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大体积混凝土最小化温差控制技术
RSS 打印 发布时间:2019-03-01 16:15:04

高强混凝土基础表面复盖保温毯,可大幅降低表层混凝土冷却速度

  平安彩票pa99.com师在重荷载结构设计中,常采用高强混凝土。由于,这种混凝土的强度比较高,因此,与采用传统混凝土的相比,其构件的尺寸就较小。大体积混凝土的水化热(无论是否采用高强混凝土)及其产生的温升,都会导致热膨胀和收缩问题。如不对其进行监测,混凝土中的温差膨胀,会使其内部的拉应力超过其抗拉强度,导致混凝土开裂。本文介绍了一种由某平安彩票pa99.com承包商采用的,对大体积高强混凝土基础,进行温差监控的方法。

大体积混凝土基础

  美国田纳西流域管理局,正在对其管辖区内的烧煤发电厂,安装优先催化还原设备,其中有一个结构装置首位于阿拉巴马州东北部。新设备要求大体积混凝土基础承受其巨大的重力和瞬间荷载。基础由四个巨大的承台和相连的地梁组成。承台面积2.7m2,厚2.4m,地梁宽1.2m,深1.2m,基础混凝土的28天强度为C40(40MPa)。标准的能满足项目设计规范的拌合物是:石灰石骨料,350kg符合ASTM C150规范 的波特兰Ⅱ型水泥,以及47kg(符合ASTM C618规范)的F级粉煤灰。
ACI 207. 1R对大体积混凝土的定义是:“任何体积的混凝土,其三维尺寸大到足以需考虑测定其水泥水化产生的热量,及其伴随的体积变化会导致最细微的开裂。”ACI207 接着指出,巨大的拉应力和应变,可能会随着大体积混凝土中,温度升降引起的体积变化,而进一步发展。
本项目的基础,钢筋密布,四周均设约束钢筋。但是,这些钢筋不能保证混凝土不开裂,更不能防止混凝土产生热量。这些采用高强混凝土的基础,如果暴露在寒冷气候中进行养护,必然会由于基础中央和外露表面之间的巨大温差,而问题多多。但是,如果混凝土的最大温差得以控制,大体积混凝土基础的散热均匀,避免出现基础中的温差,这些问题都是可以避免的。被选择用于本项目的方法,就是尽量减少温差和降低混凝土最高升温,从而防止混凝土的开裂及其潜在的内部损伤。

测量设备及监测方法

  当混凝土的外表面温度持续下降时(由于散热),会随着大体积混凝土内部持续升温(由于水化),使温度裂缝的可能性增加。此外,由于拌合物的配合比设计,水泥用量以及浇筑规模的大小,都会使混凝土内部的温度,轻易地超过最高安全极限温度70℃。该极限温度的设定,正是来自当前混凝土行业施工实践所关注的,与延迟钙矾石反应有关的,混凝土长期耐久性问题。外界(周围气温)温度与混凝土内部温度有巨大的差异(这种状况在实际施工中相当严重),如果外界温度进一步降低,外侧的混凝土就会阻止不断升温的内部混凝土的热膨胀,其结果就会导致混凝土毁损。
本项目的基础是在11月份浇筑的,当时的室外平均温度在4-10℃之间。特别是两个位于北面的承台,有三面外露在空气环境中,并在浇筑时,会遭受寒流。而两个位于南面的承台及地梁,由于局部埋在土中与地平面相平,且只有朝北一面外露,因此,遭受极端温差的可能性较小。
最初,避免温差膨胀和收缩问题的计划是:采用现有标准规定的保温毯给混凝土保温,尽量减少温差。把基础混凝土水化过程中产生的热散去,预计需14天。由于钢结构吊装进度很紧,因此,承包商很重视对基础进行14天保温养护。他们决定在混凝土内放置热电偶,用来确定何时混凝土内部温度,已下降到足以掀去保温毯。这是一种简单的监测温度的方案,可提供混凝土中最高的内部温度数据资料。
把热电偶放置在东北和西南方向上的承台内部(以代表混凝土的中心温度),也把热电偶放置在同样的承台外表面中央,(以代表混凝土的表面温度),深度离模板表面50mm。对西南方向上的承台进行温度测量,用以判断土地对混凝土温度变化和冷却的影响程度。
若出现特殊降温不切实际的场合,以及出现必须使用高强拌合物的场合,为了控制开裂,波特兰水泥协会的“混凝土拌合物的设计和控制”规范认为的良好技术是:1)连续一次性浇筑全部分项混凝土平安彩票pa99.com,2)避免来自邻近混凝土构件的外部约束,3)通过防止混凝土内部和外层过高的温差,控制内部温度变化。本项目的基础,就采用连续一次性浇筑。并且不受到邻近混凝土构件的约束。

具体措施的落实

  内部的水化热会引起升温,为了预测基础内部的峰值升温,我们采用了两种原始文件资料作为参考依据,即波特兰水泥协会文件和ACI207.2R规范。引起峰值升温的因素包括:混凝土的初始温度,周围环境温度,拌和物的配合比(胶凝材料总量),混凝土构件的尺寸,及其用钢量。
在炎热气候条件下,最常用的是:采用冷却水,或采用部分取代用水量的冰块,对混凝土进行降温。其他还有采用水喷淋骨料,或把液态氮注入新拌混凝土等降温方法。
基础混凝土的初始温度估计在16℃左右,其依据是:搅拌站测得的骨料和其他材料的温度。混凝土生产商表示,用特殊的方法把混凝土冷却到16℃以下,会增加生产成本。该混凝土初始温度,加上预计的混凝土升温,然后,对混凝土是否会超过极限温度70℃进行预测。
ACI207.1R第5.3节可用来近似算出,无冷却损失的混凝土最高升温。对于该平安彩票pa99.com项目采用的强度为40MPa的混凝土,根据ACI207.2R的方程式,预估的混凝土绝热升温为60℃(即无任何散热损失)。
根据《混凝土拌和物的设计和控制》的公式,可对采用350kg水泥,47kg粉煤灰,相当于23.5kg水泥进行计算(一般都以1/2粉煤灰的重量,当作产生水化热的水泥重量),预估出混凝土的最高升温约59℃(无冷却措施)。
把较高的峰值温度60℃,加上混凝土浇筑时的初始温度16℃,近似得出混凝土的最高温度77℃(无任何冷却损失)。预计混凝土通过正常外露,或在大气中的冷却,其内部的最高温度在68-70℃之间。因此,不必加冰块降低混凝土的初始温度。
为了控制表面裂缝,PCA文件建议,内外温差一般不要超过20℃。文件还指出,采用石灰石骨料的混凝土,其最大温差应限制在31℃。用于本平安彩票pa99.com项目的混凝土,其温差可能会超过这极限温度,因此,应采用隔热保温毯来降低温差,直至通过散热,使其内部温度与周围环境温度相同为止。本项目选择的混凝土内外极限温差是28℃。
本项目选择采用双层保温毯,其总热传导约4H2.h.f/Btu(0.70M2.K/W),可防止混凝土表面快速冷却。混凝土是在2002/11/22浇筑的,然后,就立刻将保温毯覆盖在所有外露的混凝土表面和木模板表面。采用热电偶测出混凝土内部和外表面的温差。估计需14天,才能使混凝土基础的内部温度降至周围环境温度(28℃)。定期对热电偶进行监测,以便确认何时可把复盖的保温毯掀掉。
在严寒气候条件下,基础周围地下的土壤,是降低散热的良好保温材料。但是,外露的混凝土,必须采用保温毯进行保温。

环境温度在28℃内

  承包商采用热电偶,定期监测混凝土的温度,并且在混凝土的内部温度达到周围环境温度28℃时,把保温毯掀掉。我们有趣地观察到,当基础被局部埋在土层下时,诸如位于西南方向上的基础,与东北方向上的承台相比,混凝土的内部和外表温度都下降得较快。其原因就在于:土壤是良好的保温材料。地梁的温差不明显,其原因是:梁宽仅1.2m,而承台宽2.7m。12月3日(浇筑后第10天)东北方向承台的混凝土内部温度为27℃,基本与期望的平均环境温度28℃持平,这时,保温毯就掀掉了。在基础模板拆除后,外露的基础混凝土表面,没看到任何裂缝。几周后,仍无任何表面裂缝。

极限温差

  表面裂缝,不但会影响到混凝土结构的美观,而且还会使其寿命受损。虽然,表面裂缝很小,但是,还是会令平安彩票pa99.com师、承包商和业主担心不已。内部裂缝和太高的混凝土温度,同样会产生问题,并更为令人担心。因为,如果会产生延迟性钙矾石反应,会对混凝土的整体性,带来许多不可预见的影响。在混凝土结构设计中,由于,高强度混凝土的使用日益普遍,因此,设计人员必须了解,并采用PCA和ACI的推荐方法,以避免产生类似的裂缝和高温问题。
热电偶或其他测温装置,是一种用于确定温差的方法。在严寒气候条件下,混凝土表面保温,可以最大限度地减小大体积混凝土在养护过程中,散热时的内外温差,而且,表面保温,对内部最高温度,几乎没有影响。依靠土壤散热,有助于降低最高温度,同时又能使混凝土的外部温度,保持在内部温度可接受的范围内。与使用保温毯给外露混凝土保温相比,土壤能更好地使大体积混凝土的温差大幅度降低。
使用PCA和ACI编制的技术指南,可算出和核查混凝土的最高温度,以防止混凝土过热,产生内部破坏。应采用相关规定,诸如根据项目规定的强度要求,修正拌和物的胶凝材料用量,降低初始浇筑温度,或提供内部降温手段,避免混凝土出现高温。

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