浅谈大体积混凝土最小化温差控制技术

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

工程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工程承包商采用的,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工程，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。对于该工程项目采用的强度为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℃。用于本工程项目的混凝土，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，还是会令工程师、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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