高温地区大体积混凝土温控及防裂措施研究

郭振亮，李凤林

（中交天航港湾工程建设有限公司，天津 300450）

高温地区大体积混凝土温控及防裂措施研究

郭振亮，李凤林

（中交天航港湾工程建设有限公司，天津 300450）

选取5块2.5m×2.5m×1.3m的大体积混凝土试块分别模拟5种高温地区施工工况，并采用光纤光栅传感器对其温度进行长期监测，获取了不同施工工况下混凝土内部的温度分布规律。试验表明：拌和水加冰、夜间施工、分层施工和调整混凝土配合比影响混凝土温度程度不同，并根据试验结果提出防裂措施。

大体积混凝土；温度裂缝；光纤光栅传感器；防裂措施

大体积混凝土是指结构物实体最小尺寸不小于1 m的大体量混凝土，其特点是体积厚大，能满足现代建筑大体积、大跨度发展的需要，但也由此带来了一些问题，譬如大体积混凝土表面温度裂缝[1]等。大体积混凝土浇筑完成后水泥水化产生大量的水化热，由于混凝土材料是热的不良导体，热量在混凝土内部聚集，而表面因为与外界环境接触热量消散相对较快，这就导致了大体积混凝土内外产生温差。此温差导致混凝土内胀外缩引起表面出现拉应力，当拉应力超过抗拉强度时混凝土表面发生开裂。在南方高温地区由于平均气温较高，混凝土水化热释放速度快，大体积混凝土温度裂缝问题更为突出。温度裂缝的出现会降低混凝土的耐久性，如抗冻融、抗疲劳及抗渗透能力等，尤其对于长期服役于海洋环境的的港工结构，氯离子会沿着裂缝快速侵蚀到混凝土内部，从而导致保护层剥落、露筋、钢筋锈胀等现象出现，严重影响构件的承载力，给码头安全运营带来严重隐患。本文选取了5块大体积混凝土试块模拟5种施工工况，并采用光纤Bragg光栅（FBG）传感器对混凝土试块内部温度进行长期监测，获取不同施工工况下混凝土内部的温度分布规律，以检验不同施工方法对温度的控制效果，并由此提出高温地区大体积混凝土的防裂措施。

1 工程概况

某国际邮轮港二期工程位于海南省三亚市，本地区的年平均气温为25.7℃，月平均气温最高的月份为6月份，月平均气温28.7℃。该码头主要结构形式为沉箱重力式，上部结构为现浇L型胸墙，属于大体积混凝土结构，水泥品牌为海岛昌江，混凝土设计强度为C35。在高温高湿条件下，采取何种技术措施能确保大体积混凝土的施工质量、减少温度裂缝的产生显得尤为重要，目前工程中一般从原材料、施工工艺和散热降温等方面采取相应的技术措施来保证大体积混凝土的实际温差在允许温差范围内，从而有效控制温度应力的变化及温度裂缝的产生。但这些措施是否适用于三亚这种高温高湿地区的大体积混凝土施工，目前尚不清楚。

2 大体积混凝土试验监测

2.1 试验方案设计

内外温差是造成大体积混凝土表面开裂的主要原因之一[2]。大体积混凝土浇筑后，由于体积大热量不易消散，内部温度远比表面高，易形成较高的内外温差而导致混凝土表面开裂，影响混凝土浇筑的质量乃至整个结构的安全。因此需对高温条件下进行现浇胸墙结构施工的施工方法及温度控制策略进行系统研究，防止混凝土开裂的发生。要控制大体积混凝土温差，主要考虑三个特征温度：混凝土浇筑温度Tp（此为混凝土的起始温度）；混凝土最高温Tm(Tm= Tp+ Tr,Tr为水化热温升)；最终稳定温度Tf。最终稳定温度Tf取决于当地气候条件和结构型式，因此一般很难用人工方法进行控制，故只能采用降低浇筑温度Tp和水化热温升Tr这两条途径来控制大体积混凝土的内外温差[3]。浇筑温度Tp取决于拌合料的温度，可采用在混凝土搅拌过程中降低拌和料温度或在周围环境温度较低的时间进行浇筑的方法，如拌合水加冰、夜间施工等。水化热温升Tr取决于混凝土的单位水泥用量、水泥水化热、水泥放热速率等，其关系为：

式中：C0为单位水泥用量，kg/m3；H0为水泥的水化热，J/kg；ρc为混凝土表观密度，kg/m3；Cc为混凝土的比热，kg/m3.℃； a为试验常数，与水泥的放热速率有关。

因此在配制大体积混凝土时，可选用水化热低、放热速率慢的水泥，并尽可能减少混凝土中的水泥用量。以此来减少水泥的水化放热总量，延缓水泥水化放热速率从而保证混凝土内部的温度有足够的时间散发，降低内外温差[4]。如调整配合比、分层施工等。采用光纤光栅传感技术从混凝土浇筑到固结整个试验过程进行长期的跟踪监测，获取不同施工工况下的混凝土内部温度分布规律，通过试验数据结果评价各个施工工况的优劣。为此选取了5块2.5 m×2.5 m×1.3 m的大体积混凝土方块为监测对象，分别模拟常规施工工况（试块B1）、拌合水加冰施工工况（试块B2）、夜间施工工况（试块B3）、分层施工工况（试块B4）和调整混凝土配合比施工工况（试块B5）。其中试块B1～B4混凝土配合比一致（水胶比0.40），具体详见表1；试块B5降低混凝土配合比（水胶比为 0.38），具体详见表2。

表1 B1～B4混凝土配合比设计Tab.1 Concrete mix proportion of B1-B4

表2 B5混凝土配合比设计Tab.2 Concrete mix proportion of B5

2.2 光纤光栅监测系统

海港码头构件所处的海洋环境具有涉水性和强腐蚀性的特点。传统的电类传感器在强腐蚀性的海水环境中不易成活，其适用性受到限制。基于光纤（Bragg）光栅（FBG）传感器因其具有体积小、精度高、抗电磁干扰强、防水性强、耐腐蚀强、耐久性好等优点，正逐渐取代传统的电类传感器，广泛应用于建筑、桥梁、水坝、海洋平台及码头等土木工程结构监测中。

光纤（Bragg）光栅（FBG）是光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈永久性、周期性变化的一种光栅[5]。由于光纤纤芯折射率周期变化造成光纤波导条件的变化，从而使一定波长的光波发生相应的模式藕合，使得其透射光谱和反射光谱在该波长处出现奇异性，在纤芯内形成一个窄带的透射或反射的滤波器。当具有一定带宽的入射光沿光纤光栅传播时，峰值波长满足λB= neffΛ（neff为光纤纤芯有效折射率，Λ为光纤光栅长度周期）条件的光被反射，其余波长的光透过光纤光栅[6-7]。光纤光栅传感器工作原理见图1。当光纤光栅的周围环境如应变、温度等条件发生变化时，会引起光纤纤芯有效折射率neff和光纤光栅长度周期Λ发生改变，从而引起中心波长值λB发生偏移。通过对由环境改变引起的λB偏移量的测量得到被测参数。假设温度与应变导致的中心波长是相互独立的，温度与应变共同产生的中心波长偏移ΔλB为

式中：Δε为应变的变化；ΔT为温度的变化；ρα为光纤的光弹系数；ξ为光纤的热光系数。当Δε = 0时，通过分析可得出ΔλB= λB(1+ξ)ΔT，通过测得中心波长偏移量ΔλB即可得出大体积混凝土温度的变化。

本文采用光纤光栅监测系统主要由以下部分组成：光纤光栅温度传感器、光纤光栅解调仪、光缆、3G发射模块、采集分析软件、工控机及相关配件组成。该系统可实现24 h全天候在线监测，数据采样频率1.0 Hz、数据无线传输，可从云端自动获取数据，可通过电脑、手机、ipad等终端设备实时查看混凝土内部的温度状态，并可实现监测数据的处理分析。

由于光纤光栅传感器必须在混凝土浇筑前埋入结构内部，裸光纤光栅直径小且脆弱，很容易折断，在施工扰动条件下很难成活。为保证传感器成活率，试验用光纤光栅传感器采用金属套筒进行封装，并按规范规定进行浸泡试验后沿混凝土浇筑体厚度方向绑扎固定在钢筋上。为真实的反映大体积混凝土内部最高温升、内外温差、降温速率及环境温度，在混凝土浇筑前在每个大体积混凝土试件距顶面50 mm、距底面50 mm及块体中间位置设置了3个温度测点，并在混凝土浇筑现场附近设置环境温度监测点测量环境温度。温度测点布置示意图和温度传感器安装图分别见图2和图3所示。

图1 光纤光栅传感器工作原理示意图Fig.1 Working principle of fiber grating sensor

图2 温度测点布置示意图Fig.2 Layout of temperature measuring points

图3 温度传感器安装图Fig.3 Installation drawing of fiber grating sensor

3 试验结果分析

光纤光栅温度传感器安装完成后进行混凝土浇筑，温度采集从混凝土浇筑到养护整个过程，采集频率为1 Hz，足以实现监测整个过程中的各种细微变化。监测过程中环境温度为26.2℃～40.6℃。各试块具体浇筑时间为：试块B1于2016年6月18日16：50浇筑；试块B2于 2016年6月21日11：10浇筑；试块B3于 2016年6月20日21：30浇筑；试块B4分两层浇筑，第1层2016年6月18日17：30浇筑，厚度为0.65m，第2层待第1层浇筑完毕53分钟后开始浇筑；试块B5于2016年6月18日17：30浇筑。大体积混凝土试块浇筑完成后，用矿棉毡整体覆盖并浇水养护。由于混凝土养护后期温度与气温接近且变化较小，因此只对前16 d的监测数据进行统计分析。统计出各混凝土试块入模温度、核心区最高温度及达到最高温所需时间、最大降温速率、最大温升、最大内外温差和表面与环境温度差，详见表3。根据温度测试结果绘制各试块测点的温度变化曲线见图4～图8。

表3 大体积混凝土试块温度统计表Tab.3 Statistics of mass concrete temperature

根据《大体积混凝土施工规范》（GB50496-2012）的规定：最大温升是指混凝土浇筑体在入模温度基础上的最大温升值，最大不宜超过50℃；内外温差是指混凝土浇筑块体不含混凝土收缩当量温度的混凝土核心区与表面的温差，最大不宜超过25℃。降温速率是指混凝土浇筑体达到温升峰值后，单位时间内温度下降的值，不宜大于2.0℃/d。混凝土浇筑体的表面温度与环境温差不宜大于20℃。

根据统计数据和温度变化图可知，常规施工工况（B1）的入模温度最高为39.1℃，拌和水加冰工况（B2）的入模温度最低为33.7℃。由于入模温度较高，常规施工水化反应速度快，易在核心区形成高温。因此常规施工工况的核心区最高温度（83.8℃）、最高温升（44.7℃）和最大内外温差（30.1℃）是所有施工工况中最高的。其中常规施工工况最大内外温差超出了规范规定的最大温差限值25℃，故很多混凝土表面可能会出现裂缝现象，必须采取措施进行处理。而拌和水加冰工况入模温度最低，水化热反应速度慢，因此核心区最高温度（68.5℃）、最大温升（34.8℃）和最大内外温差（19.7℃）都是所有施工工况中最高的，且从混凝土浇筑到核心区达到最大温度的时间也最长。

夜间施工时周围环境温度相对较低，能降低混凝土的水化反应速度。试块B3～B5都为夜间施工，三种施工工况的入模温度相差无几，但试块B3混凝土浇筑时间最晚，周围环境的温度最低，因此核心区混凝土最高温度为73.4℃，最大温升为35.8℃，是这三种工况中最低的，达到最高温度的时间也是三者中最长的。试块B4采用分层施工，虽然核心区最高温度和最高温升都比B3高，但其最大内外温差为20.4℃，是三种工况中最低的。由此可见，分层施工能有效降低混凝土内外最大温差。

图4 试块B1温度变化曲线Fig.4 Temperature variation curve of B1

图5 试块B2温度变化曲线Fig.5 Temperature variation curve of B2

图6 试块B3温度变化曲线Fig.6 Temperature variation curve of B3

图7 试块B4温度变化曲线Fig.7 Temperature variation curve of B4

图8 试块B5温度变化曲线Fig.8 Temperature variation curve of B5

试块B5降低了混凝土配合比，将水胶比降为0.38，但其核心区最高温度为77.4℃、最大温升为39.6℃、最大内外温差为24.0℃，仅次于常规施工工况。且该工况达到最高温度的时间为22 h，是所有工况中最快的。

根据温度变化曲线可知，混凝土试块底面温度达到最高温度的时间比核心区和表面达到最高温的时间长，且底面温度消散的速度也是三个测点中最慢的。混凝土试块表面最高温度受入模温度、水化热温升和环境温度共同影响。

各混凝土试块最大降温速率均超过2.0℃/d，混凝土表面与环境的温差中常规施工工况、夜间施工工况和分层施工工况均超过限值20℃。这与后期养护过程中保温措施相关。

4 结论

（1）拌和水加冰能有效降低混凝土入模温度，从而明显降低试块核心区最高温度、最大温升、最大内外温差等各项指标。从温度控制角度考虑，该施工方法效果最明显，可采用降低沙石骨料温度等方法进一步降低混凝土入模温度，最大可能的减少裂缝产生。但由于三亚地区在高温季节气温较高，要进一步降低混凝土入模温度势必大大增加建设成本。

（2）夜间施工和分层施工能有效延缓水泥放热过程，降低混凝土核心区的温度及最大温升，二者可以搭配同时采用，都能起到降低混凝土核心区最高温度、最大温升和最大内外温差，减少温度裂缝产生的效果。

（3）降低混凝土配合比的温控效果相对较差，且水胶比降低后，水化反应速度加快，混凝土核心区达到最高温度时间减少。

（4）各混凝土试块最大降温速率、混凝土表面与环境温差均较大，特别是最大降温速率均超出限值，因此在后期大规模浇筑胸墙时必须加强后期养护过程中的保温措施。

[1] 朱伯芳. 大体积混凝土温度应力与温度控制[M]. 北京：中国电力出版社，1999.

[2] 叶琳昌, 沈义. 大体积混凝土施工[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1987.

[3] Abi fadel Nassin, Johnson Danical. Evolution of Temperature for Roller Concrete Dams: Case Study Stagecoach Dam. Dam[J]. Engineering, 1992(3): 20-25.

[4] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M]. 北京: 中国建筑工业出版社,1997.

[5] 赵鸣，何涛，李杰. 光纤光栅传感器在大体积混凝土基础温度监测中的应用[J]. 实验力学, 2005, 20(1):23-29. ZHAO M, HE T, LI J. The Application of the Fiber Bragg Grating Sensors in the Temperature Monitoring of the Large Volume Concrete Foundation [J].Journal of Experimental Mechanics,2005,20(1):23-29.

[6] 王一平，唐剑，尹国路，等. 光纤光栅制作方法及传感应用[J]. 振动、测试与诊断, 2015,35(5):809-816. WANG Y P, TANG J, YIN G L, et al. The fabrication and application of Fiber Bragg Grating Sensors [J]. Journal of Vibration, Measurement & Diagnosis, 2015,35(5).809-916.

[7] 万忠刚，李凤林. 高温地区大体积混凝土固化过程中温度场的模拟分析及试验验证[J]. 水道港口，2017（2）：173-180. WAN Z G，LI F L. Numerical analysis and test verification of temperature field of mass concrete located in high temperature area[J]. Journal of Waterway and Harbor, 2017(2):173-180.

Research of mass concrete temperature control and crack prevention measure in high temperature area

GUO Zhen-liang, LI Feng-lin
(CCCC TDC Harbor Engineering Co., Ltd., Tianjin 300450, China)

In this paper, fi ve mass concrete blocks with size of 2.5m×2.5m×1.3m were selected to simulate fi ve working conditions in high temperature area. Fiber bragg grating sensor was used for long-term monitoring of concrete temperature, and the temperature distribution regularities inside the concrete under different working conditions were obtained. The results show that mixing water with ice, constructing in night, changing mix proportion and layered construction can impact the temperature of concrete to varying degrees. In the end, the crack prevention measure was proposed.

mass concrete; temperature crack; FBG sensor; crack prevention measure

TU 755

A

1005-8443(2017)03-0281-05

2017-03-27；

2017-06-08

郭振亮（1981-），男，天津市人，工程师，主要从事水运工程施工及管理工作。Biography:GUO Zhen-liang(1981-),male,engineer.