冷却管在大体积混凝土中的应用

冷却管在大体积混凝土中的应用

谭明

（中铁十四局集团第四工程有限公司山东济南）

摘要：文章结合工程实践，对大体积混凝土温度裂缝产生的描述，通过对大体积混凝土内部温度计算，增设冷却管降温措施，总结出大体积混凝土冷却管的设计与施工的施工要点。

关键词：大体积混凝土温度裂缝冷却管施工要点

1、概述

混凝土是建筑结构中广泛使用的主要材料，在现代工程建设中占有重要的地位，随着桥梁技术的突飞猛进，大体积混凝土在桥梁结构中的应用越来越多。我国普通混凝土配合比设计规范规定：混凝土结构物中实体最小尺寸不小于1 m的部位所用的混凝土即为大体积混凝土；美国则规定为：任何现浇混凝土，只要有可能产生温度影响的混凝土均称为大体积混凝土。大体积混凝土在浇筑后2－5天升温速度较快，弹性模量较低，基本处于塑性及弹塑性状态，约束力很低。但是在降温阶段弹性模量迅速增加，约束拉应力也迅速增加，在某时刻超过混凝土抗拉强度，就会出现温度裂缝。随着内部混凝土降温。温度裂缝可能发展为贯穿裂缝，不仅影响到结构的强度还影响其耐久性，但是大体积混凝土的温度裂缝还没有得到完全的解决，本文通过对跨长湖申航道桥承台混凝土的内部温度的计算和分析，增设冷却水管方案验算，较好的控制了大体积混凝土的温度裂缝。

2、工程概况

长兴县陆汇西路工程跨长湖申航道桥，主桥为(36+60+36)变截面连续箱梁，引桥为两岸分别一联（3×30）等截面连续箱梁，桥梁全长315.8米，基础采用钻孔灌注桩和承台，下部结构为墩式和柱式结构，其中桥台承台尺寸为20.50m×4.25m×1.5m，主桥墩承台为19.00 m×6.30 m×2.50 m，引桥承台为19.00 m×4.5 m×2.2 m，混凝土标号为C30，根据我国现行规范规定，本工程的承台属于大体积混凝土范围。施工时间在6月中旬，平均气温20℃左右。

3、混凝土主要技术指标

为了有效控制温度裂缝减小混凝土的水化热，根据当地的原材料的实际情况，结合经济合理的原则我们采用了以下的技术指标。

3.1采用普通水泥: 水泥水化热是大体积混凝土发生温度变化而导致体积变化的主要根源。虽然普通水泥水化热比中低水化热热水泥高些，但普通水泥混合材料掺量远小于中低热水泥，通过调整配合比可以大量降低普通水泥的单方用量，减小与中低水化热水泥水化温升的差异。通过试验结果分析，研究决定选用海螺P.042.5普通硅酸盐水泥。 3.2掺加粉煤灰。粉煤灰的水化热小于水泥，7天约为水泥的1/3，28天约为水泥的1/2。掺入粉煤灰替代水泥的可有效降低水化热。根据当地的实际情况决定采用长兴发电厂Ⅱ级粉煤灰。该粉煤灰需水量小，可降低混凝土的单位用水量，减小预拌混凝土自身体积收缩，有利于混凝土抗裂。

3.3掺加适当的外加剂，在满足设计强度要求的前提下，尽量减少单位体积混凝土的水泥用量。选用了绿色建材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缓凝时间大于15h 。 3.6粗骨料最大粒径25mm 。

表1 混凝土配合比

4、混凝土温度的计算 4.1、混凝土的绝热温升(τT )：

)1(ττρ

m e c WQ

T --=

式中：τT —在τ龄期混凝土的绝热温升（℃）；

W —每m 3混凝土的水泥用量（kg/m 3）

，取W=342 kg/m 3；

Q —每kg 水泥水化热(K J/kg)，取Q=377K J/kg ； c —混凝土比热993.7 J/(kg?K)

ρ—混凝土容重2360.2 kg/m 3

τ—混凝土龄期（天）

m —常数，与水泥品种、浇筑时温度有关，根据规范取0.364。

表二 混凝土绝热温升计算表

混凝土最高绝热温升：max τT =55（℃） 4.2、混凝土浇筑温度:

))((321n c q c j A A A A T T T T ??????+++-+=

式中：j T 为混凝土的浇筑温度（℃）；

c T —混凝土拌合温度（它与各种材料比热及初温度有关），经多次试验，混凝土的出盘

温度为23℃；

q T —混凝土浇筑时的室外温度（6月中旬，室外平均温度以20℃计）；

n A A A A ??????+++321—温度损失系数；

1A —混凝土装卸，1A =0.032×2=0.064(装车、出料二次数)；

2A —混凝土运输时，2A =t ?θ=0.042×30=0.126（6 m 3滚动式搅拌车其温升θ=0.0042，

混凝土泵送不计，t 为运输时间（以分钟计算），从商品混凝土公司到工地约30分钟。）

3A —浇筑过程中3A =0.03t=0.003×60=0.18(t 为浇捣时间)； j T =23+(20-23)×(0.064+0.126+0.18) =21.8℃

4.3、混凝土实际中心温度：

ξττ?+=T T T j l )(

式中： ξ—不同浇筑混凝土块厚度的温降系数。

表3 厚度为2.5 m 的混凝土不同龄期的ξ值

表4 不同龄期的混凝土中心温度

计算得知混凝土在浇筑后的第9天左右其内部的绝热温度最高。 4.4、混凝土各龄期收缩变形值计算

???-=-2101.00

)()1(M M e y y ττεε·

···10M ? 式中：0y ε为标准状态下的最终收缩变形值0

y ε=3.24×10-4；1M 为水泥品种修正系数；2

M 为水泥细度修正系数；3M 为骨料修正系数；4M 为水灰比修正系数；5M 为水泥浆量修正系数；6M 为龄期修正系数；7M 为环境温度修正系数；8M 为水力半径的倒数(cm -1),为构件截面周长(L)与截面面积(A)之比:r=L/A ；9M 为操作方法有关的修正系数；10M 为与配筋率E a 、A a 、E b 、A b 有关的修正系数，其中E a 、E b 分别为钢筋和混凝土的弹性模量(MPa)，A a 、A b 分别为钢筋和混凝土的截面积(mm 2)。

查混凝土收缩变形不同条件影响修正系数表得：

1M =1.0，2M =1. 0，3M =1. 0，4M =1.36，5M =1.20， 6M =1.09（3d ），6M =1.02（5d ），6M =0.96（9d ），6M =0.94（12d ），6M =0.93

（15d ），6M =0.93（18d ），6M =0.93（21d ），6M =0.93（24d ），7M =0.88，8M =1.22，

9M

=1.0，10M =0.88；

表5：各龄期收缩变形值计算表 4.5、承台混凝土各龄期收缩变形换算成当量温差

)(τεy —不同龄期混凝土收缩相对变形值；

()()

α

εττy y T =

α—混凝土线膨胀系数取1×10-5/℃；

表六 混凝土各龄期收缩当量温差

4.6承台混凝土各龄期内外温差计算

假设入模温度：j T =21.8℃，q T —混凝土浇筑后达到的稳定温度，取q T =23℃。

表七

混凝土各龄期综合内外温度差计算表

由表七可知，承台混凝土在浇筑后的第9天其内外温差最大为30.01℃，大于我国《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204-92）中关于大体积混凝土温度内外温差为25℃的规定，必须采用相应的措施。防止温差大产生裂缝，埋设冷却水管是一个很有效的温控方法。

5、冷却管的布置及混凝土的降温验算 5.1、冷却管的计算条件

本文以主桥墩承台（19.00 m ×6.30 m ×2.50 m ）为计算对象，在施工过程中采用了一次浇注,并冷却管的直径为d=3cm ，纵向间距1.5米，竖向间距为1.2米，上下两层布置，初期水温为10℃，c s =4.2 kj/(kg.℃)，T s =10℃， ρs =1.0?103 Kg/m 3，q s =1.25m 3/h ，冷却管总长度为L=75m ，混凝土的比热 C=0.916kj/(kg.℃)，混凝土导热系数

λ=3.15W/m ·K ，容重ρ=2360.2 Kg/m 3，导温系数a =0.115m 2/d 。

5.2冷却管的计算 计算公式：b a r

a a

b r a a b j m T X

C T X C C X T T X

C X C T T T +-+---+

--=

1121211)1)((1)(；

式中: m T —混凝土内部平均温度(℃)；

j T —混凝土的初始温度(℃)；

s T —冷却水管初期通水的水温(℃)；

q

y j T

T T T T -++=?)(3

2ττ

X —冷却水管散热残留比；

b T —混凝土的表面温度(℃)，T T T q b ?+=,T ?为混凝土表面温度高于气温的差值，表

面不盖草袋时T ?=3~5℃，表面盖草袋时T ?≈10℃，在本工程中承台表面采用麻袋或毛毡覆盖，△T=10℃；

r T —通过表面散热后的水化热温升(℃)；

1a C —底部不绝缘, 上层新混凝土接受下层混凝土传热并向表面散热的残留比； 2a C —底部不绝缘, 上层新混凝土向下层混凝土及表面散热的残留比；

D —水管冷却范围 62.12.15.121.121.121=?==?=S S D (S 1─水管的水平间距, S 2─水管的垂直间距)。

通过表面和冷却水管同时散热后的水化热温升, 用下表八计算

表8 大体积混凝土内增设冷却管后的水化热温升计算表

从表八计算可知增设冷却管后最高水化热温升发生在第4天，混凝土的最高温度也同样发生在第4天，则t=4d 时的残留比如下： Ca1=0.15，Ca2=0.55，X=0.69

2.453069

.015.012

.1469.015.0155.0)69.01()3010(69.015.0169.055.0)308.21(max =+?-+?-?-?-+?-??-=

m T ℃

其温差为45.2-30=15.2℃＜25℃满足规范要求。

6、冷却管设计及施工要点

6.1、冷却管采用壁厚2mm，直径φ30mm的薄壁钢管，其接口采用90度弯管钢管接口，按口安装时应设置防水胶带，确保接头不漏水。

6.2、冷却水管网按照冷却水由热中心区流向边缘区的原则分层分区布置，进水管口设在靠近混凝土中心处，出水口设在混凝土边缘区，每层水管网的进、出水口进行相互错开。

6.3、承台厚为2.5m，布管时沿承台竖向布置水管两层，水管网沿竖向设置在承台中央，水管间距为1.2m，最外层水管距离混凝土边0.65m，进、出口引出承台混凝土面1m以上，出水口设置有调节流量的水阀和测流量设备，冷却水管接头采用软管接头。

6.4、布管时，水管要与承台主筋错开，当局部管段错开有困难时，适当移动水管的位置。

6.5、水管网设置架立钢筋，并将水管于架立钢筋绑扎牢靠，防止混凝土浇筑过程中，水管变形或接头脱落而发生堵水或漏水。

6.6、水管网安装完成后，将进、出水管口与进出水总管、水泵接通，进行通水试验，以确保水管畅通且不漏水。

6.7、对于温控要求较严的大体积混凝土工程，可以在混凝土中心部位安装测温实施测出混凝土的内部温度，通过水的流速和初期温度来控制混凝土的内部温度。

七、结束语

大体积混凝土在施工过程中，由于采取了充足的技术准备与合理的施工方法，从跨长湖申航道桥承台拆模后的情况来看，混凝土表面未发生任何裂纹，外观质量良好并已经通过监理、质检站等部门的验收，可见通过热工计算完全可以对生产进行指导控制，采用合适的配合比，严格控制混凝土入模温度，采取适当的措施控制混凝土内外温差，是降低混凝土水化热与控制混凝土的内外质量的关键。

参考资料：

【1】王铁梦，工程结构裂缝控制，中国建筑工业出版社，1997.8

【2】叶琳昌，大体积混凝土施工，中国建筑工业出版社,1987年

作者姓名：谭明，出生年份：1981年，性别：男，籍贯：四川省南充市营山县，学位学士，职称（职务）工程师，主要研究方向：混凝土施工技术。

联系人：谭明，联系电话：，；电子信箱：，通讯地址福建省尤溪县中仙乡安宁村中铁十四局项目部，邮编；365109，单位：中铁十四局四公司向莆铁路项目部。