冷水循环法在大体积混凝土温度控制中的应用

2022-09-11

1 大体积混凝土温度裂缝产生的机理

对于大体积混凝土, 通常认为是体积过大的现场浇筑的混凝土, 达到无法采取措施来处理水泥水化热量, 并随体积变化。日本建筑社会标准 (JASSS) 定义为:“结构断面最小尺寸在80cm以上, 水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土, 称为大体积混凝土。”一般来说, 大体积混凝土在发生水泥水化反应中会释放出大量的热量, 而混凝土体积本身更厚, 表面和空气直接接触, 更好的冷却条件, 热量可以分布到大气中, 表面温度较低, 混凝土本身是坏的, 水泥水化热积聚在混凝土内部不容易送出, 温度会上升更多, 可能形成低温差, 导致温度应力, 如果温度应力大于混凝土抗拉强度, 那就混凝土机会发生裂缝。

2 工程实践中大体积混凝土温度控制的一般措施

通常在工程实践中采用以下几种方法, 来降低大体混凝土的温度裂缝问题: (1) 降低混凝土中水泥的用量, 提高骨料的分级, 优化混凝土的配比; (2) 降低混凝土的浇注温度, 混凝土拌和水和冷却水均为碎石; (3) 埋管, 冷水冷却; (4) 规定合理的时间, 拆除温度, 进行混凝土表面保温措施; (5) 在寒冷季节, 在长期暴露表面的混凝土块施工, 保温措施。

3 冷却水循环温控工艺的应用

以上充分的表明, 通过减少混凝土内外温差, 可有效解决温度应力对混凝土温度裂缝的影响。通过水循环冷却的方式, 来将混凝土内部的较高温度向混凝土外部, 实现了冷热水交换的温度, 减少了混凝土内外温差。冷却水循环冷却方式生态环保, 成本低, 本文将此方法应用于工程实践, 通过测量验证其他方法的实用性和有效性, 如果形成方法及相应的标准, 那么在经济效益、市场效益集社会效益是不可估量, 具有十分广阔的市场应用价值及研究价值。

3.1 工程概括

某建筑工程项目建筑总面积44000m2 (包括主楼±0.00以上18层, 地下室2层) 。双层钢筋混凝土桩箱基础工程结构, 平面尺寸38.53m×56.4m, 地下梁梁结构倒置, 厚度0.5m厚;芯管上平面尺寸为19.8m×20.4m, 最大深度为3.9m, 芯管桩帽和梁截面的一部分属于大体积混凝土工程。冷却水管施工方法大量混凝土施工, 混凝土升温混凝土添加剂控制施工方法。地下室混凝土体积为2530m3。核心管1120m3的混凝土, 约占44%。

商业混凝土用于设计C30的标签。没有。425渣波特兰水泥低水合热水泥用量小于400kg/m3, 坍落度控制在100mm左右, 混凝土进入模具温度控制在20℃以下;使用粒径较大的5.0-35mm中砂, 粉砂含量在3%之内。为了满足作业性, 减缓水泥早期水化热延迟和降低温度要求的峰值, 增加有效减水缓凝剂, 初始凝固时间为8-10 h。

3.2 施工工艺要求

1) 将在现场准备钢管焊接施工期间在混凝土中水的加强支撑框架的相应位置;2) 建筑水冷却水使用, 水冷却回路, 不浪费水和破坏环境;3) 与混凝土中的粉煤灰混合, 提高混凝土的可加工性, 减少水泥的用量。

3.3 循环冷却水管的设计计算

3.3.1 冷却水的热工计算

由于本工程混凝土总量不太大, 循环水系统布置1个容量6m3/h的水泵, 因管道会产生一定的水阻, 取折减系数80%, 冷却水流量V=4.8m3/h;水的比热为Cw=4.1868J/kg·C;水的质量密度ρw=1.0t/m3;进、出水温差取t=18℃。每小时冷却水带走的热量为:Q1=Cw×V×ρw×t代入相关数据计算得:Q1=3.62×105J/h。据有关资料, 采用冷却水管循环水冷却技术3d冷却水影响混凝土的体积约占总体积的50%, 15d以后冷却水影响混凝土的体积约占总体积的100%。因此, 3d每小时每立方米混凝土被冷却水带走的热量Q2=Q1÷ (1120×0.5) =6.45×102J/h·m3。15d每小时每立方米混凝土应该被带走的热量为Q15=Q30=Q1÷1120=3.25×102J/h·m3。

3.3.2 使用冷却水后混凝土绝热温度降低值计算

使用冷却水3d后混凝土绝热温度降低值按3d考虑, 每m3混凝土失去热量为Q3=Q2×24h×3d=6.46×102×24×3=4.65×104J。

因此有冷却水时3d绝热温升值为:T (3) = (Wq-Q2) × (1-e-mt) cmρm

代入相关数据计算得:T (3) =22.5℃, 而没有冷却水时混凝土绝热温升值用式代入计算得T′ (3) =34.5℃, 绝热温升差△T (3) =T′ (3) -T (3) =12℃。由于大体积混凝土温度峰值一般出现在浇注3~4d后, 因此, 使用冷却水已使温度峰值降低了12℃。3d时混凝土实际温度应力δ3=0.087MPa<σ3=0.495MPa, 混凝土不会产生有害的裂缝。

使用冷却水15d后混凝土绝热温度降低值按15d考虑, 每m3混凝土失去热量Q4=Q15×24h×15d=1.16×105J, 代入相关数值, 得T (15) =7.73℃;T′ (15) =57.52℃;绝热温升差△T (15) =T′ (15) -T (15) =49.79℃。即说明15d时绝热温升值已被降低了49.79℃。δ15 (max) =1.129MPa<σ15=1.220MPa, 混凝土不会产生有害裂缝。同理可以求得30d时:T (30) =7.81℃, T′ (30) =58.16℃, △T (30) =T′ (30) -T (30) =50.35℃, 30d时混凝土温度应力最大值δ30 (max) =1.38MPa<σ30=1.53MPa, 混凝土不会出现有害裂缝。

因此, 在使用冷却水后, 混凝土的温度应力小于相应混凝土的抗拉强度, 因此早期混凝土不会产生有害裂缝。

3.4 操作方法

1) 冷却水管的布局。根据冷却水流经热中心到冷却水管网布置边缘的原理, 采用分区分层布置。管道层应按混凝土块的具体高度, 控制在1米距离上下两层水管, 水管规格:壁厚2毫米, 直径25毫米φ, PVC管材料。设置在混凝土压力管的中心, 出口管口设置在边缘, 确保每层网络进出水口交错排列。混凝土浇筑后, 水循环操作程序, 提高冷却效果, 可在水中加冰, 温度控制在20℃左右。

2) 温度测量设备。采用电脑控制温度计, 可根据需要提供冷却温度实时数据采集。

3) 冷却水管水压试验。在混凝土施工前, 进行水试验, 检查接头是否泄漏。

4) 流量控制。经试验表明, 当水流速和流量在1.2~1.5m3/h, 出入门温度差小于6℃时, 满足设计标准。

在实施循环冷却水时, 水温的温差保持在18℃左右, 保持水温和最高混凝土内部温度在20℃左右。每半天一次改变流动方向。在混凝土施工期间测量的峰值温度为62.3℃, 当混凝土浇注到混凝土中时, 模具温度为20℃, 实际温度为42.3℃。此外, 采用冷却水保持混凝土温度下降梯度在2.0℃+/-0.2℃, 有效防止混凝土温度开裂的发生。

4 结语

大体积混凝土的施工, 温度裂缝由于温度应力问题, 严重影响了建筑结构的安全性和使用功能。各种温度控制措施大多是经验, 有效控制温差仍是一个技术问题。以实际工程为例, 本文采用冷却水循环冷却的方法, 在每个混凝土年龄段混凝土的温度应力小于混凝土的相应抗拉强度, 混凝土早期不产生有害裂缝。采用冷却水循环冷却方法, 通过内外水化热温差降低大体积混凝土, 降低温度裂缝, 保证施工工程安全, 该方法可行, 且效果明显。

摘要：近年来, 随着国民经济和建筑技术的飞速发展, 大体积混凝土被广泛应用于各项建筑工程之中。但是, 在大体积混凝土的施工中, 由于混凝土的水化热使混凝土内外温差较大, 这是导致各种混凝土发生温度裂缝, 温度裂缝严重影响结构安全的主要原因和使用功能。目前, 控制工程中的温度控制措施大多是经验, 有效控制温差仍然是一个技术问题。在本文中, 通过工程实例, 利用冷却水循环冷却法对大体积混凝土进行温度控制, 计算出3d, 15d值与温度应力值的差值, 结果充分的表明, 大体积混凝土的温度混凝土应力小于混凝土的相应抗拉强度, 混凝土才不会产生早期有害的温度裂缝。

关键词：冷却水循环降温,大体积混凝土,温度控制,应用