預(yù)制混凝土箱梁快速降溫的措施及效果分析

周勇政，朱爾玉，李學民，2，亓永秋

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044;2.中鐵四局集團有限公司，合肥 230023;3.萊蕪市高級技工學校，山東 萊蕪 271100)

我國鐵路客運專線采用的預(yù)制箱梁，具有局部尺寸大、強度高、單方水泥用量大等特點。在水泥水化過程中，混凝土放熱速率快、放熱量大、內(nèi)部水化熱散發(fā)慢，預(yù)制箱梁梁體溫度可能超過70℃［1－2］。在箱梁降溫的過程中，由于混凝土導熱性較差，箱梁局部的降溫速度只有0.34℃/h。為滿足《鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南》中“拆除模板時，梁體混凝土芯部與表層、表層與環(huán)境溫差不宜超過15℃”的規(guī)定。降溫過程將占用大量的時間，延長了箱梁的預(yù)制周期。

本文針對預(yù)制箱梁梁體溫度降低慢的問題，結(jié)合某線龍王梁場的試驗措施，對試驗結(jié)果進行了初步分析，并進一步提出了預(yù)制箱梁快速降溫的建議，以期為箱梁的設(shè)計與施工提供有益的參考。

1 工程概況

中鐵四局集團某客運專線河南段項目部龍王梁場，共需預(yù)制399榀簡支箱梁，其中32 m箱梁387榀，24 m箱梁12榀。以32 m預(yù)制箱梁為例，預(yù)制箱梁為雙線預(yù)制整孔單箱單室結(jié)構(gòu)，梁體詳細尺寸見表1。

表1 箱梁結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù) mm

梁體一次澆筑成型，混凝土用量為324 m3，澆筑時間為7 h。梁體的混凝土強度等級為 C50，彈性模量為43.4 GPa，每立方米混凝土材料用量為:水泥(P.O 42.5)342 kg，粉煤灰(Ⅰ級)82 kg，礦粉(S95)58 kg，細骨料(中砂)698 kg，粗骨料(5 ～20 mm)1 132 kg，外加劑(RAWY101)5.8 kg，拌合水(飲用水)108 kg。

龍王梁場的預(yù)計施工時間約為一年，在溫度較高的季節(jié)，預(yù)制箱梁僅需自然養(yǎng)護即可;而在溫度較低的季節(jié)，需進行蒸汽養(yǎng)護。但不論采用何種養(yǎng)護措施，箱梁芯部溫度都降低得十分緩慢，因此研究預(yù)制箱梁快速降溫的措施對加快施工進度，提高經(jīng)濟效益具有十分重要的意義。

2 快速降溫措施

2.1 預(yù)應(yīng)力孔道通入循環(huán)水

在預(yù)制箱梁混凝土澆筑完成8～10 h后，混凝土達到終凝，將預(yù)埋橡膠棒抽出，形成預(yù)應(yīng)力孔道，預(yù)應(yīng)力孔道的位置及編號如圖1所示。待抽出預(yù)埋橡膠棒形成預(yù)應(yīng)力孔道后，將 N4、N5、N8、N9孔道用橡膠短管相連，形成循環(huán)通路，利用水泵及時地向預(yù)應(yīng)力孔道中注水，循環(huán)水由N9孔道泵入，流經(jīng)一個循環(huán)，從N4孔道流出。循環(huán)用水的水溫與預(yù)制箱梁梁體芯部溫度之差宜控制在15℃以內(nèi)，防止預(yù)制箱梁因溫差過大而出現(xiàn)裂縫;同時，溫差應(yīng)>10℃，否則，達不到快速降溫的效果。在停止循環(huán)水之后，預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉之前，對通入循環(huán)水的孔道進行清孔，清孔方法采用倒虹吸法。

通過該項措施，由循環(huán)水的流動帶走預(yù)制箱梁混凝土內(nèi)產(chǎn)生的部分水化熱，達到降低預(yù)制箱梁梁體的最高溫度，加快梁體降溫速率的目的;同時，由于預(yù)應(yīng)力孔道位于梁體腹板芯部位置，此項措施還可以減小梁體腹板芯部與表層的溫差，避免出現(xiàn)溫度裂縫。

圖1 預(yù)應(yīng)力孔道位置及編號(單位:mm)

2.2 鼓風機的使用

預(yù)制箱梁的頂板、腹板、底板在端部位置都加厚，使得預(yù)制箱梁的內(nèi)腔呈現(xiàn)出跨中位置空間大、端部位置空間小的縮口形狀。同時，由于內(nèi)模的存在，極大地限制了腔室內(nèi)部空氣的流通，使得箱梁內(nèi)腔溫度較高，降溫速度較慢，進而導致預(yù)制箱梁梁體溫度降低緩慢。

針對這一問題，從蓄水養(yǎng)護開始，就立即在預(yù)制箱梁兩端各放置一臺大功率鼓風機進行通風，通風方向須一致，即一臺鼓風機向箱梁內(nèi)腔內(nèi)部吹風，另一臺鼓風機從箱梁內(nèi)腔向外吹風，從而使預(yù)制箱梁內(nèi)腔空氣流通，加速散熱。本次試驗使用的是江蘇常州產(chǎn)的SFG7－4型離心鼓風機，額定轉(zhuǎn)速1 450 r/min，風量為24 500 m3/h。

2.3 從控制箱梁混凝土的入模溫度入手

對拌合物的原材料溫度加以控制:

1)把已篩選好的砂子、碎石分別堆存于梁場全封閉的料棚內(nèi)，盡量加大骨料的堆存高度，同時采取噴水降溫措施。

2)拌合用水直接抽取深層地下水，水溫較低且恒定。為了提高預(yù)冷混凝土的效果，在拌合用水中加入碎冰屑，進一步降低拌合用水的溫度。

3)水泥罐采用六個罐體循環(huán)倒用，以延長膠凝材料的存放時間，水泥在攪拌時溫度保持在30℃ ～45℃之間。

2.4 澆筑時段的選擇

在夏季，白天溫度較高，中午時段外界溫度可達35℃以上。因此，預(yù)制箱梁混凝土的澆筑時段應(yīng)選擇在每天下午6時以后，至次日上午10時以前，既可避開模板、鋼筋高溫時間段澆筑，也可以在一定程度上降低混凝土拌合物的溫度，有利于降低預(yù)制箱梁梁體的最高溫度。

2.5 遮陽棚的使用

在溫度較高的季節(jié)，陽光照射強烈，為防止陽光直射在混凝土、模板的表面，造成箱梁混凝土表層溫度過高，表面水分蒸發(fā)過快，在預(yù)制箱梁混凝土澆筑完成后，及時覆蓋遮陽棚，避免陽光的直射。

目前，在預(yù)制箱梁的施工中，措施2.3～2.5的應(yīng)用比較普遍，而措施2.1、2.2的應(yīng)用則很少。針對這種情況，本文進行了對比試驗。

本次試驗對同時澆筑的兩榀箱梁分別進行溫度測試，于9月份在龍王梁場進行，預(yù)制箱梁采用自然養(yǎng)護養(yǎng)生，外界環(huán)境溫度比較高，白天陽光照射強烈。第一榀試驗梁采用的措施如2.3～2.5所述;第二榀試驗梁采用了上述介紹的全部措施。

3 溫度測試及效果分析

試驗箱梁的溫度測試采用航源平洋無線測溫系統(tǒng)。將無線測溫元件埋于混凝土箱梁內(nèi)部預(yù)定的測點位置，通過電纜線接在梁體外部的集線盒上，測得的溫度信號經(jīng)過接在集線盒上的無線發(fā)射裝置發(fā)射出去。室內(nèi)的無線接收裝置與電腦相連，接收到的溫度信號經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換為電腦可識別的數(shù)字信息，由配套的軟件，直觀、精確地顯示出來;并可實現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的存儲、處理、打印等功能。溫度數(shù)據(jù)的記錄頻率可由用戶自己設(shè)定，溫度分辨率為0.01℃。

圖2 預(yù)制箱梁溫度測點布置(單位:mm)

3.1 測點布置

箱梁溫度測試點應(yīng)具有代表性，并按截面尺寸越大，溫度越高的原則布置在溫度最高點處，同時應(yīng)考慮測量截面的溫度分布等。根據(jù)預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)沿縱向?qū)ΨQ的特點，僅取跨中和支點兩個截面布置測點即可;同時，預(yù)制箱梁結(jié)構(gòu)沿橫向也對稱，故取跨中和支點兩個截面的一半布置測點，即可記錄預(yù)制箱梁的整體溫度變化情況。

本次試驗每榀梁布置梁體溫度測點29個，環(huán)境溫度測點5個。其中跨中截面布置12個，支點截面布置12個，溫度測點的布置位置如圖2所示。

3.2 測量結(jié)果

預(yù)制箱梁體積較大，混凝土澆筑用時共計7 h，各測點的溫度測量是從混凝土加水攪拌為起始點的。試驗梁中溫度測點布置較多，由于本文篇幅有限，特選取幾個有代表性的溫度測點，在不同的降溫措施條件下，分別繪出溫度隨時間的變化曲線，以檢驗快速降溫措施的有效性。

選取的測點為:T3、T9、T10、T11、T13、T21、T23。從整體的測溫結(jié)果來看，這些測點的溫度較高，降溫速度較慢，是預(yù)制箱梁梁體溫度能否達標的控制點。各測點的溫度隨時間的變化曲線見圖3～圖8。圖中，自然養(yǎng)護表示試驗梁采用2.3～2.5的措施;通水養(yǎng)護表示試驗梁采用了2.1～2.5的全部措施。

圖3 跨中上倒角處測點的溫度變化曲線

圖4 跨中腹板中部處測點的溫度變化曲線

圖5 跨中下倒角處測點的溫度變化曲線

圖6 支點上倒角處測點的溫度變化曲線

圖7 支點腹板處測點的溫度變化曲線

圖8 支點下倒角處測點的溫度變化曲線

為加快施工進度，預(yù)制箱梁的模板需在滿足規(guī)范要求的條件下，盡早拆除。拆模一般都在白天進行，本次試驗的時間為9月份，白天氣溫多在25℃以上。根據(jù)文獻［3］中溫差不大于15℃的規(guī)定，當預(yù)制箱梁內(nèi)部溫度達到40℃時，側(cè)模必定可以拆除。為更加明確的看出兩組試驗梁的溫度變化情況，將試驗梁的頂板、腹板、底板的溫度數(shù)據(jù)列于表2、表3中。其中，表2為第一組試驗梁的溫度數(shù)據(jù);表3為第二組試驗梁的溫度數(shù)據(jù)(表2、表3中，“H”表示某一測點溫度達到40℃時所需要的時間)。

表2 第一組試驗梁的溫度變化情況

表3 第二組試驗梁的溫度變化情況

3.3 效果分析

1)由圖3～圖8中的曲線可以看出，無論采取何種降溫措施，預(yù)制箱梁梁體各個部位的最高溫度均出現(xiàn)在混凝土攪拌后的22～29 h的范圍內(nèi)。兩組試驗梁的最高溫度均出現(xiàn)在端部腹板與頂板交叉處T13的位置，第一組試驗梁的最高溫度達67.22℃，已經(jīng)超出規(guī)范的要求，且高溫持續(xù)的時間較長;第二組試驗梁的最高溫度為60.53℃，且高溫持續(xù)時間相對較短，由此可見，通入循環(huán)水對降低梁體的最高溫度具有顯著的效果。

2)對第二組試驗梁的腹板，跨中 T10點、端部T13、T21點的最高溫度降低約5～8℃，降溫速率由第一組的0.4℃/h升至0.6℃/h左右，高溫持續(xù)時間也明顯縮短，其中效果最為顯著的是端部的T21點，其余位置的降溫效果并不十分顯著。究其原因，是因為降溫較快的位置與腹板中的預(yù)應(yīng)力孔道較為接近，孔道中通入循環(huán)水對這些位置的溫度影響尤為顯著。在兩組試驗梁的頂板與底板中，跨中的最高溫度都較低，這與梁體表面澆水養(yǎng)護、內(nèi)腔有鼓風機通風、跨中梁體尺寸較小有密切的關(guān)系;而端部的溫度相對較高，是由于端部梁體混凝土尺寸較大的緣故。

3)混凝土的溫差是引起預(yù)制箱梁梁體溫度應(yīng)力的直接原因，溫差過大，甚至會造成梁體開裂。施工中，梁體的最大溫差一般都發(fā)生在梁體尺寸較大處，如箱梁端部腹板及倒角處。在本次試驗中，梁體芯部與表面的溫差都未超過規(guī)范的規(guī)定值。但第二組試驗梁由于通入循環(huán)水，降低了梁體芯部的溫度，使梁體芯部與表面的溫差明顯減小，對控制梁體的溫度應(yīng)力是十分有效的。

4 結(jié)論

預(yù)制箱梁在施工過程中，最高溫度及最大溫差都發(fā)生在梁體尺寸較大處，該部位降溫困難，給施工造成很大的不便。本文通過試驗得出，通過在預(yù)應(yīng)力孔道中通入循環(huán)水能夠有效地降低梁體芯部的最高溫度，減小梁體內(nèi)外溫差，對加快箱梁模板循環(huán)使用，提高預(yù)制箱梁質(zhì)量，加快施工進度具有積極的意義。

該措施對距離循環(huán)水較遠的部位，如溫度較高的端部底板、跨中上倒角等位置，很難起到效果。同時，預(yù)應(yīng)力孔道通水后，孔道里的水雖然通過倒虹吸法吸出，但仍有剩余水滯留于孔道中，在預(yù)應(yīng)力筋穿入、初張后，終張、灌漿之前的這段時間，易造成預(yù)應(yīng)力筋的腐蝕等。

［1］馮德飛，盧文良.混凝土箱梁水化熱溫度試驗研究［J］.鐵道工程學報，2006(8):62－67.

［2］李云龍，王鵬，葉仁亦.杭州灣跨海大橋移動模架施工混凝土箱梁水化熱溫度監(jiān)測分析［J］.鐵道建筑，2008(4):4－6.

［3］中華人民共和國鐵道部.TZ213—2005客運專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.