公路橋梁大體積混凝土溫控措施研究

文/趙睿龍 新疆北新路橋集團股份有限公司 新疆烏魯木齊 830011

1、大體積混凝土溫度應力及其裂縫分析

某個時間構件上每個點溫度的集合為大體積混凝土溫度場，其以溫度與時間和空間之間的函數(shù)關系為反映?；炷翜囟葓鲈谄錆仓瓿珊髸蛩嗟饶z凝材料的水化反應而發(fā)生巨大變化，進而形成溫度應力，因此對于混凝土溫度應力的研究，應首先對混凝土澆筑完成后溫度場及其變化因素進行分析與掌握。

一般情況下，大體積混凝土擁有較大的單次澆筑尺寸，如在絕熱環(huán)境下，構件內(nèi)外溫度在變化趨勢上一致于絕熱溫升曲線。工程實際在混凝土澆筑完成后，其會與水、空氣以及基礎間因熱傳遞的存在而導致熱量散失，進而致使混凝土構件內(nèi)外出現(xiàn)溫差?；炷两禍厝缛糁皇峭ㄟ^表面散熱形式，則降溫速率緩慢、降溫效果甚微，因此在工程實際應用中，通常以埋設冷卻管的方式加快其內(nèi)部降溫。在人工后期干預下，盡管混凝土溫度場會緩慢降溫，但總體而言其仍然是外低內(nèi)高的狀況。

澆筑完成后的大體積混凝土構件在經(jīng)過早期升溫與后期降溫過程后，會形成一定溫度應力，其主要分為自生應力與約束應力兩種形式。

1.1 溫度應力

（1）自生應力。混凝土澆筑完成后，其溫度場受內(nèi)外散熱的影響，構件溫度會以非線性分布為呈現(xiàn)?；炷猎缙谏郎剡^程中，表面混凝土會對內(nèi)部的升溫膨脹變形形成一定的約束，此時混凝土構件表面表現(xiàn)為拉應力，內(nèi)部表現(xiàn)為壓應力。如圖1-1（a）所示，因溫度引起的自身應力于混凝土構件整截面分布，并且其拉、壓應力間應保持一定的平衡。

（2）約束應力?；炷翗嫾跐仓瓿珊笃錆仓佑|面變形會受一定的約束，在混凝土升溫與降溫過程中，溫度變化引起的變形因被限制而產(chǎn)生的應力稱為約束應力，如圖1-1（b）所示。對于靜定結構，溫度變化只會引起自生應力而無約束應力產(chǎn)生。一般情況下，大體積混凝土屬于超靜定結構，其在溫度變化影響下會產(chǎn)生自生應力與約束應力的疊加。混凝土構件在冷卻過程中，其冷卻變形會受到有接觸面的側面或底部的約束，進而產(chǎn)生約束應力。

圖1-1 兩種應力示意圖

1.2 溫度裂縫

由于混凝土抗拉強度只有抗壓強的1/10～1/20,因此一旦直接受拉，便會因細微的變形而產(chǎn)生裂縫，一旦拉力超出其承受范圍，則會不經(jīng)殘余變形直接發(fā)生脆性斷裂。對于大體積混凝土而言，其受溫度變化影響敏感，當自身溫度每升高1℃時，每米就會產(chǎn)生約為0.01mm的膨脹。由于混凝土初期硬化過程中會釋放出大量的水化熱，且其導熱性能極差，散熱持續(xù)緩慢，大體積結構下當內(nèi)部溫度大于外部溫度時，混凝土結構則會應溫差應力（外部受拉，內(nèi)部受壓）而產(chǎn)生表面裂縫。隨著混凝土強度的增加，其彈性模型逐漸提升，隨后便會開始降溫，此時會因降溫差而引起混凝土變形，加之其因失水而造成的體積收縮，以及受地基與其他結構的約束，當這些因素綜合而產(chǎn)生的拉應力大于混凝土抗拉強度時，表面裂縫則會發(fā)展為貫穿裂縫。

2、大體積混凝土溫控計算理論

2.1 水泥水化熱計算

影響混凝土溫升的決定性因素為水泥水化熱，其具有多樣化計算公式，一般以下式2-1指數(shù)公式最為常用：

式中：Q(τ)為水化熱在齡期τ時的積累值；Q0為在τ→∞時的最終水化熱；τ為齡期；m為視水泥品種、表面及澆筑溫度而定的常數(shù)。

2.2 熱傳導方程

大體積混凝土結構在受水化熱作用后其溫度會隨時間而變化，結構內(nèi)部溫度場呈現(xiàn)為非穩(wěn)定狀態(tài)，且以下式2-2進行熱量傳導：

式中：α為混凝土導溫系數(shù)，α=λ/cρ；λ為熱傳遞系數(shù)；c為混凝土比熱；ρ為混凝土密度；θ為混凝土絕熱升溫。

2.3 初始條件和邊界條件

隨著空間與時間的變化，大體積混凝土結構溫度處于不斷變化過程中，此時利用熱傳導方程則有無窮解，而要想計算出所需正確解，則需掌握初始條件與邊界條件。

(1)初始條件。由于大體積結構溫度在混凝土入模時分布均勻，因此可將混凝土入模狀態(tài)視為初始條件，具體表示為下式2-3：

(2)邊界條件。大體積混凝土結構熱交換主要包括與空氣換和與地基兩種交換形式，其中與空氣熱交換過程中二者間的溫差決定了熱量的交換，具體以下式2-4表示：

式中：β為導熱物體表面散熱系數(shù)；Ta為空氣溫度；λ為導熱體的導熱系數(shù)。

大體積混凝土與地基實施熱量交換過程中，溫度與熱流量在其接觸面上處于連續(xù)狀態(tài)，可由下式2-5表示：（式2-5）

3、大體積混凝土溫度控制措施

3.1 水冷管布置優(yōu)化

對于大體積混凝土結構內(nèi)部采用冷卻管降溫，我國目前以上下層冷卻管布置方式相同最為常用，該方式不足之處在于容易造成結構內(nèi)部出現(xiàn)溫度不均勻現(xiàn)象，整體降溫效果因降溫不均勻而表現(xiàn)較差。而通過上下層水冷管交叉布置的優(yōu)化，可明顯提升降溫效果，對兩種布置方式利用有限元模型進行比較，其結果表明：水冷管上下層相同布置方式的降溫效果明顯不如交叉布置，就大體積混凝土結構內(nèi)部溫度而言，水冷管上下層相同布置方式比交叉布置方式高2～4℃。水冷管上下層交叉布置方式的應用，其不僅可將結構內(nèi)部最大溫度值有效降低，而且相比于上下層相同布置方式對局部區(qū)域降溫效果更好。

3.2 澆筑時間控制

大體積混凝土的澆筑通常會持續(xù)幾天，在澆筑過程中可能會出現(xiàn)頂層混凝土澆筑結束后，底層混凝土的溫度已經(jīng)降下來并趨于穩(wěn)定。澆筑時應合理控制澆筑持續(xù)時間，一方面要避開上下層混凝土溫度高峰期重合，同時要保證混凝土澆筑的連續(xù)性，其目的是為了降低承臺內(nèi)部溫度峰值。

根據(jù)經(jīng)驗，混凝土一般在澆筑后20～22h開始硬化，混凝土硬化時迅速放熱，在硬化后20h左右，混凝土內(nèi)部溫度達到最大值。根據(jù)上述分析，澆筑一層混凝土的時間控制在1d左右比較適宜。此時底層混凝土溫度高峰已過，進入降溫階段，而頂層混凝土溫度逐漸增大

3.3 養(yǎng)護控制

凝土養(yǎng)護工作的進行要在完成澆筑12h內(nèi)開始實施，通常為覆蓋灑水養(yǎng)護的形式，其目的在于首先是避免結構表面混凝土失水太多，其次是提供混凝土早期水化反應所需的水分。對于大體積混凝土內(nèi)表溫差的控制，要依據(jù)結構尺寸和溫度梯度綜合而定，通常為不大于25℃，且內(nèi)部最高不能超過60℃，這時混凝土不會由于溫差形成的溫度應力而導致結構裂縫。所以，控制大體積混凝土內(nèi)表溫差要從結構內(nèi)外同時著手，一方面通水循環(huán)使內(nèi)部溫度降低，另一方面合理提高結構表面溫度，這樣來達到內(nèi)外溫差降低的目的。結構內(nèi)部循環(huán)水可用冷卻水，外部養(yǎng)護水可用內(nèi)部降溫循環(huán)出來的熱水，因為混凝土結構完成澆筑2天內(nèi)內(nèi)部溫度上升相對較快，所以使用覆蓋和冷卻管循環(huán)出來的熱水實施噴灑養(yǎng)護，能有效做到提高結構外部溫度，從而讓內(nèi)外溫差減小。

冷卻水的水流量是一個重要方面，GB50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范中規(guī)定，在混凝土內(nèi)部通水降溫時，進出口水的溫度宜不大于10℃。進出水口溫度差值與混凝土內(nèi)部溫度和流量有關，在施工過程中，一方面要參考理論計算給出的水流量值，另一方面要根據(jù)實際的進出水口的溫度差值和結構內(nèi)部溫度峰值，以此來調節(jié)冷卻水流量。

結語：

基于以上論述，筆者結合自身經(jīng)驗的應用，以控制大體積混凝土結構溫度裂縫為目的，建議性提出以下兩點措施：

（1）增設防裂鋼筋網(wǎng)。由于鋼筋混凝土結構對于拉應力主要由鋼筋承受，因此可通過增設鋼筋網(wǎng)片的形式增強結構抗拉作用，進而避免結構裂縫的形成。其具體布設方式應依據(jù)下式實施：

εPa=0.5Rf(1+ρ/d)×10-4（經(jīng)驗公式）

式中：εPa為實施配筋后混凝土的極限拉伸（是為混凝土抗裂性能的體現(xiàn)）；Rf為混凝土設計抗裂強度，MPa；ρ為結構截面配筋率；d→鋼筋直徑，mm。

經(jīng)公式分析可知，對于混凝土抗裂性的提高，可利用細鋼筋小間距的布置方式得以實現(xiàn)，因此，在與設計單位溝通并獲批準后，施工單位可在大體積混凝土施工過程中增設Ф8@100防裂鋼筋網(wǎng)，以此達到預防裂縫出現(xiàn)的目的。

（2）適量摻加合成纖維。通過合成纖維的摻入，混凝土內(nèi)部會形成數(shù)以千萬計的纖維三維均勻分布的網(wǎng)狀結構，當混凝土在塑性階段產(chǎn)生冷縮與干縮現(xiàn)象時，其表面一旦碰觸到合成纖維，便會停止繼續(xù)延伸，從而抑制裂縫的出現(xiàn)。

[1]GB50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[2]陳建軍，楊文海，郭利霞.混凝土結構溫控設計優(yōu)化研究[J].混凝土，2013(4):11～14.