大体积混凝土温控制测温技术汪虎二等奖.docx
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大体积混凝土温控制测温技术汪虎二等奖
大体积混凝土温度控制和测温技术
作者：
汪虎
申报单位：
福清核电工程部质量管理部
提交日期：
2011年11月3日
大体积混凝土温度控制和测温技术
【摘要】本文主要结合福清核电3、4号机组8NL厂房底板施工实例，介绍了大体积混凝土测温系统的布置,对测温结果进行了分析,以掌握大体积混凝土的温升规律,为大体积混凝土施工提供科学依据,从而提高大体积混凝土的工程质量。
【关键词】大体积混凝土温度控制裂缝技术措施养护
0.引言
建筑工程中，大体积混凝土是指混凝土结构物中实体最小尺寸≥1m部位所用的混凝土，其主要的特点为结构截面大、混凝土用量多，内部热量不易散发。
目前我国在大体积混凝土裂缝控制方面的研究日趋成熟，其中以王铁梦教授和吴伟中院士的温度应力控制理论和变形控制理论为先导，此理论主要内容为：
混凝土一般在浇筑后的二至三天内，其间混凝土弹性模量低、基本处于塑性与弹塑性状态，约束应力很低，当水化热温升至峰值后，水化热能耗尽，继续散热引起温度下降，随着时间逐渐衰减，延续十余天至三十余天。
混凝土降温阶段，弹性模量迅速增加，约束拉应力也随时间增加，在某时刻如超过混凝土抗拉强度便出现贯穿性裂缝。
为了准确了解大体积混凝土内部由于水化热引起的温度升降规律，掌握基础混凝土中心与表面、表面与大气温度间的温度变化情况，以便采取必要的措施，需对混凝土进行温度监测，从而提高大体积混凝土的工程质量。
该工程属于核电站核岛厂房，结构都涉及核安全，必须防止大体积混凝土出现有害裂缝，为控制混凝土的裂缝，根据温度应力控制理论和变形控制理论，需要对浇筑的混凝土进行测温监控，通过对混凝土内外温度变化情况及时采取有效方法控制混凝土内外温差，防止混凝土出现有害裂缝。
1.工程简况
8NL厂房包括8LX和8NA、8NB，基础为大体积现浇钢筋混凝土结构，工程质保等级为QAⅠ级。
底板厚为3m，底板平面呈矩形状尺寸为46m×37.25m，混凝土设计强度为RS28，混凝土总方量约5100m3。
该筏基分两块施工第一块平面尺寸为46m×22m，混凝土方量3000m3；第二块平面尺寸为46m×15.25m，混凝土方量2100m3。
该地区属于沿海地区，气候特点就台风季节比较多的地方，风速年平均10.2m/s、极大风速34m/s。
因此，如何养护好大体积混凝土，减少混凝土内外温差，预防混凝土开裂，是筏基施工中的重点。
2.大体积混凝土温度裂缝产生的原因
大体积混凝土出现的裂缝，按其开裂深度的不同一般可分为表层裂缝和贯穿性裂缝。
2.1表层气温差
大体积混凝土在施工阶段，气温的变化对混凝土的水化热有较大影响。
外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高，同时混凝土的绝热温升越高，混凝土的浇筑温度也越高，同时混凝土的绝热温升越高。
而外界气温下降，特别是温度的聚降，会在混凝土表面引起急剧的降温，在表层形成很陡的温度梯度。
从而引起很大的温度应力，使混凝土产生表面裂缝。
如图1（a）所示。
2.2内表温差
水泥水化产生大量的水化热，使混凝土内部温度升高热量较难散发，外部表面热量散发较快，内部和外部热胀冷缩过程相应会在混凝土表面产生拉应力。
温差大到一定程度，混凝土表面拉应力超过当时的混凝土极限抗拉强度时，在混凝土表面会产生有害裂缝，有时甚至贯穿裂缝。
另外，混凝土硬化后随温度降低产生收缩，由于受到地基约束，会产生很大外约束力，当超过当时的混凝土极限抗拉强度时，也会产生裂缝。
如图1（b）所示。
3.大体积混凝土温度控制理论分析
大体积混凝土温度控制是确保大体积混凝土不产生微裂缝的主要因素，它必须由混凝土配合比设计、温度控制计算、混凝土测温以及混凝土的覆盖保温、养护等技术手段和措施才能实现。
在绝热条件下，混凝土的最高温度是浇筑温度与水泥水化热温度的总和。
但在实际施工中，混凝土与外界环境之间存在热量交换，故混凝土内部最高温度由浇筑温度、水泥水化热温度和混凝土在浇筑过程中散热温度三部分组成，如下图所示。
在施工中，我们主要控制的是混凝土内部温度和表面温度的差值、混凝土表面与环境温度的差值，使二种温度差值满足规范的要求，即通过合理措施有效地控制或降低混凝土的损益温度、绝热温升、浇筑温度，确保混凝土内外温度差≤25℃。
经过对混凝土温度组成因素进行理论上分析，影响混凝土温度控制的主要因素如下：
1、混凝土绝对温升是指水泥水化热，选择适当品种水泥，以控制水泥水化热能，可有效控制混凝土绝对温升。
2、合理有效的保温措施可以降低混凝土的内外温度差值，达到设计温差要求，是大体积混凝土温度控制的关键因素之一。
3、环境温度过低，增加混凝土拌和温度，从而能有效地控制混凝土入模温度，是大体积混凝土温控关键因素之一。
3.大体积混凝土内部温度的计算
为了准确掌握混凝土内部温度的变化情况，给混凝土养护提供可靠的依据，首先要对混凝土内部温度进行计算，计算出混凝土中心温度理论值。
在绝热条件下，混凝土内部温度可以看作是混凝土的浇筑温度与水泥水化温升的总和。
但混凝土浇筑后，水泥水化热不断散发，并非绝热状态，因此混凝土内部温度只能用假定法来计算。
假若混凝土的板厚远比平面尺寸小，它的热能只能从表面传导，从四周视为绝热状态，底板内有内热源，边界温度为零，下面以8NL厂房为例，计算混凝土内部温度。
该温度计算书以8NL厂房底板为验算对象，其厚度为3.0m,尺寸为46m×37.25m（以38m计算）。
相对其它底板而言具有代表性。
混凝土强度等级为RS28（配合比编号FQHD0008），水泥采用p.o42.5核电专用水泥，水泥用量mc=308kg/m3，外加剂用量为5kg/m3，粉煤灰用量为76kg/m3，混凝土比热C=0.97KJ/kgk，混凝土容重为ρ=2400kg/m3，混凝土浇筑入模温度小于等于30℃，且计算时按最不利取值。
取TO=30℃。
底板施工处于夏季施工期间，其平均气温大约为28℃。
3.1计算混凝土的绝热温升值
①水泥的水化热：
②胶凝材料水化热总量：
式中Q—胶凝材料水化热总量（kJ/kg）；
K—不同掺量掺合料水化热调整系数。
本次计算取0.95
不同掺量掺合料水化热调整系数
掺量
0
10℅
20℅
30℅
40℅
粉煤灰（k1）
1
0.96
0.95
0.93
0.82
矿渣粉（k2）
1
1
0.93
0.92
0.84
T（t）＝WQ·（1－e-mt）/c·ρ
式中：
T（t）—浇筑完一段时间后，混凝土的绝热温升（℃）；
W—混凝土中水泥（包括外加剂、掺合料）用量（kg/m3）；
e—为常数，取2.718；
t—混凝土的龄期（d）；
ρ—混凝土密度、取2400~2500（kg/m3）；
c—混凝土比热、取0.92~1.0［kJ/（kg·℃）］；
m—与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，可取（0.3~0.5）d-1；
以上参数取自GB50496-2009
T（t）＝WQ·（1－e-mt）/c·ρ
＝（308+5+76）×336×0.95（1－e-mt）/0.96×2400＝53.8（1－e-mt）℃
T1=53.8×0.333=17.9℃
T3=53.8×0.704=37.8℃
T6=53.8×0.913=49.1℃
T9=53.8×0.974=52.4℃
T12=53.8×0.992=53.3℃
T15=53.8×0.998=53.6℃
T18=53.8×0.999=53.7℃
T21=53.8×0.999=53.7℃
T24=53.8×0.999=53.7℃
T27=53.8×0.999=53.7℃
3.2计算各龄期混凝土的内部温度（中心温度）
T1（t）＝To＋Tmax·ξ（t）
式中T1（t）—t龄期混凝土中心最高温度（℃）；
To—混凝土浇筑的入模温度（℃）；
Tmax—最大绝热温升；
ξ（t）——t龄期温降系数，ξ（3）=0.74，ξ（6）=0.73，ξ（9）=0.72，ξ（12）=0.65，ξ（15）=0.55，ξ（18）=0.46，ξ（21）=0.37，ξ（24）=0.30，ξ（27）=0.25；
以上参数取自《建筑施工手册（第四版）》
T1（3）＝To＋T（t）·ξ（t）=30＋53.8×0.74=69.8℃
T1（6）=69.2℃
T1（9）=68.7℃
T1（12）=64.9℃
T1（15）=59.6℃
T1（18）=54.7℃
T1（21）=49.9℃
T1（24）=46.1℃
T1（27）=43.5℃
3.3计算各龄期混凝土的表层温度
混凝土表面铺2层湿麻袋片（厚10mm），2层塑料薄膜，厚0.12×2=0.24mm，其上在铺4层麻袋片，厚20mm（每层厚5mm），考虑浇水养护，水层厚1mm。
3.3.1混凝土表面保温层的传热系数
β＝1/[Σδi/λi＋1/βq]
式中
β——混凝土表面模板及保温层等的传热系数[W/（m2·K）]；
δi——各保温材料厚度（m）；
λi——各保温材料导热系数[W/（m·K）]；
βq——空气层的传热系数，取23[W/（m2·K）]。
β＝1/[Σδi/δi＋1/βq]＝1/（0.0024/0.04＋0.03/0.14＋0.001/0.58＋1/23）＝3.13W/（m2·K
3.3.2混凝土的虚厚度：
h'＝k·λ/β
式中
——混凝土虚厚度（m）；
k——折减系数，取2/3；
λ——混凝土导热系数，取2.33W/（m2·K）；
β——混凝土表面模板及保温层等的传热系数[W/（m2·K）]；
h'＝k·λ/β
＝（2/3）×2.33÷3.13
＝0.5m
3.3.3混凝土的计算厚度：
H＝h＋2h'
式中
H——混凝土计算厚度（m）；
h——混凝土实际厚度（m）；
——混凝土虚厚度（m）；
H＝h＋2h'
=3.0+2×0.5
=4m
3.3.4混凝土的表层温度：
T2（t）＝Tq＋4·h'（H－h'）[T1（t）－Tq]/H2
式中T2（t）—混凝土表面温度（℃）；
Ta—施工期大气平均温度（℃）；
—混凝土虚厚度（m）；
H—混凝土计算厚度（m）；
T1（t）—混凝土中心最高温度（℃）。
T2（3）＝Tq＋4·h'（H－h'）[T1（t）－Tq]/H2
=28+4×0.5×（4－0.5）×（69.8－28）/42
=46.2℃
T2（6）=46.0℃
T2（9）=45.8℃
T2（12）=44.1℃
T2（15）=41.8℃
T2（18）=39.6℃
T2（21）=37.5℃
T2（24）=35.9℃
T2（27）=34.7℃
3.4计算各龄期混凝土的内外温差
△Tt=T1（t）－T2（t）
式中△T—混凝土内外温差（℃）；
T1（t）—混凝土内部中心最高温度（℃）；
T2（t）—混凝土表面温度（℃）；
△T3=T1（3）－T2（3）=69.8－46.2=23.6℃
△T6=T1（6）－T2（6）=69.2－46.0=23.2℃
△T9=T1（9）－T2（9）=68.7－45.8=22.9℃
△T12=T1（12）－T2（12）=64.9－44.1=20.8℃
△T15=T1（15）－T2（15）=59.6－41.8=17.8℃
△T18=T1（18）－T2（18）=54.7－39.6=15.1℃
△T21=T1（21）－T2（21）=49.9－37.5=12.4℃
△T24=T1（24）－T2（24）=46.1－35.9=10.2℃
△T24=T1（27）－T2（27）=43.5－34.7=8.8℃
4.大体积混凝土温度测设技术
4.1大体积混凝土测温技术简述
温度是确定物质状态的重要参数，大体积混凝土温度的监测目的一方面是掌握结构每个不同部位的测点连续的、单值的温度变化的数字，另一方面是了解和掌握混凝土内部温度场的变化值，依据这些情况以便及时的采取合理的结构保温措施，减少混凝土表面温度的散失，确保混凝土内外温度差值控制在规范要求的≤25℃，防止因混凝土内外温差过大而导致产生温度应力应变裂缝的产生和发展。
在大体积混凝土工程中，需要进行温度控制和监测的工程很多，例如混凝土各组成材料的原始温度，混凝土的拌和温度、入模温度和浇筑温度等，以及为了正确掌握混凝土结构或试件的热性能，在混凝土中进行水化热温度的测定。
了解混凝土浇筑后温度场的变化情况，对于大体积混凝土施工是很必要的，因为通过混凝土浇筑后温度的测定可以了解混凝土温度变化情况、混凝土温度差值是否满足设计要求，进而确定混凝土施工质量。
这种温度测定的监测范围较广，测温的精度要求比较高，从某种意义上说，混凝土入模后温度变化是否具有真实性和代表性，主要取决于温度检测手段的可靠性和正确性。
4.2测温方案及测点布置
4.2.1测温方案
大体积混凝土测温系统主要有：
（1）光纤分布式测温系统；
（2）热电偶式温度计和数控电阻传感器等。
本工程混凝土测温系统采用JDC-2型测温仪和测温线配套使用，其原理是利用热电效应的关系量测测体温度，具有测量精度高、测点布设方便等特点，能够满足大体积混凝土温度测设要求，它是通过预埋固定在混凝土内的测温导线，导线一头伸出混凝土结构外侧，再通过配套的显示仪表读测数据。
该测温系统具有较高的精度，测温成本较低，测温技术成熟，广泛应用于国内大体积混凝土测温技术中，JDC-2型混凝土测温仪主要技术指标：
（1）测温范围：
-30℃～+150℃；
（2）测温误差不大于0.3℃；（3）分辨率：
0.1℃；（4）操作环境温度:
-20℃～+50℃；（5）绝缘电阻应大于500M
。
混凝土浇筑过程中，应检查引出测温导线是否正常，并加保护和标识。
测温时按测温点编号顺序进行，读数准确，快速，并记入测温记录，同时将测温点用保温材料原样覆盖好。
4.2.1测温点布置
为了全面反映、了解大体积混凝温度场的变化情况，应根据结构物的具体情况埋设测温点，测温点的位置必须具有代表性。
8NL厂房整个底板共布置12个测温组，每组基本设3个测温点上、中、下，另外在空气，麻袋中各埋设测点测量环境温度、麻袋内温度。
上下测点均位于混凝土表面5厘M处、麻袋内测点位于麻袋下混凝土上、空气测点位于混凝土表面以上1.5M左右的空气中。
测温布置图如图所示：
4.3测温方案实施
大体积混凝土的温度变化过程可以分为：
升温高温降温趋于环境温度及撤除保温措施，我们采取混凝土表面蓄热保温法，通过测温系统跟踪监测，把底板混凝土中心和上表面温度差控制在设计要求的25℃以内，降温速度不大于2C/d，混凝土表面温度与大气温差控制在20℃以内。
在混凝土浇筑完后混凝土表面可以上人，表面先铺一层湿麻袋一层塑料薄膜共铺两层；然后通过温度监测情况进行适当加盖麻袋、塑料薄膜层数。
一般在底板混凝土升温时保温层不应盖得太厚，注意保持湿润。
保温的关键时间是在混凝土降温阶段，一般情况是3～5天后开始降温，在混凝土最高温度后十天左右，此降温阶段要加强混凝土的养护、保证保温层的厚度，加强温度监控，逐步增加保温层厚度，最后采用两层塑料薄膜和两层麻袋就可以把底板混凝土内外温差控制在25℃以内，如遇温度突变根据所测温度确定再增加保温层，根据温差大小逐步撤除保温层。
实际保温期为12～15天左右。
在混凝土养护及测温，我们专门组织成立“混凝土养护小组及测温小组”，及时准确撑握混凝土内部温度、表面温度及内外温差实际变化情况。
具体混凝土养护组织机构图请见下图：
混凝土养护组织机构图
测温人员，每测完一次立即向有关方面（技术部门、质量部门）报告温度场情况和温度变化趋势，着重报告混凝土中心和表面、表面和环境温度之间的最大温差、混凝土降温的最大速度，测温中如发现混凝土温度指标不符合规定要求，由技术员报告上级领导以及技术部，最后根据测温结果由值班技术员制定出应急措施并下达指令。
4.4测温数据的整理统计及分析
第一块底板施工，混凝土一次性浇筑完，共3000m3，浇筑时间20h（结束时间2010年6月12日02:
00）。
当时白天最高气温27℃，混凝土入模温度最高时为22℃。
通过现场实测数据分析，1#点温升值最高，其值见表1
表1
龄期（天）
3
6
9
12
15
18
21
24
27
中心理论值（℃）
69.8
69.2
68.7
64.9
59.6
54.7
49.9
46.1
43.5
中心实测值（℃）
70.7
68.2
63.2
59.5
55.4
误差值%
-1.27
1.46
8.70
9.07
7.58
表面温度理论值（℃）
46.2
46
45.8
44.1
41.8
39.6
37.5
35.9
34.7
表面温度（℃）
50.7
45.7
44.5
45
43.3
误差值%
-8.87
0.65
2.92
-2
-3.46
麻袋温度（℃）
44.9
42.1
43.2
38.8
34.2
空气温度（℃）
24.1
25.8
27.9
31.7
25.4
中心与表面温差
20.0
22.5
18.7
14.5
12.1
中心与麻袋温差
25.8
26.1
20.0
20.7
21.2
麻袋内外温差
20.8
16.3
15.3
7.1
8.8
第二块底板施工，混凝土一次性浇筑完，共2100m3，浇筑时间20h（结束时间2010年7月8日02:
00）。
当时白天最高气温30℃，混凝土入模温度最高时为25℃。
通过现场实测数据分析，7#点温升值最高，其值见表2
表2
龄期（天）
3
6
9
12
15
18
21
24
27
中心理论值（℃）
69.8
69.2
68.7
64.9
59.6
54.7
49.9
46.1
43.5
中心实测值（℃）
71.6
68.5
63.8
60.0
57.5
误差值%
-2.51
1.02
7.68
8.16
3.65
表面温度理论值（℃）
46.2
46
45.8
44.1
41.8
39.6
37.5
35.9
34.7
表面温度（℃）
56.4
50.2
48.1
44.4
42.7
误差值%
-18.08
-8.36
-4.78
-0.6
-2.1
麻袋温度（℃）
54.1
47.7
48.0
43.8
40.5
空气温度（℃）
29.4
32.6
30.0
30.3
32.3
中心与表面温差
15.2
18.3
15.7
15.6
14.8
中心与麻袋温差
17.5
20.8
15.8
16.2
17
麻袋内外温差
24.7
15.1
18.0
13.5
8.2
通过两块底板测温记录可以看出，底板（在夏季）混凝土内部最高温度值为68℃～71℃，大约发生在砼浇筑后的3～5天。
混凝土温差（混凝土中心与表面）均控制在25℃以内，符合规范的要求，混凝土浇筑质量是可靠的。
由此可见，混凝土表面覆盖麻袋、塑料薄膜，另外在模板外用无纺布包裹等措施进行保温，使混凝土内外温差大幅度减小，混凝土保温收到了良好的效果，从而可以有效预防混凝土开裂。
5.结束语
通过对8NL厂房底板先进行理论计算混凝土内部温度，根据大气温度的变化情况，采取相应的措施进行浇筑后混凝土的保温，然后对混凝土进行温度监测，掌握了混凝土内部温度的变化规律，使混凝土内外温差控制在25℃。
采取这些措施后，混凝土没有出现任何裂缝，解决了底板施工中的难题，取得了良好的社会效益和经济效益，同时为了今后类似工程积累施工经验，收集资料，要求对记录数据和施工过程情况进行统计、分析和整理，分门别类列表或绘制变化曲线等，从施工的各个方面和专业认真总结出一套比较完整的经验资料。
参考文献
【1】《大体积混凝土施工规范》GB50496-2009
【2】建筑施工手册，第四版，中国建筑工业出版社。
【3】王铁梦，工程结构裂缝控制【M】北京:
中国建筑工业出版社，2002
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