二級(jí)結(jié)構(gòu)專業(yè)輔導(dǎo)：大體積混凝土最小化溫差控制技術(shù)

二級(jí)結(jié)構(gòu)專業(yè)輔導(dǎo)：大體積混凝土最小化溫差控制技術(shù)大體積混凝土根底

美國(guó)田納西流域治理局，正在對(duì)其管轄區(qū)內(nèi)的燒煤發(fā)電廠，安裝優(yōu)先催化復(fù)原設(shè)備，其中有一個(gè)構(gòu)造裝置首位于阿拉巴馬州東北部。新設(shè)備要求大體積混凝土根底承受其巨大的重力和瞬間荷載。根底由四個(gè)巨大的承臺(tái)和相連的地梁組成。承臺(tái)面積2.7m2，厚2.4m，地梁寬1.2m，深1.2m，根底混凝土的28天強(qiáng)度為C40（40MPa）。標(biāo)準(zhǔn)的能滿意工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的拌合物是：石灰石骨料，350kg符合ASTMC150標(biāo)準(zhǔn)的波特蘭Ⅱ型水泥，以及47kg（符合ASTMC618標(biāo)準(zhǔn)）的F級(jí)粉煤灰。

ACI207.1R對(duì)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(cè)定其水泥水化產(chǎn)生的熱量，及其伴隨的體積變化會(huì)導(dǎo)致最微小的開(kāi)裂?！盇CI207接著指出，巨大的拉應(yīng)力和應(yīng)變，可能會(huì)隨著大體積混凝土中，溫度升降引起的體積變化，而進(jìn)一步進(jìn)展。

本工程的根底，鋼筋密布，四周均設(shè)約束鋼筋。但是，這些鋼筋不能保證混凝土不開(kāi)裂，更不能防止混凝土產(chǎn)生熱量。這些采納高強(qiáng)混凝土的根底，假如暴露在嚴(yán)寒氣候中進(jìn)展養(yǎng)護(hù)，必定會(huì)由于根底中心和外露外表之間的巨大溫差，而問(wèn)題多多。但是，假如混凝土的溫差得以掌握，大體積混凝土根底的散熱勻稱，避開(kāi)消失根底中的溫差，這些問(wèn)題都是可以避開(kāi)的。被選擇用于本工程的方法，就是盡量削減溫差和降低混凝土升溫，從而防止混凝土的開(kāi)裂及其潛在的內(nèi)部損傷。

測(cè)量設(shè)備及監(jiān)測(cè)方法

當(dāng)混凝土的外外表溫度持續(xù)下降時(shí)（由于散熱），會(huì)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，由于拌合物的協(xié)作比設(shè)計(jì)，水泥用量以及澆筑規(guī)模的大小，都會(huì)使混凝土內(nèi)部的溫度，輕易地超過(guò)安全極限溫度70℃。該極限溫度的設(shè)定，正是來(lái)自當(dāng)前混凝土行業(yè)施工實(shí)踐所關(guān)注的，與延遲鈣礬石反響有關(guān)的，混凝土長(zhǎng)期耐久性問(wèn)題。外界（四周氣溫）溫度與混凝土內(nèi)部溫度有巨大的差異（這種狀況在實(shí)際施工中相當(dāng)嚴(yán)峻），假如外界溫度進(jìn)一步降低，外側(cè)的混凝土就會(huì)阻擋不斷升溫的內(nèi)部混凝土的熱膨脹，其結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致混凝土毀損。

本工程的根底是在11月份澆筑的，當(dāng)時(shí)的室外平均溫度在4-10℃之間。特殊是兩個(gè)位于北面的承臺(tái)，有三面外露在空氣環(huán)境中，并在澆筑時(shí)，會(huì)患病寒流。而兩個(gè)位于南面的承臺(tái)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，患病極端溫差的可能性較小。

最初，避開(kāi)溫差膨脹和收縮問(wèn)題的打算是：采納現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的保溫毯給混凝土保溫，盡量削減溫差。把根底混凝土水化過(guò)程中產(chǎn)生的熱散去，估計(jì)需14天。由于鋼構(gòu)造吊裝進(jìn)度很緊，因此，承包商很重視對(duì)根底進(jìn)展14天保溫養(yǎng)護(hù)。他們打算在混凝土內(nèi)放置熱電偶，用來(lái)確定何時(shí)混凝土內(nèi)部溫度，已下降到足以掀去保溫毯。這是一種簡(jiǎn)潔的監(jiān)測(cè)溫度的方案，可供應(yīng)混凝土中的內(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(tái)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(tái)外外表中心，（以代表混凝土的外表溫度），深度離模板外表50mm。對(duì)西南方向上的承臺(tái)進(jìn)展溫度測(cè)量，用以推斷土地對(duì)混凝土溫度變化和冷卻的影響程度。

若消失特別降溫不切實(shí)際的場(chǎng)合，以及消失必需使用高強(qiáng)拌合物的場(chǎng)合，為了掌握開(kāi)裂，波特蘭水泥協(xié)會(huì)的“混凝土拌合物的設(shè)計(jì)和掌握”標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為的良好技術(shù)是：1）連續(xù)一次性澆筑全局部項(xiàng)混凝土工程，2）避開(kāi)來(lái)自鄰近混凝土構(gòu)件的外部約束，3）通過(guò)防止混凝土內(nèi)部和外層過(guò)高的溫差，掌握內(nèi)部溫度變化。本工程的根底，就采納連續(xù)一次性澆筑。并且不受到鄰近混凝土構(gòu)件的約束。

詳細(xì)措施的落實(shí)

內(nèi)部的水化熱會(huì)引起升溫，為了猜測(cè)根底內(nèi)部的峰值升溫，我們采納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(huì)文件和ACI207.2R標(biāo)準(zhǔn)。引起峰值升溫的因素包括：混凝土的初始溫度，四周環(huán)境溫度，拌和物的協(xié)作比（膠凝材料總量），混凝土構(gòu)件的尺寸，及其用鋼量。

在酷熱氣候條件下，最常用的是：采納冷卻水，或采納局部取代用水量的冰塊，對(duì)混凝土進(jìn)展降溫。其他還有采納水噴淋骨料，或把液態(tài)氮注入新拌混凝土等降溫方法。

根底混凝土的初始溫度估量在16℃左右，其依據(jù)是：攪拌站測(cè)得的骨料和其他材料的溫度。混凝土生產(chǎn)商表示，用特別的方法把混凝土冷卻到16℃以下，會(huì)增加生產(chǎn)本錢。該混凝土初始溫度，加上估計(jì)的混凝土升溫，然后，對(duì)混凝土是否會(huì)超過(guò)極限溫度70℃進(jìn)展猜測(cè)。

ACI207.1R第5.3節(jié)可用來(lái)近似算出，無(wú)冷卻損失的混凝土升溫。對(duì)于該工程工程采納的強(qiáng)度為40MPa的混凝土，依據(jù)ACI207.2R的方程式，預(yù)估的混凝土絕熱升溫為60℃（即無(wú)任何散熱損失）。

依據(jù)《混凝土拌和物的設(shè)計(jì)和掌握》的公式，可對(duì)采納350kg水泥，47kg粉煤灰，相當(dāng)于23.5kg水泥進(jìn)展計(jì)算（一般都以1/2粉煤灰的重量，當(dāng)作產(chǎn)生水化熱的水泥重量），預(yù)估出混凝土的升溫約59℃（無(wú)冷卻措施）。

把較高的峰值溫度60℃，加上混凝土澆筑時(shí)的初始溫度16℃，近似得出混凝土的溫度77℃（無(wú)任何冷卻損失）。估計(jì)混凝土通過(guò)正常外露，或在大氣中的冷卻，其內(nèi)部的溫度在68-70℃之間。因此，不必加冰塊降低混凝土的初始溫度。

為了掌握外表裂縫，PCA文件建議，內(nèi)外溫差一般不要超過(guò)20℃。文件還指出，采納石灰石骨料的混凝土，其溫差應(yīng)限制在31℃。用于本工程工程的混凝土，其溫差可能會(huì)超過(guò)這極限溫度，因此，應(yīng)采納隔熱保溫毯來(lái)降低溫差，直至通過(guò)散熱，使其內(nèi)部溫度與四周環(huán)境溫度一樣為止。本工程選擇的混凝土內(nèi)外極限溫差是28℃。

本工程選擇采納雙層保溫毯，其總熱傳導(dǎo)約4H2.h.f/Btu（0.70M2.K/W），可防止混凝土外表快速冷卻?；炷潦窃?022/11/22澆筑的，然后，就立即將保溫毯掩蓋在全部外露的混凝土外表和木模板外表。采納熱電偶測(cè)出混凝土內(nèi)部和外外表的溫差。估量需14天，才能使混凝土根底的內(nèi)部溫度降至四周環(huán)境溫度（28℃）。定期對(duì)熱電偶進(jìn)展監(jiān)測(cè)，以便確認(rèn)何時(shí)可把復(fù)蓋的保溫毯掀掉。

在寒冷氣候條件下，根底四周地下的土壤，是降低散熱的良好保溫材料。但是，外露的混凝土，必需采納保溫毯進(jìn)展保溫。

環(huán)境溫度在28℃內(nèi)

承包商采納熱電偶，定期監(jiān)測(cè)混凝土的溫度，并且在混凝土的內(nèi)部溫度到達(dá)四周環(huán)境溫度28℃時(shí)，把保溫毯掀掉。我們好玩地觀看到，當(dāng)根底被局部埋在土層下時(shí)，諸如位于西南方向上的根底，與東北方向上的承臺(tái)相比，混凝土的內(nèi)部和外表溫度都下降得較快。其緣由就在于：土壤是良好的保溫材料。地梁的溫差不明顯，其緣由是：梁寬僅1.2m，而承臺(tái)寬2.7m。12月3日（澆筑后第10天）東北方向承臺(tái)的混凝土內(nèi)部溫度為27℃，根本與期望的平均環(huán)境溫度28℃持平，這時(shí)，保溫毯就掀掉了。在根底模板撤除后，外露的根底混凝土外表，沒(méi)看到任何裂縫。幾周后，仍無(wú)任何外表裂縫。

極限溫差

外表裂縫，不但會(huì)影響到混凝土構(gòu)造的美觀，而且還會(huì)使其壽命受損。雖然，外表裂縫很小，但是，還是會(huì)令工程師、承包商和業(yè)主擔(dān)憂不已。內(nèi)部裂縫和太高的混凝土溫度，同樣會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，并更為令人擔(dān)憂。由于，假如會(huì)產(chǎn)生延遲性鈣礬石反響，會(huì)對(duì)混凝土的整體性，帶來(lái)很多不行預(yù)見(jiàn)的影響。在混凝土構(gòu)造設(shè)計(jì)中，由于，高強(qiáng)度混凝土的使用日益普遍，因此，設(shè)計(jì)人員必需了解，并采納PCA和ACI的推舉方法，以避開(kāi)產(chǎn)生類似的裂縫和高溫問(wèn)題。

熱電偶或其他測(cè)溫裝置，是一種用于確定溫差的方法。在寒冷氣候條件下，混凝土外表保溫，可以限度地減小大體積混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，散熱時(shí)的內(nèi)外溫差，而且，外表保溫，對(duì)內(nèi)部溫度，幾乎沒(méi)有影響。依靠土壤散熱，有助于降低溫度，同時(shí)又能使混凝土的外部溫度