超大体积混凝土内部循环水温控工法

超大体积混凝土内部循环水强制温控施工工法中建五局第三建设有限公司张英涛刘凯仁陈长明1.前言随着城市建设的高速发展，土地资源日益稀缺，建筑朝地上（更高）地下（更深）要空间，体量规模超大型化趋势明显，超大体积砼愈来愈多。为防止超大体积混凝土施工中因温控不利产生裂缝而对结构安全造成危害。2006年10月我公司在温州香格里拉大酒店塔楼基础筏板超大体积混凝土工程中成功应用了“内部循环水强制温控”施工技术，并形成了施工工法。2.工法特点2.1可操作性强：利用在超大体积混凝土内部埋设连通水管、通水循环冷却强制温控这一物理手段，通过调节水流量可人为控制混凝土内部温度及温升温降速率，使其在允许范围之内，解决超大体积混凝土温度裂缝防治的难题。2.2理论成熟，计算简便：采用水管冷却等效热传导方程，不需采用电算（有限元法），用简单的代数运算即可预测循环水冷却条件下超大体积混凝土内部温度变化，同时可确定循环水管的设置参数，简单易行。温控效果经电子仪器监控测量，与计算预测值较为吻合。2.3监控手段先进：选择精密温度监测仪器——内埋热电偶电子测温计进行温度监控，将数据处理和信息反馈技术应用于施工，动态调整超大体积混凝土养护的“内降”（调节循环水流量）和“外保”（调整覆盖厚度和养生用水），及时采取有效应对措施，使信息化施工成为现实。2.4节约工期：采用物理手段降低超大体积混凝土内部温度，减少内外温差，缩短“外保”时间，提前移交工作面衔接下道工序，有效缩短工期。2.5降本增效，节能环保：降温水经混凝土内部循环，热交换后被加温，抽出后做为养生用水，提高混凝土表面温度，减小温差，“外保”效果显著；节约传统覆盖材料，不需额外养护水，成本降低，节约加热能耗，经济环保。3.适用范围适用于高层、超高层建筑基础底板、结构转换层、大型工业厂房基础及大型设备基础等超大体积混凝土的施工。4.工艺原理4.1分析超大体积混凝土的温度特性得出：水泥在硬化过程中产生的温度应力超过混凝土的极限抗拉强度是产生裂缝的主要原因，对结构安全危害严重，后果难以弥补。4.2超大体积混凝土温控防裂的传统措施主要为:“内降”——冰水拌和混凝土或采用双掺技术减小混凝土配比中的水泥含量以降低水泥水化热；“外保”——对混凝土表面进行保温（覆盖）或加温（温水养护），缩小内外温差。囿于施工条件，冰水拌和在实际施工中很难应用；限于一段时间内材料科学的发展，即使采用双掺技术，高强度混凝土水泥水化热仍难控制在较低水平；外保温属于被动方式，仍受混凝土内部绝热温升及外部天气条件的制约，如通过理论计算得出的保温覆盖物厚度过大，现场施工很难实现。4.3超大体积混凝土内部循环水强制温控是基于热交换原理发展的施工工法，指在超大体积混凝土内部埋设多层多道连通金属管，通水循环流通，利用水这种“热媒”带走水泥水化热，对混凝土内部强制降温，同时采用精密电子仪器进行温度动态监测，使超大体积混凝土内外温差不超过25℃，有效减少温度裂缝的产生，改善混凝土的极限抗拉性能，提高施工质量，保证结构安全。4.4无物理降温措施时超大体积混凝土温度计算在不考虑物理降温措施情况下，超大体积混凝土内部绝热温升为：绝热温升：Tr=(WhQ0)/(CP)（4.4）注：该公式引自浙江省工程建设标准《大体积混凝土工程施工技术规程》DB33/T1024－2005，J10655-2005式中：Wh——每立方米混凝土水泥含量Q0——每千克水泥水化热总量C——混凝土比热P——混凝土质量密度4.5冷却水循环降温措施下超大体积混凝土温度计算在冷却水循环物理降温条件下对混凝土内部温度进行计算预测，由于冷却水管附近温度梯度很大，直接采用有限元法必须采用电算，实际应用困难较大。水管冷却等效热传导方程已考虑了混凝土的初始温度和绝热温升，且考虑了冷却时外界温度的影响，较为完善。ittniwaatherfeTTt21)()(1（4.5）注：该公式引自朱伯芳院士“考虑外界温度影响的水管冷却等效热传导方程”式中：dueerfuuu202erfu——误差函数a——导温系数Tw——混凝土初温Ta——外界温度h——水管至表面的距离为h=h′+/（h′为水管外面混凝土真实厚度，/为虚拟厚度，其中为混凝土导热系数，为表面放热系数）。D——冷却柱体直径L——冷却水管长度Cw——冷却水的比热wp——冷却水的容重wq——冷却水的流量4.6通过公式(4.5)计算选取冷却水管的管径、间距、排距、水流量等设计参数，做为冷却水循环物理降温系统布置的理论依据。5.施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程（见图5.1）5.2操作要点5.2.1优化超大体积混凝土配合比超大体积混凝土配合比采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）双掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，同时为充分利用粉煤灰混凝土的后期强度，配合比设计时以60d强度代替28d强度，生产出高强、高韧性、中弹、低热和高极限抗拉值的抗裂混凝土。5.2.2循环冷却水管系统制作安装1、冷却水循环系统组成超大体积混凝土内部冷却水循环系统由蓄水池、水（热媒）、电极（首次循环前加热水体）、水泵（抽吸循环）、内埋冷却水管（热媒载体，由主管、支管及连接管）组成，见图5.2.2-1。图5.1施工工艺流程图优化大体积混凝土配合比筏板底层钢筋绑扎安装槽钢桁架焊接成型（支撑钢筋水管用）构造筋，面筋及冷却水管绑扎安装冷却水循环系统连接通水渗漏试验预埋电子测温计蓄水池砌筑，水泵、加热电极安装隐蔽验收超大体积混凝土浇筑通水循环冷却温度监控胎模施工，钢筋加工制作冷却水管加工制作，主支管安装连接固定电子测温仪测温调整冷却水流量及养护措施根据温度变化动态进行调整停止通水冷却冷却水管停用60d后高压注浆封闭未通过（自查整改）渗漏（自查整改）混凝土内外温差连续24h≤25℃不渗不漏人、机、材准备就位第一次通水前蓄水池用电极加热，水温与混凝土温差≤25℃通过图5.2.2-1冷却水循环系统图2、冷却水管系统设计采用水管冷却等效热传导方程,通过计算并结合实际选取冷却水管（内部埋设支管）参数，为提高热交换效率，采用金属管，管壁尽量薄，布置原则为：在保证混凝土强度条件下多层小间距布管。3、冷却水管材料选择冷却水管材料选用：主管为DN100镀锌管，支管为DN20KBG金属薄壁管,主管至蓄水池水泵连接采用Φ100消防水龙带，主、支管连接管采用DN20镀锌管及Φ20耐热塑料管。4、就近设置砖砌蓄水池，容量50m3，灌注自来水，设抽、吸水泵。第一次向循环水管送水时，为防止水温与混凝土温度梯度过大（25℃），在水管周围产生温度裂缝，采取措施为：在蓄水池内设电极加热，同时为蓄水池搭设大棚（钢管架覆盖彩条布）封闭保温。由于水经循环后已经升温并回吸到蓄水池，故后期可不需电极加热，节约电能。5、由于筏板超厚，钢筋多层布置，直径大自重大，为保证钢筋绑扎且方便冷却水管固定安装，采用[14a及[8槽钢焊接形成桁架，作为钢筋、水管的固定桁架，防止混凝土浇筑时水管变形、脱落而发生堵水或漏水，见图5.2.2-5。图5.2.2-5槽钢支撑桁架固定钢筋水管图6、进、出水主管采用DN100镀锌管，丝口连接，主管与水泵之间通过Φ100消防水龙带相连；主管上间距1200mm开梯度焊接400mm长DN20镀锌连接管；支管采用DN20KBG薄壁金属管，与焊接于主管上的DN20镀锌管通过Φ20耐热塑料管相连，采用22＃铁丝绑扎，并用密封胶封口。冷却水循环系统安装完成后必须通水试验，确保不渗不漏。5.2.3超大体积混凝土浇筑合理安排混凝土的调度供应，保证连续浇筑，避免出现施工冷缝。混凝土运输时间控制在规定以内，以免坍落度损失过大，影响混凝土均一性。为提高混凝土密实性，减少内部微裂缝，对施工缝处等薄弱环节采用二次振捣工艺，即当混凝土浇筑后即将凝固时，在适当的时间内再振捣（二次振捣的时间间隔以2h为宜)。混凝土浇筑时必须小心振捣，不得触碰水管及预埋电子测温计，确保管道及器材完好，防止漏水及测温计失灵。5.2.4通水循环降温超大体积混凝土斜面分层浇筑，待浇筑6小时后时即开始通水循环降温,同时进行温度监测，根据监测数据调整水流量，水流量控制在主管7.6L/S，支管0.28L/S范围左右（可根据温度变化调整），从而控制混凝土内外温差。在通水冷却过程中,始终要注意冷却水的温度与混凝土内部的差值不能大于25℃,以防止水管周围产生温度裂缝。水循环冷却直至混凝土浇筑完毕后的第8～16d（视温度监测结果而定，判定依据为：不通冷却水的条件下混凝土内外温差连续24h小于25℃）。循环水管停用60d后高压注浆灌实封堵。5.2.5温度监测1、温度监测的目的是控制温度应力,避免温度裂缝,因此在超大体积混凝土的施工中应对混凝土的最高温度和最高温升进行限制，要求混凝土内部的温度梯度缓和。一般应对混凝土内外温差和相邻层温差进行控制,并作为温控的主要内容。温度监测工作为施工组织者及时提供信息,反映超大体积混凝土内温度变化情况及温控技术效果,为施工组织者及时准确地采取温控对策提供科学依据。2、温度监测仪器选择精密温度监测仪器：内埋热电偶测温计。该仪器具有下列优点：①精度高（测量范围0～100℃，精度达0.1℃）；②测量方便，可靠性强。应用该新仪器能有效掌握超大体积砼温度变化的动态，便于及时采取有效应对措施，使信息化施工得以实现。3、测温点布置在超大体积混凝土的温控测量中,主要需要测试的温度参数为混凝土沿断面方向及中心、边缘的温度分布情况，温度测位布置应具有代表性和可比性，以真实全面反映超大体积混凝土各部位的温度为原则：测位布置在混凝土块体平面的对称轴或对角线上，兼顾中部和边角区域。每一测位的测温点沿混凝土厚度方向不得少于3点。4、温控标准混凝土浇筑温度不宜大于35℃；不宜小于5℃；混凝土内外温差不应大于25℃；混凝土表面温度和环境温度之差不应大于25℃；混凝土降温速率不宜大于3℃/d。5、温度监测频率升温、降温阶段前5d不应少于每2h/次；其后不应少于每4h/次；混凝土温度动态不正常时增加测温频率；当混凝土内部温度与外界气温之差连续24h小于25℃时可结束测温。5.2.6超大体积混凝土养护应尽早养护，以便超大体积混凝土有充足的养护时间。养护周期10～16d。采取塑料薄膜、麻袋覆盖结合循环出的温水养生的养护方案，同时通过温度监测，取得混凝土内温度在各龄期的变化数据，及时调整方案，实现动态养护，达到温控防裂的目的。5.3劳动力组织（见表5.3）表5.3劳动力组织情况表序号单项工程所需人数备注1管理技术人员5编制方案并实施协调2管工10冷却水管制安3钢筋工40钢筋制安4焊工4槽钢桁架制安、钢筋焊接5木工20模板制安6混凝土工36混凝土振捣7机操工6机械操作8杂工6合计127人6.材料与设备本工法涉及冷却水循环系统的材料见表6.1，机具设备见表6.2，其余材料、设备均为常规施工所用，不再赘述。表6.1材料表序号材料名称材料规格用途1主管DN100镀锌铁管组成冷却水管循环系统，对超大体积混凝土内部强制降温2支管DN20KBG薄壁金属管3主管与水泵连接管Φ100消防水龙带4主、支管连接管DN20镀锌管Φ20耐热塑料管表6.2机具设备表序号设备名称设备型号用途1切割机J3G2400水管加工2套丝机SQ-100B水管加工3电焊机BX3-300槽钢、水管焊接4水泵7.5Kw抽吸水，使之循环5电极5Kw第一次循环前冷水加热6高压注浆机TGB-HG停用后注浆封闭水管7热电偶电子测温计WDJ-8预埋混凝土中感应温度8数字万用表DT9204测量温度7.质量控制7.1工程质量控制标准7.1.1超大体积混凝土温控标准执行浙江省工程建设标准《大体积混凝土工程施工技术规程》（DB33/T1024－2005，J10655-2005），温控指标按表7.1.1执行。表7.1.1超大体积混凝土温控指标序号项目温控指标检验方法1混凝土浇筑温度不宜大于35℃；不