大体积混凝土埋设冷却管降低水化热研讨

摘　要：本文介绍了在大体积混凝土基础施工过程中为了控制温度裂缝，采用预埋冷却水管强制降低水化热的技术通过实例进行了设计计算，为同类型其他工程提供了一种解决思路和方法。

关键词：大体积混凝土基础 水化热控制 埋设冷却水管

　　在大体积混凝土基础施工过程中，为了控制温度裂缝，混凝土的水化热的控制一直是施工的难点和关键；尤其是在基础内部预埋冷却水管，通入冷却水，强制降低混凝土水化热温度的技术措施的应用一直是建筑施工过程中难以量化的问题，下面通过实例来解决和探讨这个问题。
　　兰州石化公司550万吨/年常减压蒸馏装置减压塔框架减压塔（C104）框架基础，其长、宽为25m×23m,高为2.5m的钢筋混凝土结构。混凝土强度等级为C35，混凝土一次性浇筑完成，总量为1437.5立方，属于高强度大体积混凝土基础的施工。由于工期紧，预订低水化热的商品混凝土不现实，施工周期又在在天气温度较低的4月份，控制基础温度裂缝的技术措施除了采用保温、降低混凝土入模温度、改善基础约束条件、提高混凝土的极限拉伸强度、增加应力配筋等措施外，采用埋设冷却水管强制降低水花热是基础温度裂缝控制的唯一选择。
　　一、设计思路
　　1、混凝土浇筑前在基础钢筋骨架内预埋冷却水管，冷却水管采用常用的导热性能较好的钢管。
　　2、冷却水采用温度为10℃的工厂自来水。
　　3、混凝土基础表面采用保温措施，草袋双层养护40mm厚，并在草袋上铺设塑料薄膜，控制混凝土基础的内外温差不超过20℃。
　　4、混凝土采用普通硅酸盐水泥胶接的普通商品混凝土。
　　5、冷却管布置均匀，位置简单容易用混凝土注浆灌密实，尽量减少影响混凝土结构安全。
二、设计计算
     1.砼最大绝热温升：

     
      1.2 公式符号表示：

     
        K-掺合料折减系数，取0.25～0.30；本计算取0.27；
        Q-水泥28d水化热(KJ/Kg)。本计算取375；
        C-砼比热，取0.97KJ/（Kg·K）

     
      2.混凝土中心温度计算：

      
      3.砼的表层温度。
　　由于在兰州4月份施工，根据往年气象资料大气的平均温度取10℃。草袋双层养护40mm厚，并在草袋上铺设塑料薄膜，塑料薄膜不能太厚，否则砼内温度不能及时散出。
      3.1 砼表面模板及保温层传热系数β：

     
     由于草袋浇水浸湿使其导热系数降低，取浸水后草袋导热系数为

     
      代入上述数据，得β=6.54；
      3.2 砼的虚厚度：
       h`-砼虚厚度(m)；
       K-折减系数，取2/3；
       λ-砼导热系数，取2.33 W/(m·k)；
       h`=Kλ/β=0.24m；
       3.3 砼的计算厚度：
       H-砼计算厚度(m)；h-砼实际厚度(m)；
       H=h+2h`=2.5+2x0.24=2.98m；
      砼自然养护至15d时，就能保证内外温差控制在20℃以内，但前期10d中，砼内外温差均超过25℃，需要采取冷却管降低砼内部温度的措施。
      4.埋管冷却设计：
      4.1砼浇筑完毕前3d水化热释放最大，达到水化热施放的70%～80%，随后逐渐减少，以降低前3d的砼水化热为计算依据；
     4.2砼浇筑完毕的第3d混凝土基础外表面的温度为22.96℃，约为23℃，则控制冷却水最高温度由10℃升高到23℃；
     4.3 砼浇筑完毕的第3d混凝土基础内部最高温度控制在23℃+20℃=43℃，就能保证砼基础内外温差为20℃；
     4.4 从浇筑砼开始到放水冷却，根据现场条件砼浇筑时间为24小时，计算每立方米混凝土埋管管径大小及间距；
     4.4.1计算砼从浇筑开始到养护期第三天为止，砼由绝热温度降温至43℃时释放的热量:

    
    T2-混凝土绝热温度Th加上25℃，即58.56+25=78.86℃；
    T1-混凝土内部最高温度控制值43℃；
    由于在实际施工过程中,水化热通过浇筑砼过程散发及通过砼表面散发损失约为40%,实际传热给冷却水水化热为 ；
     则每秒钟所传导的水化热是：

     4.4.2 在1m3砼中心埋管，通过埋管外表面传递给冷却水的热量为Qs，由于钢管的导热性能良好，为了计算方便，忽略钢管的导热系数及温差损失，则混凝土内部最高温度与冷却水的温差为   73.86℃-23℃=50.86℃。简化1m3砼为高度1m，厚为a的圆环体模型，埋管半径为b，计算埋管半径及圆环体厚度a，2（a+b）的值就是埋管的间距。
     根据体积公式和热传递公式列方程式：

   
      a-简化圆环体混凝土的厚度；
       b-埋管的半径 m
       λ-混凝土的导热系数，取2.33 W/(m·k)；
      A-埋管与混凝土接触的外表面 ；
      △T-混凝土内部最高温度与冷却水的温差 ℃；
       h-简化 砼模型的高度；
       根据方程(1)(2)得：

    
       计算结果：a=0.50m，b=0.082m；
       即选用DN150钢管，间距为2（a+b）=2x(0.5+0.082)=1.16m;取整数值为1.2米;由于基础的厚度为2.5m，则冷却管的长度为2.5-0.5=2m。冷却管的数量沿基础长度方向布置为25/1.2-1=19.8≈20排，沿宽度方向布置为23/1.2-1=18.2≈18排，均匀布置。
       4.4.3 冷却水量计算(选用2m长钢管)：
      采用水温为10℃的自来水；则2米管内水的质量

      4.4.3.1 每秒DN150钢管的水温升高值为：

     
     水的比热  J/（g?k）
     水的质量  g
       4小时可以使冷却水升温4 x3600x0.00085=12.24℃，小于预先设定的13℃；也就是说每4小时冷却管内的水循环一次即可；则总用水量为35x18x20/4=3150 Kg/小时。
三、冷却水管施工布置
　　冷却水管沿基础平面均匀竖向布置，间距为1.2m，各冷却水管间用dn25的小管线串联连通。为了能够保证每个冷却水管都能有效地换热，沿宽度方向将冷却水管分为18组，每组20个，每组进出口通过集合管单独供水和排水。

 四、结论
　　根据现场实际施工测温记录，混凝土基础的内部最高温度出现在养护的第3天，所设置的20个测温孔有2个测温孔测得混凝土的内部中心最高温度为45℃，其他测温孔的内部中心最高温度均低于43℃，混凝土养护到第10天的时候基础内外温差已经开始小于18℃，完全达到了本次设计的要求。本设计方法完全值得在同类型大体积混凝土基础施工过程中推广应用。