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大體積混凝土最小化溫差控制技術
RSS 打印 復制鏈接 發布時間:2019-03-01 16:15:04

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)及其產生的溫升,都會導致熱膨脹和收縮問題。如不對其進行監測,混凝土中的溫差膨脹,會使其內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,正在對其管轄區內的燒煤發電廠,安裝優先催化還原設備,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。基礎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范的拌合物是:石灰石骨料,350kg符合ASTM C150規范 的波特蘭Ⅱ型水泥,以及47kg(符合ASTM C618規范)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生的熱量,及其伴隨的體積變化會導致最細微的開裂。”ACI207 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部損傷。

測量設備及監測方法

  當混凝土的外表面溫度持續下降時(由于散熱),會隨著大體積混凝土內部持續升溫(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模的大小,都會使混凝土內部的溫度,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:采用現有標準規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天保溫養護。他們決定在混凝土內放置熱電偶,用來確定何時混凝土內部溫度,已下降到足以掀去保溫毯。這是一種簡單的監測溫度的方案,可提供混凝土中最高的內部溫度數據資料。
把熱電偶放置在東北和西南方向上的承臺內部(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。
若出現特殊降溫不切實際的場合,以及出現必須使用高強拌合物的場合,為了控制開裂,波特蘭水泥協會的“混凝土拌合物的設計和控制”規范認為的良好技術是:1)連續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)通過防止混凝土內部和外層過高的溫差,控制內部溫度變化。本項目的基礎,就采用連續一次性澆筑。并且不受到鄰近混凝土構件的約束。

具體措施的落實

  內部的水化熱會引起升溫,為了預測基礎內部的峰值升溫,我們采用了兩種原始文件資料作為參考依據,即波特蘭水泥協會文件和ACI207.2R規范。引起峰值升溫的因素包括:混凝土的初始溫度,周圍環境溫度,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,其依據是:攪拌站測得的骨料和其他材料的溫度。混凝土生產商表示,用特殊的方法把混凝土冷卻到16℃以下,會增加生產成本。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《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,使其內部溫度與周圍環境溫度相同為止。本項目選擇的混凝土內外極限溫差是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。混凝土是在2002/11/22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部和外表面的溫差。估計需14天,才能使混凝土基礎的內部溫度降至周圍環境溫度(28℃)。定期對熱電偶進行監測,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。

環境溫度在28℃內

  承包商采用熱電偶,定期監測混凝土的溫度,并且在混凝土的內部溫度達到周圍環境溫度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部溫度為27℃,基本與期望的平均環境溫度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、承包商和業主擔心不已。內部裂縫和太高的混凝土溫度,同樣會產生問題,并更為令人擔心。因為,如果會產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護過程中,散熱時的內外溫差,而且,表面保溫,對內部最高溫度,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,保持在內部溫度可接受的范圍內。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,產生內部破壞。應采用相關規定,諸如根據項目規定的強度要求,修正拌和物的膠凝材料用量,降低初始澆筑溫度,或提供內部降溫手段,避免混凝土出現高溫。

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