斜拉橋下塔柱大體積混凝土溫控研究

白 勇，張燦麗

（洛陽市公路管理局，河南 洛陽 471000）

0 前言

對大體積混凝土若不采取溫控措施，由于日照影響混凝土的澆筑溫度一般都要比同日氣溫高3℃～5℃；隨后混凝土的內(nèi)部溫度還會(huì)由于水泥的水化放熱作用升高10℃～20℃，甚至高達(dá)40℃以上。此外，混凝土是熱的不良導(dǎo)體，自然冷卻速度十分緩慢，延續(xù)時(shí)間需要幾年甚至十幾年，這對大體積混凝土是十分不利的[1,2]。

大量的研究表明[3～5]：工程結(jié)構(gòu)中大量的裂縫都是由于溫度、收縮和不均勻變形引起的，只有少量的裂縫源于荷載。大體積混凝土由于散熱困難，澆筑完畢后的幾天內(nèi)其內(nèi)部溫度上升很快，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部和表面產(chǎn)生較大的溫差，溫度應(yīng)力容易使混凝土產(chǎn)生表面裂縫甚至深層貫穿裂縫，嚴(yán)重影響工程質(zhì)量，威脅其安全性和耐久性。此外，由于大體積混凝土內(nèi)外溫差受到環(huán)境因素的極大影響，尤其是冬季施工期間，突然的外界降溫使混凝土內(nèi)外溫差加劇，這種情況往往是混凝土裂縫產(chǎn)生的催化劑。

1 工程概況

福州至銀川高速公路九江長江公路大橋?yàn)殡p塔不等跨混合梁斜拉橋，下塔柱實(shí)心段屬大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。其實(shí)景見圖2所示。

圖1 下塔柱結(jié)構(gòu)圖（單位：cm）

圖2 下塔柱結(jié)構(gòu)實(shí)景

大體積混凝土澆筑后將產(chǎn)生較高的水化熱溫升，形成不均勻非穩(wěn)定溫度場，產(chǎn)生非均勻的溫度變形，溫度變形在下部結(jié)構(gòu)、邊界和自身的約束之下將產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力往往超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，容易導(dǎo)致混凝土開裂。

為防止溫度裂縫，保證工程質(zhì)量，必須開展溫度控制研究，并采取合理的溫度控制措施。溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施的制訂則需要依據(jù)溫控計(jì)算與溫控設(shè)計(jì)。同時(shí)，為檢驗(yàn)溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控效果并便于調(diào)整溫控措施，還需進(jìn)行溫控監(jiān)測，做出溫控監(jiān)測設(shè)計(jì)。由于下塔柱施工處在冬季，環(huán)境溫度處于一年中的最低時(shí)段，這對大體積混凝土的溫控是最不利的，更容易產(chǎn)生較高的內(nèi)外溫差而導(dǎo)致混凝土開裂。斜拉橋的下塔柱往往整體高于地表，空氣流動(dòng)更容易使混凝土表面溫度較快下降，尤其是冬季季節(jié)里出現(xiàn)極端天氣時(shí)，其溫控要求更嚴(yán)。

2 大體積混凝土內(nèi)外溫差

大體積混凝土初始時(shí)期的內(nèi)部溫度是一個(gè)顯著的動(dòng)態(tài)變化過程，其內(nèi)外溫差可以表達(dá)為：

式中：T（t）——混凝土澆筑溫度；

T0——水化熱的絕熱溫升值；

Ts（t）——混凝土散熱溫降值；

Tα（t）——外界溫度；

ξ——溫降系數(shù)。

在絕熱情況下，混凝土溫度將持續(xù)上升，其溫度變化為：

其中，W為單位體積水泥含量；q為單位重量水泥水化熱；c為比熱；ρ為混凝土容重。

散熱溫降取決于混凝土內(nèi)部散發(fā)的熱量，散發(fā)熱量的大小又與周圍溫差密切關(guān)聯(lián)。

為降低大體積混凝土由于水化熱導(dǎo)致的混凝土開裂，溫控研究的出發(fā)點(diǎn)就是要降低內(nèi)外溫差△T（t）。

溫度場的求解有理論法、差分法和有限元法等多種方法，本文應(yīng)用有限元法求解大體積混凝土溫度場微分方程。

3 溫控標(biāo)準(zhǔn)與措施

3.1 溫控標(biāo)準(zhǔn)

3.1.1 混凝土內(nèi)部允許最高溫度

混凝土內(nèi)部最高溫度是指混凝土澆筑塊內(nèi)部最高溫度的允許值，該值定為60℃。

3.1.2 澆筑溫度

混凝土入倉并經(jīng)過平倉振搗后，在上層混凝土覆蓋前距混凝土表面10～15 cm處的溫度為澆筑溫度?？刂茲仓囟葘档突炷羶?nèi)部最高溫度具有重要意義。應(yīng)控制混凝土澆筑溫度不大于T+4℃（T為澆筑期旬平均氣溫），炎熱季節(jié)施工時(shí)澆筑溫度不得大于32℃。

3.1.3 內(nèi)外溫差

混凝土塊體內(nèi)部平均溫度與表面溫度之差為內(nèi)外溫差。為防止混凝土內(nèi)外溫差過大引起表面裂縫，施工中需控制混凝土內(nèi)外溫差小于25℃。

3.1.4 保溫標(biāo)準(zhǔn)

混凝土表面裂縫多發(fā)生在澆筑的初期，而初期的氣溫驟降是引起表面裂縫的主要外因。當(dāng)平均氣溫在2～3 d內(nèi)連續(xù)下降6℃～9℃時(shí)，未滿28 d齡期的混凝土暴露表面可能產(chǎn)生裂縫。因此應(yīng)采取的保溫標(biāo)準(zhǔn)為2～3 d內(nèi)連續(xù)下降小于6℃～9℃。

3.1.5 降溫速率

控制降溫速率可使混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力得到及時(shí)釋放，對減少溫度裂縫具有重要意義。混凝土降溫速率應(yīng)控制在不大于3℃／d。

3.2 溫控措施

（1）在滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，盡量優(yōu)化配合比，減少水泥用量，確保水化熱絕熱溫升不超過規(guī)定的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

（2）采用雙摻技術(shù)，摻用30%以上的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，采用緩解水化熱效果好的外加劑，降低混凝土的水化熱溫升。

（3）改善骨料級配：在現(xiàn)場條件許可和保證質(zhì)量的前提下，可選擇較大粒徑的骨料及減少砂率。

（4）調(diào)整施工時(shí)間：應(yīng)盡量選擇氣溫較低的日子施工，同時(shí)盡量安排每一澆筑層的中下部混凝土在夜間和早上澆筑，表面在白天澆筑。

（5）降低入倉溫度，使混凝土的澆筑溫度小于澆筑期的旬平均氣溫+4℃，且不大于32℃。

a.水泥提前入罐，讓其自然冷卻，確保拌和前的水泥溫度不高于70℃。

b.當(dāng)氣溫較高時(shí),采用搭涼棚，堆高骨料、底層取料和用涼水噴淋骨料等方法降低骨料溫度。

c.當(dāng)氣溫較高時(shí)，用冰水拌合混凝土。

d.加快運(yùn)輸和入倉速度，減少混凝土在運(yùn)輸和澆筑過程中的溫度回升。當(dāng)白天氣溫較高時(shí)，在混凝土輸送管上覆蓋保溫布，并灑水降溫，夜間必須再揭開保溫布散熱。

（6）采用冷卻水管[6～8]。

a.冷卻水管的水平間距和上下層基本間距1 m，水管間的間距誤差不得超過±5 cm。

b.單根水管長度以小于150 m為宜。

c.水管內(nèi)通水流量為不小于25 L/min，冷卻水的進(jìn)水口水溫以不大于20℃為宜。

d.冷卻通水從水管被混凝土覆蓋后開始，覆蓋一層通水冷卻一層，通水時(shí)間不小于14 d，具體結(jié)束時(shí)間應(yīng)根據(jù)視混凝土溫升、溫降情況而定。

e.冷卻水管應(yīng)采用導(dǎo)熱性能好的金屬管，管內(nèi)徑大于30 mm,水管安裝應(yīng)保證質(zhì)量，安裝后應(yīng)通水檢查，防止管道漏水或阻塞。

f.應(yīng)確保通水期間的水源和流量，中途不得發(fā)生停水事故。

（7）合理分層、分塊澆筑。

（8）分層澆筑時(shí)，應(yīng)控制混凝土層間的澆筑間歇期，間歇期以小于15 d為宜。

（9）表面保溫與養(yǎng)護(hù)，采用保溫材料（土工布或塑料薄膜加草袋）繼續(xù)保溫達(dá)8 d，拆模時(shí)間應(yīng)在7 d齡期之后。混凝土側(cè)面應(yīng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，使其始終保持濕潤狀態(tài)。

（10）為檢驗(yàn)施工質(zhì)量和溫控效果，及時(shí)掌握溫控信息，以便及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)溫控措施，應(yīng)進(jìn)行溫度控制監(jiān)測，及時(shí)掌握內(nèi)外溫差則可以及時(shí)調(diào)整保護(hù)層厚度。大體積混凝土的溫度應(yīng)力和防裂問題是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，外界溫度和濕度、施工條件、溫控程序、原材料變化等都會(huì)引起溫度應(yīng)力的變化，只有通過溫控監(jiān)測，才能更準(zhǔn)確地了解結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與抗裂安全狀況。

4 溫控分析

溫控計(jì)算采用MIDAS2006有限元設(shè)計(jì)、分析軟件進(jìn)行建模計(jì)算。該計(jì)算能夠模擬混凝土實(shí)際施工過程，不僅考慮了混凝土的澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)、保溫和混凝土的邊界條件，而且考慮了混凝土的彈性模量、徐變、自生體積變形、水化熱的散發(fā)規(guī)律等物理熱學(xué)性能。

4.1 計(jì)算依據(jù)及參數(shù)確定

混凝土澆筑后的溫度與水泥的水化熱溫升、混凝土的澆筑溫度和澆筑進(jìn)度、外界氣溫、表面保護(hù)等多種因素有關(guān)。環(huán)境平均溫度：10℃；混凝土：C50；泊松比：u=1/6；密度：ρ=2 438 kg/m3；熱膨脹系數(shù)：а=0.825×10-5；導(dǎo)熱系數(shù)：λ=2.38 kcal/(m·h·℃)；比熱：с=960 J/kg·℃=0.23 kcal/kg·℃。

4.2 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷卻水管的水平間距和上下層基本間距1 m，水管間的間距誤差不超過±5 cm，單根水管長度應(yīng)小于150 m，水管內(nèi)通水流量為不小于25 L/min，冷卻水的進(jìn)水口水溫以不大于20℃為宜。具體如圖3所示。

圖3 下塔柱冷卻水管布置圖（單位：cm）

4.3 分析結(jié)果

為了更清楚地了解水化熱分析的特征，混凝土中心和表面的溫度隨時(shí)間變化如下圖4所示（點(diǎn)位470指混凝土中心，點(diǎn)位548指混凝土表面）。

圖4 下塔柱混凝土內(nèi)外特征點(diǎn)溫度時(shí)程圖

從上面內(nèi)外特征點(diǎn)溫度時(shí)程圖可以看出：最大溫差出現(xiàn)在混凝土澆筑后的33 h，內(nèi)外特征點(diǎn)溫差小于25℃。混凝土澆筑后的第33 h和最大溫度場見圖5所示，可以看出在整個(gè)混凝土水化熱階段，內(nèi)部最高溫度出現(xiàn)在上層混凝土內(nèi)部為55℃，在規(guī)范要求范圍內(nèi)。

圖5 混凝土溫度場

應(yīng)力場分析表明（見圖6和圖7）：混凝土澆筑后的前3 d應(yīng)力上升很快，混凝土在146 h最大有效應(yīng)力達(dá)為1.96 MPa?；炷翝仓膽?yīng)力分析結(jié)果可見，設(shè)置管冷系統(tǒng)處理下，混凝土中應(yīng)力較小，從圖7中可以看出應(yīng)力均在容許應(yīng)力范圍之內(nèi)。

圖6 混凝土應(yīng)力時(shí)程圖

圖7 混凝土應(yīng)力場

下塔柱混凝土在施工過程中一次性進(jìn)行，采用C50的配合比，經(jīng)理論計(jì)算：混凝土內(nèi)外溫差較小，沒有超過25℃，滿足規(guī)范要求，且降溫緩慢，此內(nèi)外溫差和降溫速率不足以產(chǎn)生貫穿裂縫，滿足施工要求。

模型中計(jì)算了澆筑塊內(nèi)埋設(shè)冷卻水管的作用，根據(jù)計(jì)算結(jié)果：冷卻水管進(jìn)出水溫差為：10℃左右。澆筑塊中心在齡期2 d～3 d左右達(dá)到最高溫度，澆筑完成后4 d內(nèi)各層混凝土表面拉應(yīng)力值上升較快，需加強(qiáng)對混凝土表面的保溫措施，減低內(nèi)外溫差。另外，冷卻水管對降低混凝土中心溫度效果較明顯，應(yīng)在上層混凝土澆筑完成后持續(xù)通水冷卻15 d以上。

5 混凝土溫控監(jiān)測

5.1 布點(diǎn)設(shè)計(jì)

溫度傳感器在每層混凝土的中心和表面布置，在平面內(nèi)，由于靠近表面區(qū)域溫度梯度較大，因此測點(diǎn)布置較密。南塔下塔柱布置4層測點(diǎn)，共19個(gè)，儀器的布點(diǎn)如圖8、圖9所示。

圖8 溫度監(jiān)測點(diǎn)立面布置圖（單位：cm）

5.2 監(jiān)測結(jié)果

溫度監(jiān)測結(jié)果如圖10所示，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可以得出:

（1）升溫階段一般只有2～3 d，升溫達(dá)到峰值后，高溫峰值時(shí)間較短，一般約4～8 h。

（2）根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，控制水的流量，使上游下塔柱混凝土最大降溫速率在3.0℃/d內(nèi)，起到了早期削減溫峰及防止溫度回升的效果。

（3）下塔柱內(nèi)部最高溫度小于60℃，滿足要求。

（4）下塔柱各層斷面內(nèi)表溫差一般小于5℃，最大內(nèi)表溫差均低于25℃，滿足要求，控制溫度應(yīng)力和溫度變形效果好，混凝土收縮比較小，產(chǎn)生拉應(yīng)力小，下塔柱沒有出現(xiàn)溫度裂縫。

（5）下塔柱溫度2～3 d內(nèi)連續(xù)下降小于6℃～9℃，降溫速率小于3℃/d，滿足要求。

（6）有限元分析結(jié)果與實(shí)測溫度較好吻合，能正確反映下塔柱實(shí)際穩(wěn)定變化情況。

在下塔柱混凝土施工中，通過設(shè)置冷卻水管通水冷卻，并依靠優(yōu)化混凝土配合比，很大程度上降低混凝土的水化溫升，提高泵送施工性能和耐久性能，整個(gè)下塔柱混凝土符合設(shè)計(jì)要求，沒有出現(xiàn)溫度裂縫，溫控效果良好。

6 結(jié)論

（1）采用有限元法分析大體積混凝土的水化熱產(chǎn)生的溫度及應(yīng)力場受材料性質(zhì)、施工條件和邊界條件等影響較大，需要根據(jù)實(shí)際情況正確模擬，其結(jié)果與實(shí)際吻合較好。

圖9 下塔柱(1/4部分)測溫點(diǎn)布置圖（單位：cm）

圖10 溫度監(jiān)測結(jié)果圖示

（2）溫控標(biāo)準(zhǔn)和措施是大體積混凝土溫控的兩個(gè)重要方面，對溫控結(jié)果影響較大，其確定需要根據(jù)施工可行性制定。

（3）對于如斜拉橋下塔柱露出地表的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，極端天氣下，無法通過周身注水等措施來保溫，理論分析階段的環(huán)境穩(wěn)定確定尤其重要，需要結(jié)合橋位的歷史氣象資料分析確定。

（4）冷卻水管可有效降低混凝土內(nèi)部溫度，但需經(jīng)研究分析來確定其長度、進(jìn)水量、水溫和進(jìn)水時(shí)間長。

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