大体积混凝土内部降温技术研究

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1、1大体积混凝土内部降温技术研究大体积混凝土内部降温技术研究邱文春 天元建设集团有限公司 混凝土组成材料中的水泥与水拌和后立即开始产生水化反应，反应过程中释放出大量的 热，混凝土受热膨胀，体积增大，在产生水化热的同时，混凝土通过与大气或地基接触的表 面散发热量，但是随着混凝土构件厚度的增大，热量散发的速度越来越慢，混凝土内部聚集 的热量越来越多，特别是在混凝土浇筑完成的 35 天内混凝土水化速度很快，温度明显升高， 这样就造成了混凝土内外产生过大的温差，当温差超过 25时就容易产生温度裂缝。为防 止大体积混凝土产生裂缝，通常采取以下几个方面的措施： 1、对大体积混凝土进行保温，在混凝土表面覆盖保

2、温材料、搭设暖棚、通入热水等措 施提高表面温度，减小混凝土内外温差，但是存在混凝土内部降温速度慢、混凝土冷却后产 生拉应力，容易出现收缩裂缝的问题，因此，在较厚的构件中单纯采用保温的方法并不适用。2、降低混凝土的入模温度，根据混凝土内部实际最高温度计算公式 Tmax=T入模+T绝热 ， 是一个小于 1 的系数，因此降低混凝土入模温度可显著降低混凝土内部温度，因此 可在混凝土搅拌时采用冰水拌和或在骨料中通入冷风来降低混凝土的入模温度。但是降温的 幅度有限。 3、采用低水化热的水泥或用活性材料代替部分水泥，减少水泥用量，达到降低内部水 化热的目的，通常可以采用矿渣水泥、掺加粉煤灰、采用 60d、9

3、0d 强度等措施。但是降温 的幅度有限，不能完全解决水化热问题。 4、掺加缓凝剂，降低水泥水化速度，掺入缓凝剂后水泥水化速度降低，水泥水化时间 延长，通过混凝土表面散发的热量较多，可显著降低混凝土的内外温差。但是缓凝剂掺量不 宜过多，否则，对混凝土强度造成影响。 5、混凝土内部通入降温水管，进行主动降温，适用于各种水泥和各种厚度的混凝土， 特别适用于较厚的大体积混凝土，通入降温水管后，混凝土水化产生的热量大部分由经过混 凝土内部的水带走，相当于降低了混凝土厚度，由于混凝土内部温度和内外温差显著降低， 混凝土冷却后不存在拉应力过大，容易产生温差裂缝的问题。与其它几种方法相比，采用混 凝土内部降温

4、法由于为主动降温，混凝土内部温度容易控制，因此具有明显的优越性。 目前，混凝土内部降温法只能根据经验确定降温水管的管径、间距、水泵型号等，没有 理论依据，本文专门针对这个问题进行了研究，以期达到根据混凝土配合比、厚度等已知条 件，通过计算来确定混凝土内部降温水管的直径、间距及水流速度等参数。 1、根据所选水泥品种、等级可查得水泥的水化热 Q水化（kJ/kg） ，然后再根据配合比可 计算出每立方米混凝土中所含的热量为 Q水化（kJ/kg）W水泥（kg/m3） 。 2、混凝土中的热量并不是瞬间释放出来的，而是缓慢的。其水泥水化热释放的速度由 快逐渐减小，但是混凝土传热的速度基本相同，水泥水化产生的

5、热量不能及时排走，因此混 凝土逐渐升温，当水泥水化释放热量的速度小于混凝土热传导散失热量的速度时，混凝土温 度就会缓慢降低。混凝土的绝热温升为：)1 (mt tecQWT砼砼水化水泥 每立方混凝土中水泥水化热随时间变化关系为：)1 (mt teQWTMcQ水化水泥砼砼砼式中 c砼混凝土的比热容； M砼混凝土的质量；2Tt混凝土的温升； W水泥每立方混凝土中水泥的用量； Q水泥水泥的水化热。 利用微分原理可推导出水化热释放速度计算公式：KJ/(m3.d)mteQmWV水泥水泥水泥水化热释放的速度变化曲线如下图所示：水化时间（d）水泥水化热 KJ/m3.d水泥水化速度同时间关系曲线010W20W3

6、0W40W50W60W70W80W90W100W110W120W130W140W150W160W1234567891011121314151617181920212223242526272829浇筑温度 5浇筑温度 10浇筑温度 15浇筑温度 20浇筑温度 25浇筑温度 303、通入降温水管后的混凝土热工计算 计算模型 因混凝土厚度较厚，通入降温水管后混凝土水化产生的热量大部分由降温水管中的水带 走，降温水管一般成梅花形排列。假定半径为 R 长为 L 的混凝土圆柱体中的热量全部由通过混凝土圆柱中心的半径为 r 的 水管中的水吸收，圆柱体表面与外界无热交换。混凝土浇筑温度与进入水管中的水温相同。

7、水泥水化释放的热量为：RrL3)1 (2mteLWQRQ水化砼式中 R混凝土半径（两降温水管距离的一半） ； W单位体积混凝土中水泥用量； Q水化水泥的水化热。 冷却水管中的水带走的热量为：TLrcQ2水水水式中 c水水的比热容；水水的密度；r水管的半径； 降温水管在混凝土中通过的长度；L 水在水管中的平均温升。T 假定水管中水的流速为一定值，则水通过长度为 L 的水管的时间为水水Lt式中 v水水的流速。 混凝土在与外界绝热的条件下，内部温度各处是相同的，通入降温水管后混凝土内部的 热量被水吸收带走，因此，混凝土内部温度距水管越近，温度越低，最终与水温相同，混凝 土温度由 T砼渐变为 T，假定

8、温度变化曲线为直线。 在 t水的时间段内混凝土传递给水的热量为：水砼 水砼 水砼LTTRLdXL RXTTLXQR)()(202式中 混凝土的传热系数 T砼混凝土的温度 T水在水管中的平均温升。 混凝土传递给水的热量即为降温水管中水吸收的热量，因此 Q水=Q砼水，即水砼水水LTTRLTLrc)(2因此： （公式一）砼 水水水TRLrcRLT2从另一个方面，混凝土的温度等于混凝土中的水泥水化释放的热量减去降温水管中的水 带走的热量与混凝土的质量及比热容的比值。LRcTtrceLWQRMcQQTmt222360024)1 (砼砼水水水水化砼砼水砼 砼（公式二）TLRctrcceWQTmt 2236

9、0024)1 (砼砼水水水砼砼水化 砼将公式一带入公式二得：砼 水水水砼砼水水水砼砼水化 砼TRLrcRL LRctrcceWQTmt 222360024)1 (得出混凝土内部通入降温水管时混凝土温度与时间关系公式如下：得出混凝土内部通入降温水管时混凝土温度与时间关系公式如下：T砼T4)1 ()3600241 (222mteRLcrcRctrccWQT砼砼水水水砼砼水水水 砼砼水化 砼4、降温水管的管径、间距、水泵型号的选择 根据大体积混凝土温度控制要求，混凝土内外温差不得大于 25，即：25（公式三）（公式三）)1 ()3600241 (222mteRLcrcRctrccWQT砼砼水水水砼砼

10、水水水 砼砼水化 砼依据上式（公式三） ，本着方便施工和减少工程造价的原则，通过试算，合理确定定降 温水管的直径、间距、水的流速等参数，得出一系列组合，水泵的型号依据水的流速和管径 确定，从中确定一组最优方案。 这样，钢管的管径、间距及水泵的型号可根据最优经济方案进行选择，只要能保证每立 方米混凝土中每秒钟通过的水量即可。 5、以上推导过程中，按水泥水化产生的热量全部由降温水管中的水带走考虑，混凝土 外表面自身散热、混凝土计算模型有一部分重叠等有利因素未考虑，混凝土向降温水管传递 热量的影响因素较多，对计算结果可能产生较大影响，因此，必须加强测温工作，发现问题 及时解决。 6、混凝土绝热温升与

11、通入降温水管后的绝热温升对比 以每立方米混凝土用量 390kg/m3为例，混凝土浇筑温度 20，降温水管间距 1000mm，降温水管直径 32mm，水流速 1m/s，每段降温水管长度 40m，将以上数值代入公 式三： 通入降温水管后混凝土水化热温升：)1 ()5 . 0240097. 04033. 2016. 010002 . 40 . 15 . 0240097. 00 . 1016. 010002 . 433. 23600241 (240097. 0375390362. 0222tetT砼普通混凝土水化热温升：)1 (240097. 0375390)1 (362. 0tmt teecQWT砼

12、砼水化水泥 混凝土内部实际最高温度： Tmax=Tj+Tt 式中 Tj混凝土浇筑温度，本例中 Tj=20；Tt混凝土水化热温升；不同的浇筑块厚度、不同龄期时的降温系数，见下表：不同龄期和浇筑厚度的 值 不同龄期（d）时的 值浇筑层厚度 （m）36912151821242730 2.500.650.620.590.480.380.290.230.190.160.15 4.000.740.730.720.650.550.460.370.300.250.24 则混凝土水化热温升与使用降温水管后的水化热温升及混凝土内部实际温度随时间变化 曲线对比如下图。通入降温水管后混凝土最高温度出现在第 1 天，为

13、 3.9，不通入降温水5管时混凝土绝热温升为 62.8，为通入降温水管后混凝土内部最高温度的 16.1 倍，4m 厚混 凝土内部实际最高温度 63.5，为通入降温水管后混凝土内部实际最高温度的 2.8 倍。通 入降温水管后混凝土内部温度变化只有 2.4，而普通混凝土内部温度变化分别为：4m 厚时 为 43.5、2.5m 厚时 35.6，因此通入降温水管后可极大改善温度应力的影响。水化热温升、混凝土内部实际温度与时间关系曲线0510152025303540455055606570123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 龄期 d水化热温升005 10152025303540455055606570混凝土内部实际温度普通砼水化热温升曲线4m 厚普通砼内部实际温度曲线水化热温升曲线2.5m 厚普通砼内部实际温度曲线2.5m 厚内部降温砼内部实际温度曲线4m 厚内部降温砼内部实际温度曲线