冷卻管在大體積混凝土中的應(yīng)用

1、冷卻管在大體積混凝土中的應(yīng)用譚明（中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司山東濟(jì)南）摘要：文章結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的描述，通過對(duì)大體積混凝 土內(nèi)部溫度計(jì)算，增設(shè)冷卻管降溫措施，總結(jié)出大體積混凝土冷卻管的設(shè)計(jì)與施工的 施工要點(diǎn)。關(guān)鍵詞：大體積混凝土溫度裂縫 冷卻管 施工要點(diǎn)1、概述混凝土是建筑結(jié)構(gòu)中廣泛使用的主要材料，在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要的地位， 隨著橋梁技術(shù)的突飛猛進(jìn)，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越多。我國(guó)普通混 凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物中實(shí)體最小尺寸不小于1m的部位所用的混 凝土即為大體積混凝土；美國(guó)則規(guī)定為：任何現(xiàn)澆混凝土，只要有可能產(chǎn)生溫度影響 的混凝土均

2、稱為大體積混凝土。大體積混凝土在澆筑后2-5天升溫速度較快，彈性模 量較低，基本處于塑性及彈塑性狀態(tài)，約束力很低。但是在降溫階段彈性模量迅速增 加，約束拉應(yīng)力也迅速增加，在某時(shí)刻超過混凝土抗拉強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。隨 著內(nèi)部混凝土降溫。溫度裂縫可能發(fā)展為貫穿裂縫，不僅影響到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度還影響其 耐久性，但是大體積混凝土的溫度裂縫還沒有得到完全的解決，本文通過對(duì)跨長(zhǎng)湖申 航道橋承臺(tái)混凝土的內(nèi)部溫度的計(jì)算和分析，增設(shè)冷卻水管方案驗(yàn)算，較好的控制了 大體積混凝土的溫度裂縫。2、工程概況長(zhǎng)興縣陸匯西路工程跨長(zhǎng)湖申航道橋，主橋?yàn)椋?6+60+36）變截面連續(xù)箱梁，引橋 為兩岸分別一聯(lián)（3X30）等截面連

3、續(xù)箱梁，橋梁全長(zhǎng)315.8米，基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁 和承臺(tái)，下部結(jié)構(gòu)為墩式和柱式結(jié)構(gòu)，其中橋臺(tái)承臺(tái)尺寸為20.50mX4.25mX 1.5m，主 橋墩承臺(tái)為19.00 m X6.30 m X2.50 m，引橋承臺(tái)為19.00 m X4.5 m X2.2 m，混凝土標(biāo) 號(hào)為C30，根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，本工程的承臺(tái)屬于大體積混凝土范圍。施工時(shí)間 在6月中旬，平均氣溫20C左右。3、混凝土主要技術(shù)指標(biāo)為了有效控制溫度裂縫減小混凝土的水化熱，根據(jù)當(dāng)?shù)氐脑牧系膶?shí)際情況，結(jié) 合經(jīng)濟(jì)合理的原則我們采用了以下的技術(shù)指標(biāo)。3.1采用普通水泥：水泥水化熱是大體積混凝土發(fā)生溫度變化而導(dǎo)致體積變化的主要根 源。雖然

4、普通水泥水化熱比中低水化熱熱水泥高些，但普通水泥混合材料摻量遠(yuǎn)小于 中低熱水泥，通過調(diào)整配合比可以大量降低普通水泥的單方用量，減小與中低水化熱 水泥水化溫升的差異。通過試驗(yàn)結(jié)果分析，研究決定選用海螺P.042.5普通硅酸鹽水泥。 3.2摻加粉煤灰。粉煤灰的水化熱小于水泥，7天約為水泥的1/3, 28天約為水泥的1/2。 摻入粉煤灰替代水泥的可有效降低水化熱。根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況決定采用長(zhǎng)興發(fā)電廠 II級(jí)粉煤灰。該粉煤灰需水量小，可降低混凝土的單位用水量，減小預(yù)拌混凝土自身 體積收縮，有利于混凝土抗裂。3.3摻加適當(dāng)?shù)耐饧觿?，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，盡量減少單位體積混凝土的水 泥用量。選用了綠

5、色建材LS-1型。3.4初始坍落度18cm左右，1h后不低于12cm (泵送施工)。3.5緩凝時(shí)間大于15h。3.6粗骨料最大粒徑25mm。表1混凝土配合比材料名稱規(guī)格產(chǎn)地每立方米用量(kg)水泥海螺 P.042.4342石子塘口碎石5251030砂子安吉.中砂715水飲用水196摻合料長(zhǎng)興發(fā)電廠II級(jí)71外摻劑綠色建材LS-0型6.24、混凝土溫度的計(jì)算4.1、混凝土的絕熱溫升(T )： TWQn 、T =(1 e-mT)Tcp式中：T -在T齡期混凝土的絕熱溫升(C)； TW 每m3混凝土的水泥用量(kg/m3)，取W=342 kg/m3；Q 每 kg 水泥水化熱(K J/kg),取 Q=

6、377K J/kg；c 一混凝土比熱993.7 J/(kgK)P 混凝土容重 2360.2 kg/m3T 一混凝土齡期(天)m 一常數(shù)，與水泥品種、澆筑時(shí)溫度有關(guān)，根據(jù)規(guī)范取0.364。表二混凝土絕熱溫升計(jì)算表t (d)3691215182124T (C)36.548.852.954.354.754.954.955.0混凝土最高絕熱溫升：J =55 (C)4.2、混凝土澆筑溫度：T = T + (T - T )(A + A + A +A )j c q c 123n式中：二為混凝土的澆筑溫度(C)；T 一混凝土拌合溫度(它與各種材料比熱及初溫度有關(guān))，經(jīng)多次試驗(yàn)，混凝土的出盤溫度為23 C；Tq

7、 混凝土澆筑時(shí)的室外溫度(6月中旬，室外平均溫度以20C計(jì))；A + A + A +. A 一溫度損失系數(shù)；123nA1 一混凝土裝卸，1=0.032x2=0.064(裝車、出料二次數(shù))；A2一混凝土運(yùn)輸時(shí)，A2= 9 t =0.042x30=0.126 (6 m3滾動(dòng)式攪拌車其溫升9 =0.0042，混凝土泵送不計(jì)，t為運(yùn)輸時(shí)間(以分鐘計(jì)算)，從商品混凝土公司到工地約30分鐘。)A3 澆筑過程中A, =0.03t=0.003x60=0.18(t為澆搗時(shí)間)；T =23+(20-23)x(0.064+0.126+0.18) =21.8 C4.3、混凝土實(shí)際中心溫度：T()= T + T x&式

8、中：& 一不同澆筑混凝土塊厚度的溫降系數(shù)。表3厚度為2.5 m的混凝土不同齡期的&值厚度h(m)不同齡期時(shí)的E值36912151821242.50.650.620.590.480.380.290.230.19表4不同齡期的混凝土中心溫度t (d)3691215182124T (C)l (T)45.552.053.047.942.637.734.432.2計(jì)算得知混凝土在澆筑后的第9天左右其內(nèi)部的絕熱溫度最高。4.4、混凝土各齡期收縮變形值計(jì)算8=8 0(1 e -0.01T )xM1 xM2 X . X M10式中：80為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最終收縮變形值80=3.24x10-4； M1為水泥品種修正

9、系數(shù)；M2 為水泥細(xì)度修正系數(shù)；M3為骨料修正系數(shù)；M4為水灰比修正系數(shù)；M5為水泥漿量修 正系數(shù)；M6為齡期修正系數(shù)；M7為環(huán)境溫度修正系數(shù)；M8為水力半徑的倒數(shù)(cm-1), 為構(gòu)件截面周長(zhǎng)(L)與截面面積(A)之比:r=L/A； M9為操作方法有關(guān)的修正系數(shù)；M為 與配筋率Ea、Aa、Eb、Ab有關(guān)的修正系數(shù)，其中Ea、Eb分別為鋼筋和混凝土的彈性模 *(MPa)，Aa、Ab分別為鋼筋和混凝土的截面積(mm2)。查混凝土收縮變形不同條件影響修正系數(shù)表得：M 1=1.0，M2=1. 0，M廣1. 0，M4=1.36,M =1.20，M =1.09 (3d)，M =1.02 (5d)，M =

10、0.96 (9d)，M =0.94 (12d)，M =0.93566666(15d)，M6=0.93 (18d)，M6=0.93 (21d)，M6=0.93 (24d)，M7=0.88，M8=1.22， M9=1.0，M 10=0.88；表5：各齡期收縮變形值計(jì)算表齡期(d)36912151821248(X10-)y (T)1.612.974.135.316.477.658.809.914.5、承臺(tái)混凝土各齡期收縮變形換算成當(dāng)量溫差T = 、,(T)y G)=以y (T)8 一不同齡期混凝土收縮相對(duì)變形值;a 一混凝土線膨脹系數(shù)取1X10-5/G 表六混凝土各齡期收縮當(dāng)量溫差齡期(d)3691

11、215182124Ty (T)-1.61-2.97-4.13-5.31-6.47-7.7-8.8-9.94.6承臺(tái)混凝土各齡期內(nèi)外溫差計(jì)算AT = T + - T + T - T j 3 Ty 莒) q假設(shè)入模溫度：Tj =21.8, Tq 一混凝土澆筑后達(dá)到的穩(wěn)定溫度，取T廣23C。表七 混凝土各齡期綜合內(nèi)外溫度差計(jì)算表齡期(d )3691215182124AT21.5428.3630.0125.3920.7316.2912.9610.38由表七可知，承臺(tái)混凝土在澆筑后的第9天其內(nèi)外溫差最大為30.01 C，大于我國(guó)混 凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范(GB50204-92 )中關(guān)于大體積混凝土溫

12、度內(nèi)外溫差為 25C的規(guī)定，必須采用相應(yīng)的措施。防止溫差大產(chǎn)生裂縫，埋設(shè)冷卻水管是一個(gè)很有 效的溫控方法。5、冷卻管的布置及混凝土的降溫驗(yàn)算5.1、冷卻管的計(jì)算條件本文以主橋墩承臺(tái)(19.00 mX6.30 mX2.50 m)為計(jì)算對(duì)象，在施工過程中采用了一次 澆注，并冷卻管的直徑為d=3cm，縱向間距1.5米，豎向間距為1.2米，上下兩層布置， 初期水溫為 10C，cs=4.2 kj/(kg.C)，Ts=10C， p s=1.0 x 103 Kg/m3，qs=1.25m3/h，冷 卻管總長(zhǎng)度為L(zhǎng)=75m，混凝土的比熱C=0.916kj/(kg. C )，混凝土導(dǎo)熱系數(shù) 人=3.15W/m -

13、 K，容重 p =2360.2 Kg/m3，導(dǎo)溫系數(shù) a =0.115m2/d。T，+ T ；1 - C X b5.2冷卻管的計(jì)算計(jì)算公式：T =氣X + (T-Tb)(l-X)Ca2 + m 1 - CX1 - CX式中：七一混凝土內(nèi)部平均溫度(C)；Tj 混凝土的初始溫度(C)；Ts 冷卻水管初期通水的水溫(C)；X 一冷卻水管散熱殘留比；Tb一混凝土的表面溫度(C), Tb=函,AT為混凝土表面溫度高于氣溫的差值，表 面不蓋草袋時(shí)AT =35C，表面蓋草袋時(shí)AT R10C，在本工程中承臺(tái)表面采用麻袋或 毛氈覆蓋，T=10C；T,一通過表面散熱后的水化熱溫升(C);Cfli 一底部不絕緣，

14、上層新混凝土接受下層混凝土傳熱并向表面散熱的殘留比；C.2 底部不絕緣，上層新混凝土向下層混凝土及表面散熱的殘留比；D 一水管冷卻范圍D = 1.21JS xS =1.21 = J1.5x 1.2 = 1.62 (S1水管的水平間距，S2 水管的垂直間距)。通過表面和冷卻水管同時(shí)散熱后的水化熱溫升，用下表八計(jì)算表8大體積混凝土內(nèi)增設(shè)冷卻管后的水化熱溫升計(jì)算表T1234567TrET (C)11.218.823.727.029.030.230.9T (C)11.27.55.03.22.01.20.7X0.50.970.870.780.740.660.590.55J0.840.710.620.58

15、0.520.480.45(C2X)0.5d0.810.620.480.430.340.280.251d9.169.22d6.946.1313.13d5.434.654.0614.14d4.823.643.082.6414.25d3.863.232.412.001.6613.26d3.182.582.141.571.261.0011.77d2.783.181.711.390.990.760.5411.3從表八計(jì)算可知增設(shè)冷卻管后最高水化熱溫升發(fā)生在第4天，混凝土的最高溫度也同樣發(fā)生在第4天，則t=4d時(shí)的殘留比如下：Ca1=0.15，Ca2=0.55，X=0.69.(21.8 - 30) x 0

16、.55 x 0.69 (10 - 30) x (1 - 0.69) x 0.5514.2T + 30 45.2 Cm max 1 - 0.15 x 0.691 - 0.15 x 0.691 - 0.15 x 0.69其溫差為45.2-30=15.2CV25C滿足規(guī)范要求。6、冷卻管設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)6.1、冷卻管采用壁厚2mm,直徑630mm的薄壁鋼管，其接口采用90度彎管鋼管 接口，按口安裝時(shí)應(yīng)設(shè)置防水膠帶，確保接頭不漏水。6.2、冷卻水管網(wǎng)按照冷卻水由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置，進(jìn)水管 口設(shè)在靠近混凝土中心處，出水口設(shè)在混凝土邊緣區(qū)，每層水管網(wǎng)的進(jìn)、出水口進(jìn)行 相互錯(cuò)開。6.3、承臺(tái)

17、厚為2.5m，布管時(shí)沿承臺(tái)豎向布置水管兩層，水管網(wǎng)沿豎向設(shè)置在承臺(tái) 中央，水管間距為1.2m，最外層水管距離混凝土邊0.65m，進(jìn)、出口引出承臺(tái)混凝土 面1m以上，出水口設(shè)置有調(diào)節(jié)流量的水閥和測(cè)流量設(shè)備，冷卻水管接頭采用軟管接頭。6.4、布管時(shí)，水管要與承臺(tái)主筋錯(cuò)開，當(dāng)局部管段錯(cuò)開有困難時(shí)，適當(dāng)移動(dòng)水管 的位置。6.5、水管網(wǎng)設(shè)置架立鋼筋，并將水管于架立鋼筋綁扎牢靠，防止混凝土澆筑過程 中，水管變形或接頭脫落而發(fā)生堵水或漏水。6.6、水管網(wǎng)安裝完成后，將進(jìn)、出水管口與進(jìn)出水總管、水泵接通，進(jìn)行通水試 驗(yàn)，以確保水管暢通且不漏水。6.7、對(duì)于溫控要求較嚴(yán)的大體積混凝土工程，可以在混凝土中心部位安裝測(cè)溫實(shí) 施測(cè)出混凝土的內(nèi)部溫度，通過水的流速和初期溫度來控制混凝土的內(nèi)部溫度。七、結(jié)束語大體積混凝土在施工過程中，由于采取了充足的技術(shù)準(zhǔn)備與合理的施工方法，從 跨長(zhǎng)湖申航道橋承臺(tái)拆模后的情況來看，混凝土表面未發(fā)生任何裂紋，外觀質(zhì)量良好 并已經(jīng)通過監(jiān)理、質(zhì)檢站等部門的驗(yàn)收，可見通過熱工計(jì)算完全可以對(duì)生產(chǎn)進(jìn)行指導(dǎo)