浇筑分期只考虑施工工艺，调压井承台混凝土一次浇筑，圆型筒壁混凝土浇筑施工难度较大，采用分层浇筑循环上升的方法。池壁分5步浇筑完成，前4步每次浇筑高度为5.1m，第5步浇筑2.22m与顶板横梁一次浇筑完成。

2.2.5本工程控制混凝土裂缝的关键措施就是在混凝土浇筑后进行内部冷却，以降低混凝土内外温差，关键部位就是调压井筒体，为此，我们对调压井筒体进行内散外蓄措施，具体如下：

2.2.5.1在调压井筒壁横截面的中心布置冷却水管，冷却水管呈螺旋上升状态，竖向间距1米，水管采用φ50mm钢丝增强塑料管，导热性与强度等各项指标均符合要求。

2.2.5.2在筒壁附近设置储水池，体积10立方米，采用抽换新水和加冰的措施，使水温保持在18℃左右。

2.2.5.3在储水池和冷却水管之间安装循环水泵，使冷水进入混凝土降低水化热导致的混凝土温度升高，为了均匀降温，冷却水管内的水流方向每12小时变换一次，流速保持在1米/秒左右。

2.2.5.4在混凝土表面采用模板和泡沫保温板进行保温蓄热，适当提高混凝土表面温度，以降低混凝土内外温差。

3、理论计算

3.1、混凝土内部最大温升

混凝土最终绝热温升计算公式如下：

（1）

式中：T_t——混凝土在t龄期时绝热温度；

Q₀——每千克水泥水化热J/kg；P.o42.5普通硅酸盐水泥为377(KJ/kg)。

W——每立方米混凝土中水泥实际用量kg/m³；

C——混凝土的比热，取0.973(KJ/(kg.℃)；

——混凝土的容重2350kg/m³；

t——水泥水化热升温龄期；

m——热影响系数,其中普硅m=0.346。

计算绝热温升：则

=55.14（℃）

3.2、混凝土的表面温度

（1）保温材料厚度(彩条布内夹保温材料EPE聚乙烯)

δ=0.5hλx (T₂-T_q)kb/λ(Tmax-T₂) (2)

其中：

h=1.2 λx=0.04 (T₂- T_q)=20

kb=1.3 λ=2.33 (Tmax- T₂) =13

δ=0.5hλx (T₂- T_q)kb/λ(Tmax- T₂)

=0.5×1.2×0.04 ×20 ×1.3/(2.33×13) ≈0.013（m）

（2）混凝土表面模板及保温层的传热系数

βq=23

β=1/[Σδi/λi+1/βq] (3)

=1/[0.02/0.04+0.004/0.17+1/23]=1.763

（3）混凝土虚厚度

h'=kλ/β=2/3×2.33/1.763=0.88（m）

（4）混凝土计算厚度

H= 1.2+ 2h'=1.2+2×0.88=2.96（m）

（5）混凝土表层温度

T₂（t）= T_q +4 h'(H- h')[ T₁（t）- T_q]/H₂ (4)

混凝土温度计算表

其中：Tq=25.3 H=2.96m h'=0.88m

3.3、通水冷却计算:

混凝土浇筑时同时进行通水冷却，混凝土内部平均温度计算式如下：

T_(t)=Tw+( T₀-Tw)Φ_(t)+ θ₀Ψ_(t) （5）

式中: T_(t) ——混凝土的平均温度

Tw——进口水温

T₀——混凝土的入仓温度

θ₀——混凝土最大绝热温升℃, θ₀=mcq/cρ=330*377/(0.96*2350)=55.14（℃）

Φ_(t)=exp(-pts) 　　（6）

P= k1(α/D₂)s （7）

D=2b=2*√(1.07s1s2/π)=2*√(1.07*1.0*1.5/3.14)=1.43

α——混凝土导温系数, α=0.0833㎡/d

к=λ1/(cln(c/r₀))=1.66/(0.016ln(1.6/1.4))=777,

λ/(кb)=8.37/(777*1.43)=0.015,b/c=1.43/0.016=44.68,查下表,得到α₁b=0.74

非金属水管冷却问题特征根α₁b

采用聚氯乙烯管时的等效等温系数为：

α′=1.947*(α₁b)2α=1.947*0.742*0.0833=0.089㎡/d

ξ=λL/CwρwQw=8.37*660/(4.19*1000*1.2)=1.098

k₁=2.072-1.174ξ+0.256ξ₂=1.085

s=0.971+0.1485ξ-0.0445ξ₂=1.08

m=k₁(α′/D₂)s=1.085(0.089/3.02)1.08=0.3446

Φ_(t)=exp(-p ts)= exp(-0.0367t*1.08)

Ψ_(t)=m/(m-p)(e^-pt-e^-mt) （9）

k=2.09-1.35ξ+0.32ξ₂=0.999

p=kα′/ D₃=0.999*.089/3.87=0.0435

Ψ_(t)=m/(m-p)(e^-pt-e^-mt)

=0.3446/(0.3446-0.0435)(exp(-0.0435t)-exp(-0.3446t))

=1.144(exp(-0.0435t)-exp(-0.3446t))

把上述Φ_(t)、Ψ_(t)，Tw=18、T₀=25.3、θ₀=55.14代入式（5）得

T_(t)=Tw（T₀-Tw)Φ_(t)+ θ₀Ψ_(t)

=18+(25.3-18)* exp(-0.3446t*1.08)+55.14*1.144(exp(-0.0435t)-exp(-0.3446t))

当t=3d时，

T₍₃₎=55.94℃

依次计算可得各龄期的混凝土内部温度。

3.4通水冷却起始时间

根据水工混凝土施工规范，冷却水温与混凝土内部温度之差不得超过15℃，冷却水温为18℃，则混凝土内部温度在开始通水冷却时不得超过33℃，根据公式（1）计算，

T_(0.4)=7.1℃，混凝土内部温度为32.1℃，所以，通水冷却最迟应在混凝土浇筑完毕后10小时以内开始。

4、实施效果与经验

根据理论计算和相关规范，我们严格按施工组织设计布设混凝土内部冷却水管，按时进行通水冷却，并对混凝土温度进行严密检测，经过汇总检测温度，说明本工程的混凝土温度控制达到了预期目的和规范要求，按规范进行调压井满水试验，结果满足设计和规范要求。

4.1、由于冷却水管的固定问题和混凝土浇筑的干扰问题，通水冷却需待混凝土浇筑完毕再进行，对于混凝土浇筑时间较长的工程，待混凝土浇筑完毕后再通水冷却可能混凝土内部温度已经很高，导致冷却水温与混凝土内部温度之差会超过规范要求。建议加强冷却水管的固定，必要时提前通水冷却。

4.2、如果采取抽取地下新水降低冷却水温度的方式，应事先考虑旧水的去处，比如用于混凝土的养护等，并进行水平衡计算，弃水如无适当去处，宜采取加冰降温重复使用的方式。

参考文献：

[1]《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2001）；

[2]《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）；

[3]《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）；

[4]《混凝土用水标准》（JGJ63-2006）；

[5]《轻骨料混凝土技术规程》（JGJ51-2002）；

[6]《粉煤灰混凝土应用技术规程》（GBJ146-1990）；

[7]《混凝土泵送施工技术规程》（JGJ/T10-1995）；

[8]《混凝土及预制混凝土构件质量控制规程》（CECS40:92）

[9]《水电水利工程模板施工规范》（DL/T5110-2000）；

[10]《水工混凝土试验规程》（SL352-2006）；

[11]工程建设标准强制性条文（水利工程部分）

[12]《给水排水构筑物工程施工及验收规范》（GB50141-2008）

[13] 《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2002）

[14]南水北调配套工程保沧干渠工程施工技术要求 河北省水利水电第二勘测设计研究院

（2013年6月）

[15] 南水北调配套工程保沧干渠工程调压井施工图（2013年12月）

[16] 南水北调配套工程保沧干渠工程调压井施工过程资料（2014年7月）

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