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第３１卷第３期２００１年５月东南大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＯＵＴＨＥＡＳＴＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ３１Ｎｏ３Ｍａｙ２００１高强度混凝土水化热的研究阮静叶见曙谢发祥王键（东南大学交通学院，南京２１００９６）摘要：为了解高强度混凝土水化热温度的特点，从而为今后同类材料结构的温度控制打下基础，本文采用实测数据研究与理论分析相结合的方法，比较了高强度混凝土与普通混凝土在绝热温升和实测温度值方面的区别，论述了水化热温升对高强度混凝土强度发展的不利影响和对高强度混凝土冬季施工的有利影响，并讨论提出了高强度混凝土的温度控制标准．文章认为，对厚度超过１ｍ的高强混凝土构件，应当采取相应的温度控制措施，控制构件的最高温度不超过７０℃，构件内外最大温差不超过３０℃．关键词：高强混凝土；水化热；温度控制中图分类号：Ｕ４４８３５；Ｕ４４１５文献标识码：Ａ文章编号：１００１－０５０５（２００１）０３００５３０４收稿日期：２００１０１１７．作者简介：阮静，女，１９７５年生，硕士研究生．随着现代科学技术的发展，高强混凝土的应用越来越广．但是高强度混凝土相比普通混凝土，水泥用量大，水化温升高，若体积较大，就很容易产生温度裂缝．对于大体积混凝土，目前国内尚无一个确切的定义．美国混凝土学会（ＡＣＩ）规定［１］：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂．”日本建筑学会标准（ＪＡＳＳ５）规定：“结构断面最小厚度在８０ｃｍ以上，同时水化热引起混凝土内部的最高温度与外界气温之差预计超过２５℃的混凝土，称为大体积混凝土．”大体积混凝土结构一方面因混凝土浇筑量大，水泥在水化过程中释放大量的热量，外加混凝土传热性能差，结构内部热量不易散发，形成内外温度差，导致混凝土发生应变，另一方面结构物的约束会阻止这种应变，产生温度应力，一旦温度应力超过混凝土所能承受的极限抗拉强度时，就会产生温度裂缝．高强混凝土除会因混凝土内外温度梯度产生裂缝外，还会因水化热温升过高导致混凝土后期强度的明显损失．因此，解决高强度混凝土水化热的问题，不仅要降低水化热温升，还要控制混凝土内外的温度梯度．为研究高强度混凝土水化热温度场特性，在南京长江二桥北汊主桥的箱梁进行了水化热温度场研究．为进一步了解高强混凝土的特性，在南京长江二桥北汊主桥承台也进行了水化热温度场观测．南京长江二桥北汊主桥为预应力混凝土连续箱梁桥，跨径布置为（９０＋３×１６５＋９０）ｍ．该桥是目前国内跨径最大的预应力混凝土连续梁桥．主桥采用挂篮节段悬臂现浇方法施工，主墩处箱梁０号节段和１号节段浇筑长度分别为８和２．５ｍ，底宽为７．５ｍ，底板厚分别为１．４和１．０９ｍ，采用５０号混凝土．箱梁０号块和１号块浇筑体积大，水泥用量高，温度问题较为突出．因此，需要对这些梁段进行了混凝土水化热的观测与研究，以了解高强混凝土水化热温度场特点，为今后同类结构的温度控制打下基础．１高强混凝土与普通混凝土水化热的比较１１高强混凝土与普通混凝土绝热温升的比较混凝土的绝热温升计算值，即是在结构物四周没有任何散热和热损失的情况下，水泥水化热全部转化成温升后的温度值．南京长江二桥北汊主桥箱梁混凝土标号为Ｃ５０，水泥采用５２５硅酸盐水泥，每立方米混凝土材料为水泥５００ｋｇ、砂７３５ｋｇ、碎石１０６０ｋｇ、水１５２ｋｇ、ＪＭ８减水剂８ｋｇ．南京长江二桥北汊桥承台为长３０４２ｍ、宽图１箱梁与承台混凝土绝热温升比较图１４００ｍ、厚３５ｍ的大体积混凝土，混凝土标号为Ｃ３０，混凝土方量为１４９０６ｍ３，水泥采用４２５硅酸盐水泥，每立方米混凝土材料为水泥３２０ｋｇ、粉煤灰１３５ｋｇ、中砂７７８ｋｇ、碎石１１６７ｋｇ、水１６０ｋｇ、ＪＭ８减水剂７２８ｋｇ．采用公式（１）［２］分别计算南京长江二桥北汊主桥箱梁混凝土和承台混凝土的绝热温升，计算结果如图１所示．ｔ（τ）＝（Ｗ＋ｋＦ）Ｑｃρ（１－ｅ－ｍτ）（１）式中，ｔ（τ）为在龄期τ时混凝土的绝热温升；Ｗ为水泥用量；ｋ为折减系数，对于粉煤灰，可取ｋ＝０２５；Ｆ为混合料用量；Ｑ为水泥水化热；ｃ为混凝土比热容；ρ为混凝土密度．从图１可以明显看出箱梁混凝土的绝热温升值很高，也就是说，由于材料配合比的不同，使高强混凝土发热量很大，在同等体积情况下，比普通混凝土更易产生水化热问题．１２高强混凝土与普通混凝土实测数据的比较结构混凝土的温度值并不和混凝土绝热温升成正比．实际上，混凝土结构的内部温度受浇筑温度、混凝土体积、外界大气条件、散热条件、降温方法等各种因素影响．图２是箱梁０号块混凝土内部最高温度测点和相应表面温度测点的水化热温度曲线，图３是２２号墩承台的内部最高温度测点和相应表面温度测点的水化热温度曲线．将图２和图３比较得出表２，表２是箱梁混凝土和承台混凝土水化热实测温度对照表．表２箱梁和承台混凝土水化热实测温度比较表℃项目箱梁０号块节段２２号墩承台浇筑温度内部最高温度最大温差浇筑温度内部最高温度最大温差实测值２２６７．２２９．５８５５．５２４．０由表２和图２、图３可以看出：１）箱梁内部测点的最高温度值比承台内部测点的最高温度值高；同时，箱梁混凝土的浇筑温度也比承台的浇筑温度高．由于混凝土内部最高温度可以简单看为混凝土浇筑温度、混凝土绝热温升和混凝土散热温度之和，则在混凝土散热情况相似的条件下，在混凝土最高温度值中扣除混凝土浇筑温度的影响，箱梁混凝土与承台混凝土的最高温升将十分相近．可以这么说，假若箱梁与承台混凝土的浇筑温度相同，则两结构混凝土内部的最高温度会相近．但是，从表２可知，箱梁混凝土的绝热温升比承台混凝土的绝热温升高得多，扣除浇筑温度影响的最高温度却相近，原因极可能是散热条件不一样．因为承台混凝土的体积比箱梁混凝土大得多，而混凝土导热性能差，散热慢，体积越大越容易堆积热量，所以产生了上述现象．从上述分析可知，混凝土的材料特性与体积大小同样会引起工程的温度问题．２）箱梁混凝土的内外最大温差比承台混凝土的内外最大温差大．主要是承台体积相对较大，易引起施工单位的重视，表面采取了较好的保温措施，同时内部采用冷却水管的方法降低混凝土温度，因而结构的内外温差相对较小．相比之下，箱梁混凝土结构比较复杂，配筋多，体积较小，难以采取类似承台的降温措施．箱梁混凝土较大的温差进一步表明，较大体积高强混凝土结构需要采取措施降低温升，控制温差．３）箱梁结构浇筑混凝土１５ｄ后，内部温度达到最高值；而承台结构浇筑混凝土后，要４ｄ才达到最高温度．这也是由混凝土结构的尺寸差异决定的．箱梁混凝土结构由于体积相对较小，最高温度出现早，混凝４５东南大学学报（自然科学版）第３１卷土的龄期小，混凝土强度发展还不充分，若环境温度出现突变，混凝土结构容易受到影响．以上分析表明，较大体积高强混凝土结构也需要采取措施降低温升，控制温差．尽管大跨径预应力混凝土箱梁的部件混凝土体积没有承台大，但是，由于采用了高强混凝土，因此也必须注意施工时混凝土水化热的问题，特别是厚度超过１ｍ的箱梁部件．２水化热温升对高强混凝土结构和施工的影响２１水化热温升对高强度混凝土强度的影响高强度混凝土由于水化热产生的高温对于混凝土强度发展有很大的影响．有资料报导［３］，由于水化热的影响，１ｄ龄期的小试件强度可比实际大尺寸构件中的强度低５０％，而２８ｄ龄期的小试件强度则可比实际构件强度高３０％，即对设计来说不能保证安全．因此，控制高强度混凝土的水化热温升是大尺寸构件施工过程中的一个突出问题．２２水化热温升对高强度混凝土在冬季施工的有利影响当日平均气温在５℃以下，或最低气温在－３℃以下时，即进入混凝土的冬季施工．在民用建筑钢筋混凝土结构的的冬季施工中，主要是防止早期混凝土被冻问题．大体积混凝土的冬季施工，除了防止早期混凝土被冻外，还存在着控制温差、防止裂缝的问题．对于体积较小的混凝土冬季施工面临的最主要问题是早期混凝土的防冻．高强度混凝土由于水化热绝热温升大，混凝土的早期防冻相对较为简单．例如，北汊桥５０ｍ引桥的混凝土浇筑处于深冬之际，一般而言，浇筑后，需进行大量保温养护工作，以利于混凝土强度的增长．但是，由于该引桥采用高强度混凝土，混凝土水泥水化热温升大，梁的表面温度上升较快，足已使混凝土强度发展．因此，保温养护工作较为简单，只需要采用覆盖塑料薄膜等简易方法进行保温养护即可．３大体积高强度混凝土的温度控制标准关于高强度大体积混凝土的温度控制并没有一个统一的规范．ＡＣＩ委员会成员Ｐａｕｌ和Ｍｉｃｈａｅｌ在多伦多做的试验为这方面的研究提供了依据．研究采用截面为１３７ｍ×２８０ｍ的试验梁，每立方米混凝土含普通硅酸盐水泥４５０ｋｇ，Ｆ型粉煤灰和硅粉共１１０ｋｇ，水灰比为０２８，集料最大粒径为１０ｍｍ，并掺加少量高效减水剂．在试验梁跨中截面的上表面、中心、下表面处设置热电偶用于测试混凝土各测点各时段的温度值．最初规定混凝土内各点最大温度不超过６０℃，最大温度梯度不超过２０℃／ｍ．热电偶的测试结果表明混凝土内部测点的最高温度达到６８５℃，最大温差达到３７５℃，远远超过开始设置的标准，经分析，超标的主要原因是水泥含量大，入仓温度高．但是，现场观测发现：拆模后混凝土表面并没有发现张拉裂缝．分析原因，一是混凝土早期抗拉强度高，二是对混凝土表面降温速率控制较好．同时，该模型本身的一些因素，也导致了结果的理想化．首先，试验梁长度较短，不能真实表现实际尺寸．其次，试验梁没有配置钢筋，因此该试验没有考虑高配筋率对热传导的影响．还有，试验梁没有考虑外约束对混凝土的限制作用．考虑到上述原因，再根据ＡＣＩ委员会的推荐，需要修订混凝土配合比．考虑到混凝土的热生成，把混凝土的设计强度从２８ｄ延伸到９０ｄ并不影响施工进度，同时有利于温度控制．综合以上因素，Ｂａｍｆｏｒｔｈ提出高强混凝土的最大温度梯度可以适当提高．多伦多混凝土专家ＧｏｒｄｏｎＥ．Ｂｒｏｗｎ对该问题进行研究后建议：高强混凝土的最高温度最好不超过６０℃，最大温度梯度不超过３０℃／ｍ，并需要设有良好的养护保温工作．混凝土体积的不同，最高温升和最大温度梯度标准也可以稍有变化，预应力混凝土桥梁上梁的体积相比承台等结构要小得多，考虑到施工进度等因素，温度控制标准可适当降低．南京长江二桥北汊桥０号块和１号块的研究表明：桥梁节段的高强混凝土的最高温度应不高于７０℃，箱梁内外最大温差不高于３０℃．在此标准下，并适当采取保温养护措施，就能有效防止混凝土表面的温度裂缝．当然，为了防止强度的损失应尽量保持混凝土最高温度在６０℃以下．５５第３期阮静等：高强度混凝土水化热的研究ＥＴＬ１１１０－２－５４２３０Ｍａｙ９７．ｈｔｔｐ：??１４４３１４４２０９?ｃｏｒｐｕｓｄａｔａ?ｕｓａｃｅ?ｉｎｅｔ?ｕｓａｃｅｄｏｃｓ?ｅｎｇｔｅｃｈｌｔｒｓ?ｅｔｌ１１１０－２－５４２?ｔｏｃ．ｈｔｍｌ．４结论１）尽管大跨径预应力混凝土箱梁的部件混凝土体积没有承台大，但是，由于采用了高强混凝土，故必须注意施工时混凝土水化热的问题，特别是厚度超过１ｍ的箱梁部件．２）对于高强度混凝土的冬季施工而言，混凝土的水化热能起到促进混凝土强度增长的有利作用．３）虽然国内现在没有提出水化热引起的混凝土最高温度的限值，研究表明，高强混凝土结构最高温度应控制在７０℃以下，单方水泥量最好控制在４５０ｋｇ／ｍ２以下．如果条件许可，最高温度最好控制在６０℃以下，以减少混凝土的强度损失．参考文献１叶琳昌，沈义．大体积混凝土施工．北京：中国建筑工业出版社，１９８７．１～３２吴伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制．北京：中国电力出版社，１９９９．２０３陈肇元，朱金铨，吴佩刚．高强混凝土及其应用．北京：清华大学出版社，１９９２．１９１～１９９ＳｔｕｄｙｏｎＨｅａｔｏｆＨｙｄｒａｔｉｏｎｏｎＨｉｇｈＳｔｒｅｎｇｔｈＣｏｎｃｒｅｔｅＲｕａｎＪ