橋體承臺(tái)大體積混凝土溫度裂縫的控制

摘要：在橋梁承臺(tái)的大體積混凝土施工中，極易出現(xiàn)混凝土水化熱的溫度裂縫，熟悉其形成的原理和方法，使用合適的混凝土澆筑方案有利于橋梁的順利完工。本文對(duì)橋梁承臺(tái)大體積混凝土施工溫度裂縫的控制措施進(jìn)行研究，說(shuō)明了混凝土水化熱的分析原理及方法，分析對(duì)比了多種不同的混凝土澆筑方案，以求得出更好地的施工方案，期望能給人們可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：橋梁承臺(tái)；大體積混凝土；溫度裂縫；控制

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，城市的基礎(chǔ)交通建設(shè)得到了很好的發(fā)展，大跨度、功能復(fù)雜的橋梁建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，這樣直接導(dǎo)致了大體積的混凝土澆筑工程數(shù)量上升。但是如果沒(méi)有對(duì)大體積的混凝土澆筑后的溫度進(jìn)行控制的話(huà)，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫，對(duì)橋梁的施工質(zhì)量和安全性造成了極大的影響，如何控制混凝土溫度裂縫已成為了人們需要解決的問(wèn)題。下面就此進(jìn)行討論分析。

1混凝土水化熱的分析原理及方法

大體積混凝土水化熱溫度場(chǎng)是有內(nèi)熱源的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，在連續(xù)均勻、各向同性的介質(zhì)中，混凝土瞬態(tài)溫度場(chǎng)導(dǎo)熱方程為：

式中：λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；τ為混凝土的齡期；T為τ時(shí)坐標(biāo)（x，y，z）處的瞬時(shí)溫度；q為單位質(zhì)量水泥在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量；c為混凝土的比熱容；ρ為混凝土的密度。

混凝土的絕熱溫升是指混凝土由于膠凝材料的水化放熱，使得溫度逐步上升并最終達(dá)到穩(wěn)定的過(guò)程，因此絕熱溫升的速率與最終溫升值是反映混凝土絕熱溫升過(guò)程的主要參數(shù)。在絕熱條件下，混凝土導(dǎo)熱方程可以簡(jiǎn)化為：

可見(jiàn)在給定水泥的水化放熱規(guī)律后，混凝土的絕熱溫升可由積分得出。

混凝土絕熱溫升數(shù)學(xué)模型的建立通常是先假設(shè)一些帶參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式，然后依據(jù)一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用最小二乘法或其它數(shù)學(xué)方法確定參數(shù)的取值，擬合出一條優(yōu)化曲線(xiàn)來(lái)表達(dá)混凝土絕熱溫升過(guò)程。在齡期τ時(shí)，單位質(zhì)量水泥累計(jì)水化熱Qτ常用指數(shù)模型表達(dá)：

式中：Q0為單位質(zhì)量水泥最終水化熱；m為水化系數(shù)，隨水泥品種、比表面積及澆筑入模溫度不同而不同，m的取值具體見(jiàn)文獻(xiàn)。

考慮混合材影響，單位體積混凝土在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量q'可由下式求得：

式中：W為單位體積混凝土的水泥用量；F為混合材用量；k為不同膠凝材料摻量時(shí)的水化熱調(diào)整系數(shù)，根據(jù)大體積混凝土施工規(guī)范建議，k=k1+k2-1，k1為粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)，k2為礦渣粉摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)。

由式（2）～（4）可得單位體積混凝土絕熱溫升計(jì)算公式：

于是，以水化熱放熱反應(yīng)時(shí)間τ為自變量的放熱函數(shù)為：

通過(guò)求解放熱函數(shù)得到任意時(shí)刻溫度場(chǎng)，再將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體荷載施加到結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)上，給予模型適當(dāng)?shù)倪吔缂s束進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，即可得到應(yīng)力場(chǎng)。

2承臺(tái)工程實(shí)例及混凝土澆筑方案

某大型橋梁采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)采用C30混凝土，厚3.5m，平面尺寸9.42m×10.5m，承臺(tái)頂設(shè)置1.75m×1m的倒角，承臺(tái)底設(shè)置80cm厚C20封底混凝土。

本承臺(tái)在混凝土中摻入了粉煤灰，其配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑∶粉煤灰=344∶735∶1102∶172∶5.1∶47。

根據(jù)水泥生產(chǎn)商提供的資料3d累積水化熱為383kJ/kg，7d累積水化熱為478kJ/kg。將這2組數(shù)據(jù)代入式（3），利用牛頓迭代法可求得Q0=493kJ/kg，m=0.50。

粉煤灰摻量為12%，公式可知k=0.958。

混凝土密度ρ=344+735+1102+172+5.1+47=2405kg/m3，單位體積混凝土的水泥用量W=344kg/m3，混合材用量F=47kg/m3，混凝土比熱容c=0.96kJ/（kg·℃）。將各項(xiàng)參數(shù)代入式（5）求得單位體積混凝土最大絕熱溫升值為：T（∞）=0.958×（344+47）×493/（0.96×2405）=80℃。

承臺(tái)混凝土擬采用如下3種澆筑方案，對(duì)比分析后擇優(yōu)選用：

（1）方案1：不設(shè)置冷卻水管，混凝土一次性澆筑。

（2）方案2：設(shè)置層間距1.5m的雙層冷卻水管，如圖1（b）所示。冷卻水管壁厚2mm，內(nèi)徑50mm，通河水冷卻，布置2層，距承臺(tái)上下面均為1m，2層水管間距1.5m。層內(nèi)冷卻水管的間距為0.9m，迂回布置，距外邊緣約0.75m。

（3）方案3：設(shè)置層間距1.25m的雙層冷卻水管，如圖1（c）所示。此方案將方案2中的上層水管整體下降0.25m，水管距承臺(tái)上下面各為1.25m和1m，水管規(guī)格同方案2。

在混凝土澆筑到各層冷卻水管標(biāo)高后即開(kāi)始通水，通水流量控制在16～20L/min。冷卻水管在停止通水后及時(shí)灌漿封孔，并將伸出混凝土頂面的管道截除。混凝土終凝后在表面灑水養(yǎng)護(hù)，同時(shí)覆蓋土工布或覆蓋塑料薄膜保溫保濕。

圖1 承臺(tái)尺寸及冷卻水管布置方案（單位：cm）

3不同方案下混凝土溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

利用有限元分析軟件Midas對(duì)承臺(tái)水化熱進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)對(duì)稱(chēng)性，取1/4承臺(tái)結(jié)構(gòu)建立模型，考慮到樁基及封底混凝土可提供較強(qiáng)的約束，承臺(tái)底部取固定邊界；混凝土入倉(cāng)溫度20℃，外界環(huán)境溫度29℃；混凝土表面與大氣的對(duì)流系數(shù)取為50.2kJ/m2·h·℃。

3.1溫度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對(duì)比

針對(duì)3種方案，計(jì)算得到的承臺(tái)混凝土的溫度及表面的最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，隨時(shí)間發(fā)展的曲線(xiàn)見(jiàn)圖2～圖7。

根據(jù)大體積混凝土施工規(guī)范的規(guī)定：“混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50℃；混凝土澆筑體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃”。

方案1澆筑120h后混凝土內(nèi)部溫度最高達(dá)到89℃，比入模溫度高出69℃，且混凝土表里溫差最高達(dá)到56℃，超出規(guī)范限值。在澆筑完成后120h左右表面主拉應(yīng)力達(dá)到1.27MPa，易產(chǎn)生早期混凝土裂縫。

方案2澆筑72h后混凝土內(nèi)部溫度最高達(dá)到70℃，比入模溫度高出50℃，混凝土表里溫差最高達(dá)到27℃，略超出規(guī)范限值，混凝土表面主拉應(yīng)力最高0.67MPa。相比較方案1，溫度和應(yīng)力峰值都有大幅度降低，說(shuō)明了冷卻水管在降低大體積混凝土水化熱不利影響方面的效果顯著。方案3在方案2基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整了水管的布置位置，將層間距由1.5m減小到1.25m，計(jì)算得到各峰值進(jìn)一步降低，均能滿(mǎn)足規(guī)范要求，但均臨近限值，說(shuō)明對(duì)于此工程水管層間距1.25m已臨近最大值。

3.2溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)對(duì)比

圖8和圖9顯示了在不設(shè)置冷卻水管情況下的最大溫度場(chǎng)以及混凝土表面主拉應(yīng)力最大時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布。可見(jiàn)，溫度從內(nèi)到外逐漸遞減，里表溫差大，從而導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。

由前述對(duì)3種方案的對(duì)比分析可知方案3最優(yōu)。圖10和圖11分別為方案3最大溫度場(chǎng)以及混凝土表面主拉應(yīng)力最大時(shí)的應(yīng)力場(chǎng)分布，可見(jiàn)，2層冷卻水管把承臺(tái)混凝土的溫度分布隔成從上到下的3塊區(qū)域，各區(qū)域溫度峰值相比方案1大大降低。由方案1的主應(yīng)力場(chǎng)（圖9）和方案3的主應(yīng)力場(chǎng)（圖11）可知在混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大時(shí)，整個(gè)混凝土表面幾乎全處于受拉狀態(tài)，且面上主拉應(yīng)力普遍大于棱角處主拉應(yīng)力，分析圖8及圖10的溫度場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部最高溫度有一定的區(qū)域，且在邊緣處呈弧形分布，高溫區(qū)域的邊緣到面的距離小于到棱角處的距離，所以高溫區(qū)域的邊緣到面之間的溫度變化更劇烈，相應(yīng)的主拉應(yīng)力更大。

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)橋梁承臺(tái)大體積混凝土多種施工方案的水化熱仿真分析，有如下結(jié)論：

（1）承臺(tái)大體積混凝土在澆筑4～5d后溫度達(dá)到最高，其后逐漸降低，應(yīng)力變化與溫度變化基本同步，內(nèi)部受壓，外部受拉。在混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大時(shí)，整個(gè)混凝土表面基本處于受拉狀態(tài)，且面上的主拉應(yīng)力普遍大于棱角處的主拉應(yīng)力。

（2）布置冷卻水管可使混凝土最高溫度到達(dá)時(shí)間縮短至2～3d，冷卻水管的連續(xù)通水時(shí)間控制在3～4d為宜。

（3）當(dāng)采用普通硅酸鹽水泥混凝土且使用常規(guī)尺寸（內(nèi)徑50mm）的冷卻水管時(shí)，層間距一般不宜超過(guò)1.25m，否則溫升容易超出大體積混凝土施工規(guī)范的限值。

5 結(jié)語(yǔ)

由上文我們可以看出，橋梁承臺(tái)的大體積混凝土在施工完成后由于水化熱會(huì)形成溫度差，極易使橋體發(fā)生裂縫的現(xiàn)象，不僅會(huì)破壞混凝土的穩(wěn)定性，還會(huì)影響整個(gè)工程的質(zhì)量。我們?yōu)榱吮ＷC橋梁的施工質(zhì)量和安全性，就要采取科學(xué)合理的施工方案，結(jié)合有效的方發(fā)來(lái)防治混凝土裂縫問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

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