CN104133052B - 一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，由以下几种评价组成：骨料温度和砸石温度控制效果评价、出机口温度控制效果评价、入仓温度控制效果评价、浇筑温度控制效果评价、混凝土最高温度控制效果评价、混凝土冷却目标温度控制效果评价、混凝土降温速率控制效果评价、混凝土温度梯度控制效果评价、混凝土温度回升控制效果评价。本发明的有益效果是通过一套合适的大体积混凝土温控效果评价方法，对大体积混凝土建设过程中进行温控措施修改或者调整，有效防止后期混凝土的开裂。

Description

一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，涉及一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法。

背景技术

长期以来，大体积混凝土开裂是普遍的现象，有“无坝不裂”的说法。如何解决混凝土裂缝问题也一直是众多国内外学者长期关注的焦点，工程经验表明，温度是导致大体积混凝土产生裂缝的主要原因，控制施工过程中各环节的温度，使其满足规范和技术要求，是防止裂缝产生的关键。目前的大体积混凝土施工过程中，从原材料到混凝土成型，各环节都布置有大量的温度监测仪器，用于监测骨料温度、出机口温度、入仓温度、浇筑温度、最高温度、一冷目标温度、中冷目标温度、二冷目标温度、降温速率、温度梯度和温度回升等。依据各环节监测数据，评价混凝土温控效果如何，是否需要对当前温控措施进行修改或者调整，实现大体积混凝土的温控效果全过程评价。一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法是大体积混凝土建设过程中所需。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，解决了目前大体积混凝土温控效果没有合适的评价方法，不能防止后期混凝土开裂的问题。

本发明所采用的技术方案是全过程评价由以下几种评价组成：

骨料温度和砸石温度控制效果评价、出机口温度控制效果评价、入仓温度控制效果评价、浇筑温度控制效果评价、混凝土最高温度控制效果评价、混凝土冷却目标温度控制效果评价、混凝土降温速率控制效果评价、混凝土温度梯度控制效果评价、混凝土温度回升控制效果评价。

进一步，所述出机口温度控制效果评价依据下面公式进行评价：

$T_0=\frac{(0.2+Q_S)W_S{T}_S+(0.2+Q_g)W_g{T}_g+0.2W_c{T}_c+(W_w-Q_s{W}_s-Q_g{W}_g)T_w}{0.2(W_s+W_g+W_c)+W_w}$

式中，T₀——混凝土出机口温度，℃；

Q_s——砂的含水量，以重量百分比计，％；

Q_g——石的含水量，以重量百分比计，％；

W_s——每立方米混凝土中砂的重量，kg；

W_g——每立方米混凝土中石的重量，kg；

W_c——每立方米混凝土中胶凝材料的重量，kg；

W_w——每立方米混凝土中水的重量，kg；

T_s——砂的温度，℃；

T_g——石的温度，℃；

T_c——胶凝材料的温度，为水泥和矿物掺合料温度的重量加权平均，℃；

T_w——水的温度，℃。

进一步，所述入仓温度控制效果评价指标按以下公式计算：

$T_1=T_0+(T_a+\frac{R}{\mathrm{\β}}-T_0)(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\ΣA}}_i{\mathrm{\τ}}_i)$

式中，T₁—混凝土入仓温度，℃；

T₀—混凝土出机口温度，℃；

T_a—气温，℃；

R—太阳辐射热，kJ/(m²·h)，该值与纬度和浇筑时间有关；

β—表面放热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1；

R/β—太阳辐射热引起的气温升高值，℃；

φ—混凝土在运输装料、转运、卸料过程中热交换系数，装卸料、转运系数每次0.032；

ΣA_iτ_i—为混凝土在运输过程中的热交换系数；A值与混凝土运输工具和其装载混凝土体积有关,τ为运输及等待时间，min，A取值：自卸汽车0.0016-0.0035，吊罐0.0004-0.0007。

进一步，所述浇筑温度评价指标按以下公式计算：

$T_p=T_1+(T_a+\frac{R}{\mathrm{\β}}-T_1)({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)$

式中，T_p—混凝土浇筑温度，℃；

T₁—混凝土入仓温度，℃；

T_a—气温，℃；

R—太阳辐射热，kJ/(m²·h)，该值与纬度和浇筑时间有关；

β—表面放热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1；

R/β—太阳辐射热引起的气温升高值，℃；

φ₁—混凝土平仓前温度回升系数,φ₁＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间(min)，k取0.0030(1/min)；

φ₂—混凝土平仓以后、振捣至上坯混凝土覆盖前的仓面温度回升系数，可根据实际量测结果确定φ₂，一般在0-1.0之间。

进一步，所述混凝土最高温度控制效果评价按照下式进行计算得出：

T_max＝T_p+ξT_α-T_co

式中，T_max——混凝土内部最高温度，℃；

T_p——混凝土浇筑温度，℃；

T_α——混凝土最终绝热温升，℃；

T_co——冷却水管降温效果值，℃，水管间距小于1m取较大值，反之取较小值；未采用水管时取值为0℃；

ξ——温升折减系数。

进一步，所述混凝土温度梯度控制效果评价用三次方程式来拟合混凝土的温度分布：

T(x)＝k₁+k₂x+k₃x²+k₄x³

取4个温度探头的实测温度T(x₁)～T(x₄)，x₁～x₄为相应4个传感器距混凝土结构表面的距离，k₁、k₂、k₃、k₄为设定系数，根据每个温度测点的位置x和相应实测温度T(x)，可得系数k₁～k₄，其中：k₁＝T(x₁),

$k_2=\frac{T\left(x_2\right)-T\left(x_1\right)}{x_2}-k_4{x_2}^2-k_3{x}_2$

$k_3=\frac{\left(T\right(x_2)-T(x_1\left)\right)x_4-\left(T\right(x_4)-T(x_1\left)\right)x_2}{{x_2}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_2}-k_4(x_2+x_4)$

$k_4=\frac{\left(T\right(x_2)-T(x_1\left)\right)({x_3}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_3)-\left(T\right(x_3)-T(x_1\left)\right)({x_2}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_2)+\left(T\right(x_4)-T(x_1\left)\right)({x_2}^2{x}_3-{x_3}^2{x}_2)}{({x_2}^3{x}_3-{x_3}^2{x}_2)(x_2{x}_4-{x_4}^2)-({x_2}^2{x}_4-{x_4}^3{x}_2)(x_2-x_3-{x_3}^2)}$

根据实测温度拟合出混凝土结构温度分布式，进而得到混凝土结构的温度梯度为：

$\frac{\∂T\left(x\right)}{\∂x}=k_2+2k_{3}x+3k_4{x}^2$

式中，为温度梯度，℃/m；x为混凝土探头位置距离混凝土表面的距离，m。

本发明的有益效果是通过一套合适的大体积混凝土温控效果评价方法，对大体积混凝土建设过程中进行温控措施修改或者调整，有效防止后期混凝土的开裂。

附图说明

图1是本发明方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明的目的在于改进现有大体积混凝土温度控制效果评价中的不足，提供一种从工程建设全过程角度对混凝土温控效果进行评价的方法。该方法从全过程角度来评价温度控制效果，为防止混凝土裂缝的产生奠定基础。

如图1所示，这种大体积混凝土温控效果全过程评价方法的技术解决方案，包括以下步骤：

(1)骨料温度和砸石温度控制效果评价；

为了降低混凝土出机口温度和浇筑温度，实现较好的温控效果，通过控制骨料堆积高度、地弄取料、搭建凉棚、喷水雾、风冷和喷洒冷水等方式降低骨料温度，结合拌合楼安装的骨料温度和骨料砸石温度监测和采集设备，对照规范和设计技术指标，进行混凝土温控效果的初级评价，防止因骨料温度超标而影响后续环节的混凝土温控效果。

(2)出机口温度控制效果评价；

出机口温度的控制效果对后续混凝土的温度影响较大。影响混凝土出机口温度的因素较多，其中骨料温度是主要影响因素，在骨料温控效果较好的状态下，根据拌合楼实时采集的出机口温度监测信息，依据相关的判断和评价标准，可以对可能产生混凝土温控效果进行监控和评价。出机口温控效果可以依据下面公式进行评价：

$T_0=\frac{(0.2+Q_S)W_S{T}_S+(0.2+Q_g)W_g{T}_g+0.2W_c{T}_c+(W_w-Q_s{W}_s-Q_g{W}_g)T_w}{0.2(W_s+W_g+W_c)+W_w}$

式中，T₀——混凝土出机口温度，℃；

Q_s——砂的含水量，以重量百分比计，％；

Q_g——石的含水量，以重量百分比计，％；

W_s——每立方米混凝土中砂的重量，kg；

W_g——每立方米混凝土中石的重量，kg；

W_c——每立方米混凝土中胶凝材料的重量，kg；

W_w——每立方米混凝土中水的重量，kg；

T_s——砂的温度，℃；

T_g——石的温度，℃；

T_c——胶凝材料的温度，为水泥和矿物掺合料温度的重量加权平均，℃；

T_w——水的温度，℃。

(3)入仓温度控制效果评价；

依据仓面实时采集的入仓温度信息，参照工程设计技术要求，对可能产生的后续混凝土温控效果进行评价。对温控效果进行评价的入仓温度评价指标可按以下公式计算：

$T_1=T_0+(T_a+\frac{R}{\mathrm{\β}}-T_0)(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\ΣA}}_i{\mathrm{\τ}}_i)$

式中，T₁—混凝土入仓温度，℃；

T₀—混凝土出机口温度，℃；

T_a—气温，℃；

R—太阳辐射热，kJ/(m²·h)，该值与纬度和浇筑时间

有关；

β—表面放热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1；

R/β—太阳辐射热引起的气温升高值，℃；

φ—混凝土在运输装料、转运、卸料过程中热交换系数，装卸料、转运系数每次0.032；

ΣA_iτ_i—为混凝土在运输过程中的热交换系数；A值与混凝土运输工具和其装载混凝土体积有关,τ为运输及等待时间，min，A取值：自卸汽车0.0016-0.0035，吊罐0.0004-0.0007。

(4)浇筑温度控制效果评价；

浇筑温度控制效果的好与坏直接影响到混凝土最高温度，本方法依据仓面监测仪器实时采集的混凝土浇筑温度，对照相应规范和工程设计技术要求，对浇筑温度控制效果做出评价。浇筑温度是入仓混凝土经过平仓振捣后，覆盖上坯混凝土前，在距本坯混凝土表面以下10cm处的混凝土温度，浇筑温度评价指标按以下公式计算：

$T_p=T_1+(T_a+\frac{R}{\mathrm{\β}}-T_1)({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)$

式中，T_p—混凝土浇筑温度，℃；

T₁—混凝土入仓温度，℃；

T_a—气温，℃；

R—太阳辐射热，kJ/(m²·h)，该值与纬度和浇筑时间有关；

β—表面放热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1；

R/β—太阳辐射热引起的气温升高值，℃；

φ₁—混凝土平仓前温度回升系数,φ₁＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间(min)，k取0.0030(1/min)；

φ₂—混凝土平仓以后、振捣至上坯混凝土覆盖前的仓面温度回升系数，可根据实际量测结果确定φ₂，一般在0-1.0之间。

(5)混凝土最高温度控制效果评价；

最高温度是评价混凝土温控效果好与坏的最直接因素，它决定着混凝土的基础温差和内外温差等关键性温控指标，是控制裂缝产生的关键性因素。依据实时监测的混凝土内部温度，对照规范和工程设计技术要求，对可能产生混凝土温控效果进行评价。混凝土最高温度一般根据实际工程经过有限元仿真计算来确定，也可按照下式进行计算得出：

T_max＝T_p+ξT_α-T_co

式中，T_max——混凝土内部最高温度，℃；

T_p——混凝土浇筑温度，℃；

T_α——混凝土最终绝热温升，℃；

T_co——冷却水管降温效果值，℃，一般为2～4℃。水管间距较密时(小于1m)取较大

值，反之取较小值；未采用水管时取值为0℃；

ξ——温升折减系数，与结构最小断面尺寸等因素有关。温升折减系数可按下列原则取值：(1)一次浇筑的大体积混凝土结构，ξ可按下表取值；(2)分层浇筑时，第一层ξ直接按下表取值，第二层及以上浇筑层，已浇筑各层总厚度小于2m，ξ按本层厚度加已浇筑各层总厚度取值；已浇筑各层总厚度大于等于2m，ξ按本层厚度加2m取值。

温升折减系数取值

(6)混凝土冷却目标温度控制效果评价；

大体积混凝土通常要进行一期通水冷却，目的是消减混凝土温度峰值，控制最高温度。本方法依据混凝土内埋设的温度监测仪器和规定的一期冷却时间，监测内部实际平均温度，对照规范和设计技术要求的一期冷却目标温度，对其温控效果进行评价。

为了防止一期冷却结束后的温度反弹，或者保持上下层协调变形，减小上下层温差和温度梯度，或者降低冬季前的内外温差，工程中通常进行中期冷却。本方法根据混凝土内埋设的温度监测仪器和规定的中期冷却时间，监测内部实际平均温度，对照规范和设计技术要求的中期冷却目标温度，对其温控效果进行评价。

大体积混凝土结构通常有横缝或者纵缝，工程上一般要进行接缝灌浆(拱坝也称为封拱灌浆)，但必须在缝两侧混凝土降到一定温度时方能进行灌浆，这个温度称为二期冷却目标温度或者接缝灌浆温度。本方法根据混凝土内埋设的温度监测仪器和规定的二期冷却时间，监测内部实际平均温度，依据规范和设计技术要求的二期冷却目标温度，对二期冷却的温控效果进行评价。

(7)混凝土降温速率控制效果评价；

混凝土的降温速率定义为单位时间内的温度下降幅度，降温速率直接影响应力大小，进而关系到混凝土是否产生裂缝问题，降温速率越大，越容易产生裂缝。本方法以一天内的平均降温幅度定义为降温速率，一期、中期和二期冷却阶段降温速率分别小于1.0～0.5℃/d、0.3℃/d和0.3℃/d。根据实时监测的混凝土内部温度，对照本方法的降温速率限值，评价降温阶段的温控效果。

(8)混凝土温度梯度控制效果评价；

混凝土温度应力大小的根本原因取决于温度梯度的大小，梯度越大,混凝土之间的相互约束越是明显，对混凝土温控防裂越是不利，容易产生裂缝。依据实时监测的混凝土内部温度，混凝土温度梯度可按照下式进行计算，对照规范和工程设计技术要求，对可能产生混凝土温控效果进行评价温度梯度计算需要温度探头实际布置情况和温度数据，对数据进行计算，得出不同部位的温度梯度。基于方便、精度和实用三方面考虑，用三次方程式来拟合混凝土的温度分布：

T(x)＝k₁+k₂x+k₃x²+k₄x³(1)

取4个温度探头的实测温度T(x₁)～T(x₄)，x₁～x₄为相应4个传感器距混凝土结构表面的距离，k₁、k₂、k₃、k₄为设定系数，根据每个温度测点的位置x和相应实测温度T(x)，可得系数k₁～k₄，其中：k₁＝T(x₁),

$k_2=\frac{T\left(x_2\right)-T\left(x_1\right)}{x_2}-k_4{x_2}^2-k_3{x}_2$

$k_3=\frac{\left(T\right(x_2)-T(x_1\left)\right)x_4-\left(T\right(x_4)-T(x_1\left)\right)x_2}{{x_2}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_2}-k_4(x_2+x_4)$

$k_4=\frac{\left(T\right(x_2)-T(x_1\left)\right)({x_3}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_3)-\left(T\right(x_3)-T(x_1\left)\right)({x_2}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_2)+\left(T\right(x_4)-T(x_1\left)\right)({x_2}^2{x}_3-{x_3}^2{x}_2)}{({x_2}^3{x}_3-{x_3}^3{x}_2)(x_2{x}_4-{x_4}^2)-({x_2}^2{x}_4-{x_4}^3{x}_2)(x_2{x}_3-{x_3}^2)}$

根据实测温度拟合出混凝土结构温度分布式(1)，进而得到混

凝土结构的温度梯度为：

$\frac{\∂T\left(x\right)}{\∂x}=k_2+2k_{3}x+3k_4{x}^2---\left(2\right)$

式中，为温度梯度，℃/m；x为混凝土探头位置距离混凝土表面的距离，m。

另外，根据拟合出的温度分布和温度梯度公式，可以求出该时刻任意位置的温度，得到所要关心位置的温度和温度梯度，为评价温控效果提供直接的参考依据。该方法比传统的要了解某个位置的温度必须埋设温度计的方法要方便、直观和简捷很多。

(9)混凝土温度回升控制效果评价；

不同降温阶段的温度回升改变施工期和运行期的理想温降过程，改变混凝土的应力状态，影响混凝土全过程的温控效果，本方法认定温度回升值达到1℃以上时，及时进行通水冷却，控制温度回升。因此，根据实际工程中采集的混凝土内部温度信息，依据相关的判断和评价标准，对温度回升可能产生混凝土温控效果进行评价。

本方法根据实时监测的温控信息，以图、表和曲线等方式显示温控情况，实现了数字工程，又能确保骨料温度、出机口温度、入仓温度、浇筑温度、混凝土最高温度、一期冷却目标温度、中期冷却目标温度、二期冷却目标温度、降温速率、温度梯度和温度回升等数据的及时性和准确性，依据规范和设计技术要求，进而评价各环节的温控效果，实现温控效果评价的全过程化，为工程建设者对各环节的温控进行监督、整改提供依据，确保了工程良好的整体温控效果，保证工程建设质量。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，其特征在于：全过程评价由以下几种评价组成：

骨料温度和砸石温度控制效果评价、出机口温度控制效果评价、入仓温度控制效果评价、浇筑温度控制效果评价、混凝土最高温度控制效果评价、混凝土冷却目标温度控制效果评价、混凝土降温速率控制效果评价、混凝土温度梯度控制效果评价、混凝土温度回升控制效果评价。

2.按照权利要求1所述一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，其特征在于：所述出机口温度控制效果评价依据下面公式进行评价：

$T_0=\frac{(0.2+Q_S)W_S{T}_S+(0.2+Q_g)W_g{T}_g+0.2W_c{T}_c+(W_w-Q_s{W}_s-Q_g{W}_g)T_w}{0.2(W_s+W_g+W_c)+W_w}$

式中，T₀——混凝土出机口温度，℃；

Q_s——砂的含水量，以重量百分比计，％；

Q_g——石的含水量，以重量百分比计，％；

W_s——每立方米混凝土中砂的重量，kg；

W_g——每立方米混凝土中石的重量，kg；

W_c——每立方米混凝土中胶凝材料的重量，kg；

W_w——每立方米混凝土中水的重量，kg；

T_s——砂的温度，℃；

T_g——石的温度，℃；

T_c——胶凝材料的温度，为水泥和矿物掺合料温度的重量加权平均，℃；

T_w——水的温度，℃。

3.按照权利要求1所述一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，其特征在于：所述入仓温度控制效果评价指标按以下公式计算：

$T_1=T_0+(T_a+\frac{R}{\mathrm{\β}}-T_0)(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\ΣA}}_i{\mathrm{\τ}}_i)$

式中，T₁—混凝土入仓温度，℃；

T₀—混凝土出机口温度，℃；

T_a—气温，℃；

R—太阳辐射热，kJ/(m²·h)，该值与纬度和浇筑时间有关；

β—表面放热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1；

R/β—太阳辐射热引起的气温升高值，℃；

φ—混凝土在运输装料、转运、卸料过程中热交换系数，装卸料、转运系数每次0.032；

ΣA_iτ_i—为混凝土在运输过程中的热交换系数；A值与混凝土运输工具和其装载混凝土体积有关,τ为运输及等待时间，min，A取值：自卸汽车0.0016-0.0035，吊罐0.0004-0.0007。

4.按照权利要求1所述一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，其特征在于：所述浇筑温度评价指标按以下公式计算：

$T_p=T_1+(T_a+\frac{R}{\mathrm{\β}}-T_1)({\mathrm{\φ}}_1+{\mathrm{\φ}}_2)$

式中，T_p—混凝土浇筑温度，℃；

T₁—混凝土入仓温度，℃；

T_a—气温，℃；

R—太阳辐射热，kJ/(m²·h)，该值与纬度和浇筑时间有关；

β—表面放热系数，kJ·(m²·h·℃)^-1；

R/β—太阳辐射热引起的气温升高值，℃；

φ₁—混凝土平仓前温度回升系数,φ₁＝kτ，τ为混凝土入仓后到平仓前的时间(min)，k取0.0030(1/min)；

φ₂—混凝土平仓以后、振捣至上坯混凝土覆盖前的仓面温度回升系数，可根据实际量测结果确定φ₂，一般在0-1.0之间。

5.按照权利要求1所述一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，其特征在于：所述混凝土最高温度控制效果评价按照下式进行计算得出：

T_max＝T_p+ξT_α-T_co

式中，T_max——混凝土内部最高温度，℃；

T_p——混凝土浇筑温度，℃；

T_α——混凝土最终绝热温升，℃；

T_co——冷却水管降温效果值，℃，水管间距小于1m取较大值，反之取较小值；未采用水管时取值为0℃；

ξ——温升折减系数。

6.按照权利要求1所述一种大体积混凝土温控效果全过程评价方法，其特征在于：所述混凝土温度梯度控制效果评价用三次方程式来拟合混凝土的温度分布：

T(x)＝k₁+k₂x+k₃x²+k₄x³

取4个温度探头的实测温度T(x₁)～T(x₄)，x₁～x₄为相应4个传感器距混凝土结构表面的距离，k₁、k₂、k₃、k₄为设定系数，根据每个温度测点的位置x和相应实测温度T(x)，可得系数k₁～k₄，其中：k₁＝T(x₁),

$k_2=\frac{T\left(x_2\right)-T\left(x_1\right)}{x_2}-k_4{x_2}^2-k_3{x}_2$

$k_3=\frac{\left(T\right(x_2)-T(x_1\left)\right)x_4-\left(T\right(x_4)-T(x_1\left)\right)x_2}{{x_2}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_2}-k_4\left(x_2+x_4\right)$

$k_4=\frac{\left(T\right(x_2)-T(x_1\left)\right)({x_3}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_3)-\left(T\right(x_3)-T(x_1\left)\right)({x_2}^2{x}_4-{x_4}^2{x}_2)+\left(T\right(x_4)-T(x_1\left)\right)({x_2}^2{x}_3-{x_3}^2{x}_2)}{({x_2}^3{x}_3-{x_3}^3{x}_2)(x_2{x}_4-{x_4}^2)-({x_2}^3{x}_4-{x_4}^3{x}_2)(x_2{x}_3-{x_3}^2)}$

根据实测温度拟合出混凝土结构温度分布式，进而得到混凝土结构的温度梯度为：

$\frac{\∂T\left(x\right)}{\∂x}=k_2+2k_{3}x+3k_4{x}^2$

式中，为温度梯度，℃/m；x为混凝土探头位置距离混凝土表面的距离，m。