某拱橋拱座基礎(chǔ)大體積混凝土溫度控制研究

黃 海 棠

(廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

某拱橋拱座基礎(chǔ)大體積混凝土溫度控制研究

黃 海 棠

(廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007)

從物理化學(xué)的角度研究了大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生機理，介紹了大體積混凝土溫控方法，采用數(shù)值仿真手段，研究了某拱橋拱座基礎(chǔ)大體積混凝土的水化熱規(guī)律，制定了具備可操作性的溫控方案，在拱座基礎(chǔ)大體積混凝土澆筑及保養(yǎng)過程中采取有效的溫控措施，取得了良好的溫控效果，拱座基礎(chǔ)的工程質(zhì)量得到保證。

大體積混凝土，水化熱，溫度控制

0 引言

大體積混凝土澆筑后，由于材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)大量放熱，混凝土必須經(jīng)歷升溫～降溫過程，在此過程中，由于溫度分布不均勻，易發(fā)生混凝土表面或內(nèi)部開裂，影響結(jié)構(gòu)耐久性和承載能力。

有關(guān)文獻[1][2]把現(xiàn)場澆筑的最小邊尺寸大于或等于1 m的混凝土定義為大體積混凝土。由于橋梁結(jié)構(gòu)往往要承受很大的荷載，構(gòu)件尺寸較大，很難避免采用大體積混凝土，大體積混凝土在橋梁工程中較為普遍。如何有效進行大體積混凝土的溫度控制是橋梁工程技術(shù)人員常要面臨和解決的問題。

1 大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生機理

1.1化學(xué)作用

水泥熟料主要成分為硅酸三鈣(3CaO·SiO2)、硅酸二鈣(2CaO·SiO2)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)、鐵鋁酸四鈣(4CaO·Al2O3·Fe2O3)四種礦物質(zhì)，水泥水化過程是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，化學(xué)反應(yīng)過程往往同時有放熱現(xiàn)象存在，混凝土凝結(jié)過程是多種化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜過程，其中主要的化學(xué)反應(yīng)有：

3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O(凝膠)+Ca(OH)2

2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O(凝膠)+Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(水化鋁酸鈣，不穩(wěn)定)

3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(鈣礬石，三硫型水化鋁酸鈣)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2[3CaO·Al2O3]+4H2O→3[3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O](單硫型水化鋁酸鈣)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

由于生成物的標準摩爾生成焓大于反應(yīng)物的標準摩爾生成焓，化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致焓減，過程存在放熱。

1.2物理作用

混凝土齡期較小時，由于化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量并不能及時排出混凝土外部，而是要經(jīng)歷一個熱傳遞過程，也就是放熱速率大于散熱速率，混凝土處于升溫階段。

隨著混凝土齡期的增大，反應(yīng)物不斷減少后，化學(xué)反應(yīng)趨于緩慢，放熱速率小于散熱速率，混凝土開始進入溫度下降階段。

由于各部位放熱速率、散熱速率不盡相同，導(dǎo)致混凝土體內(nèi)溫度分布不均，且各部位溫度隨時間不斷變化。

混凝土本身有熱脹冷縮的現(xiàn)象，且隨著齡期的增長混凝土彈性模量逐漸變大，對變形的適應(yīng)能力逐漸下降，大體積混凝土屬于內(nèi)部超靜定結(jié)構(gòu)，在受熱不均的情況下混凝土體內(nèi)出現(xiàn)了自應(yīng)力。自應(yīng)力是混凝土出現(xiàn)溫度裂縫的直接原因。

升溫階段，混凝土內(nèi)部溫度較大而表面溫度相對較小，內(nèi)部體積膨脹，混凝土表面受拉，易出現(xiàn)表面裂縫。降溫階段，混凝土內(nèi)部溫度減小，體積收縮；而混凝土表面溫度卻變化不大，混凝土表層體積收縮相對較小，限制了混凝土內(nèi)部體積收縮，易出現(xiàn)內(nèi)部裂縫。實際上，大體積混凝土還受到基礎(chǔ)或圍巖的嵌固作用，對其各階段的體積變化均起到限制作用，也是溫度裂縫產(chǎn)生的原因之一。

2 大體積混凝土溫度控制方法

根據(jù)上述的大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生機理分析，提出大體積混凝土溫度控制的方法：

1)優(yōu)化混凝土配合比[3]，選擇放熱量少的水泥品種。

2)留出后澆帶，分段澆筑，減小每次澆筑的混凝土尺寸，削弱混凝土膨脹和收縮效應(yīng)。

3)調(diào)整混凝土配合比，減少水泥用量，從而減少混凝土放熱總量。

4)加入緩凝劑，雖然水化熱放熱總量未減少，但是水化速率變小，同樣可以對混凝土溫度進行有效控制。

5)設(shè)置冷卻管，增大混凝土內(nèi)部的散熱速率；同時在混凝土表面覆蓋土工布等進行保溫，降低內(nèi)外溫差，即常說的“內(nèi)降外保”，可以有效控制大體積混凝土自應(yīng)力。

6)降低混凝土入模溫度[4]，從而起到有效控制大體積混凝土最大溫度的作用，減小內(nèi)外溫差。

3 某拱橋拱座基礎(chǔ)溫度控制

3.1概況

某拱橋主橋為上承式鋼筋混凝土箱拱橋，凈跨徑105 m，橋面總寬27.7 m，采用明挖擴大基礎(chǔ)，拱座基礎(chǔ)長19.9 m，寬28 m，厚8.5 m，混凝土方量達4 184 m3，分兩次澆筑完成，第一次澆筑厚度為4.5 m，第二次澆筑厚度為4 m，本次研究對象為第一層混凝土。該拱座基礎(chǔ)混凝土澆筑季節(jié)為冬季，氣溫在12 ℃左右。

3.2溫控指標

大體積混凝土溫度監(jiān)控以避免出現(xiàn)有害裂縫為目標，其監(jiān)控指標受混凝土強度等級、材質(zhì)、季節(jié)、氣候、施工順序等方面的影響，并無絕對、不變的指標。參照[5]并結(jié)合施工圖的要求，確定本拱座基礎(chǔ)及拱座溫度控制指標如下：

1)入模溫度應(yīng)不低于5 ℃，不宜高于28 ℃；

2)混凝土澆筑塊體內(nèi)部最高溫度不大于75 ℃；

3)混凝土澆筑塊體的里表溫差不宜大于25 ℃；

4)混凝土澆筑塊體的降溫速率不宜大于2.0 ℃/d；

5)冷卻水溫與內(nèi)部混凝土的溫差宜不大于20 ℃；

6)冷卻管進、出水溫差控制在10 ℃以內(nèi)。

3.3溫控措施

拱座基礎(chǔ)混凝土澆筑施工前，采用計算機仿真技術(shù)對混凝土水化熱進行了仿真，對溫控措施和保養(yǎng)措施進行了優(yōu)化，仿真結(jié)果作為實際施工的指導(dǎo)。經(jīng)反復(fù)計算，最后采取的溫控措施如下：

1)采用水化熱較低的礦渣硅酸鹽水泥，且摻入適量粉煤灰，優(yōu)化混凝土配合比。

2)嚴格控制入模溫度在15 ℃±2 ℃。

3)冷卻管采用外徑為32 mm、壁厚為2.5 mm的黑鐵管，冷卻管水平間距不大于1.5 m，豎向上兩層之間間距不大于1.0 m。

4)冷卻管水溫控制在20 ℃±2 ℃，每次澆筑混凝土冷卻管分兩階段通水：第一階段為開始澆筑至混凝土齡期為10 d，每根冷卻管通水流速為2.442 9 m3/h；第二階段為混凝土齡期2 d以后，需根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果進行冷卻管通水流量調(diào)整。

5)為避免混凝土表面降溫過快，用冷卻管排出的冷卻水覆蓋于拱座基礎(chǔ)表面，起到保溫的作用。

根據(jù)混凝土材料熱工參數(shù)和力學(xué)參數(shù)，以及澆筑的環(huán)境溫度、溫控措施、保養(yǎng)措施，采用Midas建立有限元實體模型，對拱座基礎(chǔ)水化熱進行仿真分析，拱座基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)離散如圖1所示，典型部位混凝土溫度隨齡期的變化如圖2所示，典型部位應(yīng)力隨齡期的變化如圖3所示。

由計算結(jié)果可見，混凝土最大溫度65.87 ℃，在混凝土齡期為2.5 d時出現(xiàn)，滿足溫控指標的要求；典型部位主拉應(yīng)力均小于抗拉強度，從理論上論證了溫控措施能有效避免混凝土有害裂縫的產(chǎn)生。

3.4溫度監(jiān)測方案

在拱座基礎(chǔ)縱橫兩個方向分別布置一條測線，兩條測線總計7個測位，編號分別為A～G，每個測位在豎向上均勻布置9個測點，其中底部和頂面測點距離混凝土表面5 cm。拱座基礎(chǔ)溫度測位平面布置見圖4。

從混凝土開始澆筑之時開始進行溫度測量，測量時間間隔不大于2 h。

4 溫控結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控數(shù)據(jù)，混凝土內(nèi)部溫度最大值64.90 ℃，位于E測位內(nèi)部測點。E測位典型測點實測溫度隨混凝土齡期變化曲線見圖5。

由監(jiān)控結(jié)果可見：

1)溫度實測最大值與理論最大值基本一致，實測溫度上升段隨混凝土齡期的變化曲線與理論基本一致，下降段比理論曲線緩和，主要原因為為了降低溫降速率，混凝土齡期達3 d后減緩了冷卻水的通水流速。

2)對拱座基礎(chǔ)混凝土表面進行裂縫檢查，未發(fā)現(xiàn)裂縫。

5 結(jié)語

大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生由復(fù)雜的化學(xué)和物理作用所引起，經(jīng)過對大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生機理進行剖析，有針對性的提出了大體積混凝土溫度控制方法，通過某拱橋拱座基礎(chǔ)大體積混凝土溫度控制仿真分析和現(xiàn)場實施，得出以下結(jié)論：

1)大體積混凝土溫度控制仿真分析基本能反映其實際情況，仿真分析結(jié)果與實際基本一致，可作為大體積混凝土溫度控制的指導(dǎo)。

2)通過嚴格控制大體積混凝土配合比、入模溫度，合理設(shè)置冷卻管及其通水流量和時間，采取有效措施對大體積混凝土進行“內(nèi)降外保”，能有效避免有害裂縫的產(chǎn)生。

3)本橋拱座基礎(chǔ)混凝土未出現(xiàn)裂縫，溫控效果較好，拱座基礎(chǔ)的工程質(zhì)量得到保證。

[1] DB33/T 1024—2005,大體積混凝土工程施工技術(shù)規(guī)程[S].

[2] JTG/T F50—2011,公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 解 榮.大體積混凝土溫度監(jiān)控的研究[D].西安：長安大學(xué)碩士學(xué)位論文，2011.

[4] 羅國杰，曹永瀟，李亞敏.大壩混凝土快速施工與溫控防裂研究[J].混凝土，2012(10):91-93.

[5] GB 50496—2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S].

Studyontemperaturecontrolofmassconcreteofabutmentfoundationinsomearchbridge

HuangHaitang

(GuangxiVocationalCollegeofMechanicalandElectronicalTechnology,Nanning530007,China)

From the perspective of physical chemistry, the paper probes into the crack generation mechanism of mass concrete, in which the temperature control methods of mass concrete are introduced. By means of the numerical simulation, the paper carries on a study on the law of hydration heat of the mass concrete of abutment foundation in a certain arch bridge, formulates the temperature control scheme with operability. Some effective temperature control measures are taken in the pouring and maintenance process of the mass concrete of abutment foundation, which achieved good control effect, and provided guarantee for the project quality of abutment foundation.

mass concrete, hydration heat, temperature control

1009-6825(2017)32-0153-03

2017-09-07

黃海棠(1986- )，女，碩士，講師

U445.57

A