循环水冷却系统用于大体积混凝土裂缝控制应用研究.pdf

2 0 1 5年 第 1期 (总 第 3 0 3期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHNOLOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 1 0 4 0 循环水冷却系统用于大体积混凝土裂缝控制应用研究 余倩 ， 唐建伟 。胡计兰 ， 黄国舜 ( 1 广州军区空军工程建设局， 广东 广州 5 1 040 5； 2 武汉理工大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ； 3 浙江海天建设集团有限公司，浙江 金华 3 2 2 1 0 0 ) 摘要 ： 大体积混凝土施工是高层 、 超高层建筑基础施工的难点 ， 温度裂缝是其主要的质量通病之一。 基于工程实例， 介绍 了大 体积混凝土温度裂缝控制要点和施工工艺 ， 研究了循环水冷却降温方法及降温规律 ， 分析了不同通水方式冷却降温效果。 结果 表明， 通过循环水冷却和温度监测措施， 可有效降低混凝土温度升值和里表温差， 减小降温收缩应力， 避免混凝土有害裂缝的产生。 关键词 ： 大体积混凝土； 裂缝控制 ； 循环水冷却系统 ； 温度监测 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 1 5 8 0 3 R e s e a r c h o n t h e a p p l i c a t i o n o f c y c l ewa t e r c o ol i n g s y s t e m f o r c o n t r o l o f c r a c k i n g i n ma s s c o n c r e t e Y E T Q ， T A u G J i a n w e i ， HU J i l a n ， HU ANG Gu o s h u n ( 1 E n g i n e e r i n g Co n s t r u c ti o n Bu r e a u o f Ai r f o r c e Gu a n g z h o u Mi l i t o r y ， Gu a n g z h o u 5 1 0 4 0 5 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g a n d Ar c hi t e c t u r e， W u han Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y， W u h an 43 0 07 0， Ch i n a； 3 Z h e j i ang H a i ti an C o n s t r u c ti o n G r o u p C o ， L t d ， J i n h u a 3 2 2 1 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e r ma l c r a c k i s o n e o f c o m m o n q u a l i ty f a u l t s i n m a s s c o n c r e te， w h i c h i s a d i f fi c u l t y i n h i g l l r i s e b u i l d i n g f o u n d a ti o n c o n s tr u odo n e v e n in s u p e r h i g hri s e b u i l d i n g Ba s e d o n t h e p r o j e c t e x a mp l e ， i t i n t r o d u c e s the k e y p o i n t s o f the r ma l c r a c k c o n t r o l and c o n s t r u c ti o n t e c h n o l o g y i n ma s s c o n c r e te， res e a r c h e s c o o l ing me tho d s and c y c l ec o o fi n g r e g u l a r i ty， ana l y ses c o o l i n g e f f e c t s o f d i f f e r e n t wa t e rc i r c u l a tin g mo d e s Th e r e s u l t s s h o w tha t ， thr o u g h c y c l ewa t e r c o o fin g s y s t e m an d t e mp e r a t u r e mo nit o r me a s ur e s， the p e a 1 (va l u e o f ris i n g t e mp e r a t u r e a n d tempe r a t u r e d i f f e r e n c e of c e nt e r an d s u r f a c e c a I 1 b e e n r e d u c e d e f f e c ti v e l y M e an wh i l e， the d e c r e a se o f c o o l ing s h r i n k a g e s tre s s a v oi d s the g e n e rati o n ofh a r mf ul c r a c k s Ke y WO r d s： ma s s c o n c rete ； c rac k c o n tr o l ； c y c l ewa t e r C O O l i l l g s y s t e m ； t e mpe r a t u r e mo nit o r 高层 、 超 高 层建 筑 由于结 构 自重 和 上部 荷 载较 大 ， 为满足设计承载力的要求 ， 基础 承台通常截面尺寸较 大。 在施工过程中， 混凝土单位 时间 内浇筑量大 ， 积 聚水 化热 多 ， 产生的温度梯度易造成不均匀非线性收缩变形 。 一 旦边界受到约束作用， 此种变形难以自由释放， 当结构 温度应力 超过 混凝 土 的极 限抗 拉强 度则 会 产生 内部微 观、 表面宏观或结构贯通等有害裂缝 。 。 因此， 结构施工 过程中采 取有 效措 施 防止 混凝 土 温度 裂缝 的产 生 十分 必 要 。 1 工程 背景 某工程施工区域位于佛山市， 主体框架简体结构， 筏 板桩基础 ， 地下 3层。 结构最 大基 础承台长为 2 9 m， 宽 为 2 7 4 m， 厚度 3 6 m。 如 图 1 平 面所示 ， 承 台截面尺寸均 大 于 1 m， 且混凝土浇筑总量达 2 8 6 0 m。 ， 须按大体积混凝土 施工考虑 。 混凝土强度等级 C 3 5 ， 抗渗等级 P 8 ， 单位水 泥用量为 3 5 8 ， 养护时间 2 0 d 。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 - 0 7 - 0 2 1 5 8 。 卜 + ， i - i 盎 。I _ 1 年 。 - 1 ： ： 姆 、 J_ 1 l l L 一 l 囊 薹 莹 卜 十 ： 1 n 图 1 基础承台平面布置图 2 裂缝控制 2 1 裂缝控制要点 大体积混凝土温度裂缝控制是个复杂的过程， 其与 原材料、 配合比、 边界条件、 外界环境、 施工工艺等因素密 切相 。 实践表明， 采取有效措施可抑制温度裂缝的 产生 ： ( 1 ) 优选低水化热水泥， 掺加粉煤灰或矿渣降低水泥 用量 ； ( 2 ) 优化配合 比设计， 降低水灰 比及单位用水量； ( 3 ) 控制混凝土浇筑人模温度 ， 合理设置施工缝 ； ( 4 ) 人工 冷却降温， 温控信息化施工。 2 2 抗 裂计 算 根据施工规范要求 ， 大体积混凝 土施 工前须对混凝土 结构进行温度 裂缝验 算 j 。 混凝土 结构抗 裂条件 为 o r 矾 ( f ) ， 其中 ( t )= 丘( 1一 e 叫) ， C 3 5混凝土抗拉强 度标准值取允 = 2 2 N m m ， 系数因子取7= 0 3 。 掺合料 对混凝 土 强度影 响 系数取 A=1 0 3 ， 则 ( t ) K = 1 9 5 N m m ， 结构抗裂安全系数取 K= 1 1 5 。 由表 1计 算 结 果 可 知 ， 最 大 降 温 收缩 应 力 o r = 3 9 9 N m m 1 9 5 N m m 不满 足结构抗裂 条件。 若 混凝 土结构表面不采取保温养护措施 ， 内部不采取人工降温措 施 降低水化热 ， 则结构会 出现温度裂缝 。 表 1 混凝土温度裂缝参数计算表 3 循 环水冷却 降温 系统 3 1 循环冷却水管布设 目前， 工程施工中循环冷却水管主要使用聚乙烯塑料 管、 钢管或铝管。 综合考虑散热效率和经济效益， 本工程冷 却管选用 2钢管， 壁厚2 m m。 冷却管双层回旋形布置， 水平及垂直间距取 1 2 0 0 m m， 各温控 区管长为 2 0 6 m。 进 水 口通过流量控制阀与供水干管相连， 管口高度超出混凝 土承 台表面 1 0 c m。 平面布置如 图 2 所示 。 n 进 进 _ 一 1 r 水 _ - _ - - - _ _ - _ _ 水 昌 口 ： 5 6 口 0 厶 ： 号 厶 号 ： 测 出 出 测 昌， ， - j 水 水 温 口 口 区 r 进 l进 一 _ _ g ： 3 水 水 4 0 ： 号 口 口 号 o 。 出 厶： 测 厶 测 水 ： 温 温 出 g 口 ! 区 区 水 - - - _ _ _ _- 口 、- _ 1 进 进 一 _ 水 水 2 8 I 号 口 口 号 0 厶： 测 厶 测 o 。 出 ： 温 温 出 0 水 ! 区 区 水 0 口 _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 口 n 一 1 2 0 0 1 2 0 0X1 0 1 0 0 0 1 2 0 01 0 1 2 O ( L L L L 1 1 3 7 0 0 L 1 3 7 0 0 1 2 7 4 0 0 图2 回旋冷却水管平面布置图 水管接头采用丝扣套筒连接 ， 管路和钢筋绑 扎平行施 工 ， 与钢筋骨架连接固定。 施工中均不得搬移、 振动及损坏 管路， 保证循环通水的连续性。 混凝土浇筑前， 系统通水试 压 ， 管路密闭性 良好再进行下一道工序施工。 3 2 通水 降温方案及施工工 艺 通水方 式不 同则冷却 效 果不 同 。 设 定冷 却水 与 混凝土之 间温差 幅度不大于 2 2， 进 、 出 口水温差不大于 2 0 ， 忽略各温度测点因降温区位置不 同而产生 的差异 ， 分别选取 3 、 4和 5号控制区进行对比分析， 通水降温方案 及施工工艺分别如表 2和图3 所示。 表 2 典型降温区通水方案 园 团 一一 ! 一 i 水位标高线控制最小 蓄水养护深度 8 c m， 表 面多余温水经 外置导管引入循环蓄水池。 循环水经过多级沉淀 、 过滤、 冷 却后， 一部分进入下一次循环， 另一部分作为现场施工用水 分离。 当结构内部温度稳定受控时， 将高一强度等级微膨胀 细石混凝土高压注入降温冷却管 内进行封堵。 不 仅降低 了 施工成本， 符合绿色节能施工， 也保证了混凝土的施工质量。 台表面 、 中间和底 部位置竖 向各预埋一组 P N结温度传感 测控， 根据监测数据和温控指标限值适时调节冷却降温系 4 结果与分析 混凝土浇筑体在降温冷却过程中， 选取典型降温区 表 3温控指标和测温频率 1 5 9 图 4 降温管现场布设施工 ( 见 图 2 ) 表面、 中心 、 底部三处进行分析 ， 温度监测 曲线如 图 5 - 7所示 。 6 0 5O 、 4 0 赠 3 0 2 0 25 2 0 盍1 5 赠 10 5 O 养护时间 d 图 5 3号 温控 区温度 监测 曲线 0 5 1 0 1 5 2 0 养 护时 间 d 图6不同通水方式温度监测曲线 瓤 ： l 0 l 2 l 4 l O l ZU 22 2斗26 2 j0 2 0 l 2 年l 2 月 图 7 大气环境温度实测曲线 对 比抗裂理论计算和温度监测结果可以得到 ： ( 1 ) 大体积混凝土浇筑体降温按变化趋势可分为三个 阶段 ： 升温期、 降温期和稳定期。 混凝土浇筑完成后， 伴随 水化反应进行短期 内温度急剧上升 ， 然后浇筑体随时 间缓 慢 降温并逐渐趋于稳定 ， 结构温度场分布呈现 “ 内部高 ， 表 面低 ； 中间高， 边界低 ” 的特点 ， 如图 5 所示 。 由于混凝 土导 热系数小， 中心区易造成热量积聚， 故前期冷却应通过加 压设备适当调压增大通水速度， 加快内部热量的释放。 ( 2 ) 混凝土前期水化反应快升温高， 最大温度峰值介 于养护期 3 4 d出现。 混凝 土入模 温度 3 0 ， 最大绝热温 1 6 0 升为2 5 1 o C， 小于理论计算值 4 8 0 1 o C； 最大里表温差为 1 5 5， 小于 2 5的规范限值。 表 明循环水冷却降温削减 温度峰值效果 明显 ， 延 缓温升 速率。 降温过程 中， 结构表 面、 中心和底部平均降温速率分别 为 1 O 1 、 1 7 1 、 1 3 1 o C d ， 均满足不大于 2， d 要求， 避免因通水过度造成冷却管周 围产生应力集中现象。 ( 3 ) 在3号降温区基础之上， 当4号降温区冷却水流 速增大一倍 时( 见表 2 ) ， 混凝土温度峰值 由5 5 1 o C 下 降至 4 9 8， 温升幅值下降了9 6 2 ， 如图6所示。 在其他因素 不变的条件下 ， 增大管道冷 却水流速 ， 可使液体质 点不规 则运动状态加剧产生紊流效应 ， 增强水管的冷却效果。 ( 4 ) 与4号降温区相比， 5号降温区冷却管水流速度 为 1 2 m s 保持不变 ， 定期改变冷却水流 向。 对 比图 6曲线 可知其 降温幅度并不 明显 ， 但温度变化 曲线 相对平 滑 ， 混 凝土 内部降温趋于均衡。 若单一 以温控 区混凝 土平均降温 幅值为评价指标 ， 通过定期改变通水方 向方式 以增强冷却 效果并不理想。 然而， 由于沿着冷却管线程方向， 冷却水不 断吸收水化热 、 水温逐渐升高 ， 进 、 出水 口区域混凝土存在 温度梯度， 定期改变水流方向均衡降温可减少因结构内部 存在温度梯度而产生 的应力。 ( 5 ) 循环水冷却降温期 间， 周围环境 日最高气温和最低 气温监测数据如图 7所示。 混凝土养护期 间因寒流影响周 围环境气温波动较大， 最低气温为 4 ， 最高温度 为 l 4 ， 日 平均最大温差达到 1 0， 此时须及时采取草垫保温覆盖、 薄膜包裹保湿及加强覆肇a l L l 3 h 风等措施 ， 减少表面热量的散失。 5 结 论 高层建筑大体积混凝 土基础 施工是个 复杂 的控 制过 程， 结合循环冷却系统和温度监测措施可实现混凝土“ 小温 差 、 缓降温” ， 冷却水流量增大则温升峰值削弱显著 ， 定期改 变通水流向可达到均衡降温效果 ， 有效避免不利裂缝的产生。 参考文献 ： 1 杨嗣信， 侯君伟 高层建筑施工手册 M 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 1 E 2 3王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 7 E 3 - 1朱伯芳 大体积混凝土温度应力与温度控制 M 北京： 中国水 利水电出版社 ， 2 0 1 2 F 4 A C I C o m m i t t e e 2 2 4 ， C o n t r o l o f c r a c k i n g i n c o n c r e t e s ma c t u r e s F S Ame ric a n Co n c r e t e I ns ti t u t e， 2 0 01， M a y 1 6 E s 龚剑， 李宏伟 大体积混凝土施工中的裂缝控 lJ J 1 施工技术， 2 0 1 2 ， 4 1 ( 3 ) ： 2 8 3 2 6 G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ， 大体积混凝土施工规范 s 北京 ， 2 0 0 9 7 谭恺炎， 段绍辉 ， 等 大体 积混凝土 温度与冷却 通水参数 关 系 J 武汉大学学报， 2 0 1 3 ， 4 6 ( 6 ) ： 6 9 1 6 9 5 8 陈伟， 张燎军 ， 等 大型泵站混凝土底 板冷却水管布置方案研 究I- J 水电能源科学， 2 0 1 2 ， 3 0 ( 1 ) ： 1 7 0 1 7 3 作者简介： 联系地址： 联系电话： 余倩( 1 9 8 6一) ， 男， 硕士， 工程师， 研究方向： 主要从事 防护结构研究、 施工技术及工程管理。 广州市白云区白云大道南 6 1 6号( 5 1 040 5 ) 1 8 6 2 O7 3 5 2 8 7