高标号超大体积混凝土温控成套技术采用了什么技术

       1 工程概况
       本工程处于近海环境，白天温度高、日照强、风速大，具有盐雾腐蚀的特点，某大桥主墩0#块在盛夏施工，最高温度≥38℃，0#块结构尺寸为：长×宽×高=13m×44.5m×6.5m，混凝土方量约2400m3，混凝土设计强度等级C55。传统主墩0#块采用成熟的分层施工工艺，分两次浇筑时，工期约50天，因难以满足节点工期要求，需采用一次性浇筑施工技术。大桥主墩0#块为高标号超大体积混凝土，一次性浇筑施工时必须采取系统的抗裂技术措施防止其开裂，在一般抗裂措施的基础上，为保证工程质量，在高标号超大体积混凝土的温控中采用了液氮冷却技术。        2 一般控裂措施
       防止大体积混凝土开裂的技术措施有：①通过优选原材料、优化配合比提高混凝土本身的抗裂性能；②对非薄壁结构大体积混凝土，影响其开裂的主要因素是大体积混凝土的内约束作用，通过采取有效的控温措施，降低主墩0#块大体积混凝土的内表温差应力及表面与外界环境温差应力。
       2.1原材料及配合比
       为降低0#块高标号超大体积混凝土的水化热温升与收缩，提高混凝土自身的抗裂能力，通过原材料优选及混凝土性能调试，提出优化的大体积混凝土配合比。
      2.1.1原材料
       水泥：塔P·Ⅱ42.5低碱水泥，C3A含量7%，比表面积380m2/kg，出厂温度68℃；粉煤灰：厦门益材F类Ⅰ级粉煤灰，45μm方孔筛筛余11%，需水量比98%，烧失量4%；矿渣粉：广东国鑫S95级，比表面积450m2/kg，需水量比96%，28d活性指数99%；骨料：潮州凤山5～25mm碎石，细度模数2.8韩江中砂；减水剂：武汉港湾新材料聚羧酸减水剂；水：自来水。
       2.1.2配合比
       大体积混凝土浇筑后因工期原因需尽早张拉，对混凝土前期弹性模量和早期抗压强度有较高的要求，通过原材料的优选，使用较低水胶比，双掺适量的矿物掺合料，经过多次优化调试，0#块大体积混凝土的配比见表1。
       2.2一般控温措施
       0#块高标号超大体积混凝土于8月份浇筑施工，因混凝土连续浇筑，施工时环境温度为28～38℃，浇筑温度约为Tp=34.5℃，混凝土最终绝热温升Tα=64.5℃，混凝土内部最高温度为99℃，故必须采取系统的控温防裂措施。
       2.2.1 制冷水拌合
       大体积混凝土拌合时的制冷水，可采用冷水机制冷或在蓄水池中投放块冰的方式来降低拌合水温度。冷水机制冷的降温能力约4℃，但使用专门的冷水机制冷相对成本较高，往蓄水池中投放块冰可使现场拌合水温度降至8℃左右，降温能力约为2℃。制冷水提供的冷量有限，拌合降温效果不显著，尚需补充其他降温措施。
       2.2.2 碎冰拌合
       用碎冰代替部分冷却水，利用碎冰相变，可大量提高融解潜热，碎冰还可以储存冷量，其既是降低出机口温度，削减高峰负荷的载冷剂，又是大体积混凝土的组成成分，是较有效、灵活、简易的冷却方式。1kg碎冰融化为水，大约需要吸收336kJ热量，根据工程经验，每加入10kg的碎冰可使新拌混凝土降温1℃，通常高温季节可考虑加冰量40～60kg/m3。
       2.2.3 原材料温度控制
       浇筑温度高的大体积混凝土的温升值远超过浇筑温度低的相同大体积混凝土，在混凝土拌合过程中，需严格控制混凝土原材料温度。水泥等胶凝材料，通过储存仓转运，延长胶凝材料的降温时间，禁止刚出厂的胶凝材料直接进入混凝土搅拌站设备用于生产；骨料既可搭设遮阳棚进行存储，又可提前1d采用土工布进行覆盖洒水降温；拌合用水可在开盘前4～6h向蓄水池中投入块冰，并保证蓄水池中存有30%～50%容积的块冰。
       2.2.4 循环水管布设
      为加快0#块大体积混凝土水化热的扩散，在0#块中共布设7层冷却水管，每层1套水管，层水管及第七层水管距0#块上、下顶面的距离均为0.85m，不同层水管的垂直与水平间距均为1.0m，上下层水管对齐布置。控制循环水管进出水的温度，冷却水的进水温度以15～25℃为宜，入水口与出水口水温之差≤15℃，冷却水管降温效果一般可达5℃左右。
      2.2.5 顶面喷雾
       在顶面上按一定间距均匀布置喷头及连接水管，将淡水雾化后喷洒到混凝土顶面，能降低顶面温度，提高混凝土顶面湿度，同时改善施工操作环境。顶面喷雾系统还有利于混凝土的湿养护，降低局部环境温度4～8℃，提高混凝土的养护质量。
      2.2.6 混凝土养护
      在大风速近海洋环境条件下，混凝土初凝后立即保温保湿养护，洒水时控制表面不出现干湿循环。混凝土侧面采用透水模板布，上表面覆盖塑料薄膜及土工布或采用蓄水养护。保温保湿养护时间宜不少于14d，可根据温度监测结果进行适当调整，确保混凝土内表温差、表面与外界环境温差在控制标准内。
       3液氮冷却技术
       墩顶0#块高标号超大体积混凝土采用制冷水与碎冰拌合、原材料温度控制措施后，因运输过程中混凝土升温约3℃，现场混凝土浇筑温度约为32℃，不满足《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》（JTS202-1-2010）规定的浇筑温度不高于30℃、不低于5℃的要求。为降低混凝土的最高温度，减小温差应力，亦应降低混凝土的浇筑温度。
      国内液氮冷却技术用于混凝土工程，曾在80年代末有部分相关文献报道，其主要用于混凝土原材料的冷却降温，但对液氮利用比较粗放。当混凝土运输距离较远时，能耗损失大，对液氮的利用率低。近30年来，液氮冷却技术用于混凝土工程的应用案例鲜有报道。2016年汪天详等将液氮冷却技术用于塞尔维亚的泽蒙-博尔察大桥，但液氮仍主要用于混凝土原材料的降温，特别是对水泥等胶凝材料的降温，因此其应用仍受到较大的局限。
       为进一步降低混凝土的浇筑温度，利用液氮冷却技术在混凝土浇筑前5～10min直接冷却罐车中的混凝土拌合物，不仅能降低混凝土的浇筑温度，提高液氮冷却的效率，还降低了利用液氮冷却技术的成本。液氮是不可燃、无色、无臭、无腐蚀性的惰性液体，化学性质稳定，对混凝土的含气量、工作性能及周边环境无不利影响。在常压下，液氮温度-196℃，汽化潜热5.56kJ/mol，因冷却温差大，热交换时间短，基本可以做到“即冷即降”。液氮冷却系统简单，由液氮罐、喷嘴、连接管道组成，对施工环境无要求，一人即可操作。
       0#块高标号超大体积混凝土采用液氮直接冷却，现场液氮冷却情况如图1所示。在距混凝土浇筑地点200～300m处设置液氮冷却点，通过特制喷嘴将液氮直接喷入罐车内对混凝土进行冷却，喷入一半的液氮后开始搅拌，之后再喷入另一半的液氮。液氮及其冷却操作均由广州广钢林德有限公司人员负责，液氮冷却操作时压力维持在0.4～0.6MPa，冷却时间为10～15min，经现场测试，液氮单位消耗量为10kg/（m3·℃），能降低混凝土浇筑温度约5℃。
       4 实施效果
      经过原材料的优选和配合比的优化设计，0#块高标号超大体积混凝土的综合性能较好，采取一般控裂措施后，其现场浇筑温度由34.5℃降至约32℃，进一步采取液氮冷却降温技术后，混凝土的浇筑温度降至28℃及以下，连续浇筑约50h后，0#块混凝土顺利浇筑完毕。
      根据工程实际及有关规范要求，制定了浇筑温度≤28℃，内部最高温度≤75℃，混凝土最大内表温差≤25℃，表面与外界环境温差≤20℃的温控标准。采用现场定时自动测温记录仪TR-SD对0#块高标号超大体积混凝土进行实时温度监控，温度监测结果如图2所示。
       温度为74.8℃，最大内表温差13.5℃，带模养护3天，第4天拆模后立即覆盖洒水养护，此后最大表面与外界环境温差为22℃，略超出温控标准要求。经过近一年的观察，该0#块高标号超大体积混凝土基本未出现裂缝，温度控制取得了良好的效果，基本达到了预期目标。
       5 结论
      ⑴为防止高标号超大体积混凝土出现温度裂缝，采取了系统的温控措施，包括原材料优选、配合比优化设计、制冷水拌合、碎冰拌合、原材料温度控制、液氮冷却、埋设冷却水管、顶面喷雾、加强混凝土养护等一系列超大体积混凝土工程的全过程控制，合理控制了超大体积混凝土的浇筑温度及养护过程中的温度场。
       ⑵液氮直接冷却混凝土技术在国内桥梁工程中应用较少，液氮冷却系统简单，占地小，操作简便，对施工环境无要求，可迅速降低混凝土的浇筑温度约5℃，消耗液氮10kg/（m3·℃）。
       ⑶通过科学系统的温控措施，并实时监控混凝土内部温度及冷却水管进出水温度，动态调整进出水流速，顺利完成了0#块高标号超大体积混凝土的一次性浇筑。此项温控成套技术的应用推广，可保证桥梁工程高标号超大体积混凝土的抗裂性能，为类似工程在原材料选择、温控措施等方面提供参考。