龍底江大橋大體積混凝土澆筑時溫度應力控制技術(shù)研究

周向東

摘要：在思南至劍河高速公路龍底江大橋主墩承臺大體積混凝土施工時，首先綜合分析計算了承臺的水化熱溫升情況。根據(jù)溫升分析結(jié)果，在原材料選用，配合比優(yōu)化，添加外加劑，加強澆筑質(zhì)量及保溫養(yǎng)護等各環(huán)節(jié)上采取了有效的控制措施。并對承臺結(jié)構(gòu)內(nèi)各部位的溫度情況進行了嚴格監(jiān)測，根據(jù)溫度監(jiān)測反饋的實際情況采取針對性措施，確保將承臺混凝土溫度控制在合理范圍內(nèi)，以防止承臺產(chǎn)生裂縫。

Abstract： In the construction of mass concrete for the main pier platform of the Longdijiang Bridge on the Sinan-Jianhe Expressway， the temperature of the hydration heat of the platform was first comprehensively calculated. According to the result of temperature rise analysis， effective control measures were taken in various links such as selection of raw materials， optimization of mix ratio， addition of additives， strengthening of pouring quality， and maintenance of insulation. The temperature of all parts of the platform structure is strictly monitored， and specific measures are taken according to the actual conditions of temperature monitoring feedback to ensure that the concrete temperature of the platform is controlled within a reasonable range to prevent cracks in the platform.

關(guān)鍵詞：大體混凝土；水化熱；溫升分析；溫差控制措施；溫度監(jiān)測

Key words： rough concrete；hydration heat；temperature rise analysis；temperature difference control measures；temperature monitoring

中圖分類號：U445.57 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0148-03

0 引言

隨著全國的現(xiàn)代建筑物向著大型化方向的發(fā)展，大體積混凝土澆筑時的溫度應力引起結(jié)構(gòu)物裂縫，嚴重影響了結(jié)構(gòu)物正常及安全地使用的問題，成為工程建設(shè)者需處理的重要難題。

國內(nèi)外的建設(shè)經(jīng)驗表明，大體積混凝土由于結(jié)構(gòu)內(nèi)外大幅度的溫差效應導致結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)各種裂縫病害的現(xiàn)象廣泛存在，而結(jié)構(gòu)物的破壞和地下結(jié)構(gòu)物的滲漏通常緣于混凝土出現(xiàn)的有害裂縫。所以，有效控制大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫成為工程建設(shè)領(lǐng)域最為關(guān)鍵的問題之一，故對大體積混凝土的溫升情況進行進行計算及分析，并采取針對性的防范和控制措施對工程建設(shè)者而言，且有重大的現(xiàn)實工程意義。

1 工程概況

思南至劍河高速公路龍底江大橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計為（70+130+70）m預應力混凝土剛構(gòu)+2×30m預應力混凝土T梁，主橋下部主墩采用雙薄壁空心墩，最高墩身51.2m，采用鉆孔樁基礎(chǔ)。其承臺尺寸如表1所示。

從表1可看出，主跨承臺不僅尺寸大，一次澆注的混凝土數(shù)量多，且混凝土強度標號高，單位體積混凝土使用的水泥量大。大尺寸的承臺混凝土中水泥水化熱大量集聚在內(nèi)部無法及時散發(fā)，導致混凝土各部位間出現(xiàn)很大溫并，在外界條件及內(nèi)部各種約束的作用下，溫度應力將導致承臺混凝土出現(xiàn)溫差裂縫。因此，計算、分析承臺混凝土澆筑后溫度應力情況，根據(jù)分析結(jié)果，采用針對性的有效溫度控制措施，并精心組織施工，防止承臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是本工程需解決的重要課題。

2 承中大體積混凝土澆筑時的溫度及溫度應力計算

2.1 混凝土的澆筑溫度

混凝土的澆筑溫度為承臺混凝土歷經(jīng)攪拌、運輸、泵送入模及振搗等工序后的溫度，本項目在沒采取對集料及攪拌用水預冷措施的情況下，經(jīng)對實際各種影響因素進行分析研究并進行模擬測定，得出混凝土澆筑溫度比施工期間環(huán)境平均氣溫高約5℃，本項目擬澆筑承臺混凝土時的外界平均氣溫為23℃，故混凝土澆筑溫度Tj按28℃計。

2.2 承臺中心最高絕熱溫度計算

2.2.1 承臺中心部位的絕熱溫升

絕熱溫升為假定承臺內(nèi)混凝土水泥水化熱在沒有任何散失的情況下，水化熱使承臺混凝土達到的最高溫度。絕熱溫升計算式為：

（1）

式中：Wc—單位體積承臺混凝土使用水泥量（kg/m3），按初始配合比的水泥使用量為392kg/m3；

Q—每kg水泥完全水化所釋放的熱量（kJ/kg）本項目按375kJ/kg；

C—混凝土比熱，本項目取值0.97（kJ/（kg·K））；

ρ—混凝土結(jié)構(gòu)的容重，本項目按2400kg/m3；

m—受溫度變化速度影響的系數(shù)，本項目取值0.406；

t—承臺澆筑后的天數(shù)（d）；

е—常數(shù)2.718。

當（1）式的t→∞時，即得的承臺內(nèi)部最高絕熱溫升。

2.2.2 混凝土中心計算溫度

式（1）為理想絕熱狀況下承臺內(nèi)部的溫升值，現(xiàn)實情況下承臺的水化熱是在持續(xù)散失中，水化熱在各齡期使得承臺混凝土達到溫度的計算式為：

Tt=Tj+Th·ξt （2）

式中Tt—齡期為t時承臺溫升值（℃）；Tj—承臺混凝土的澆筑溫度；Th—承臺最大計算絕熱溫升；ξt—降溫系數(shù)，取值按表2。

把本項目的各項參數(shù)值代入式（1）、（2）中，計算得到承臺各齡期理論計算溫升值，列于表3。

由表3計算結(jié)果可知，在承臺澆筑后3d時，承臺內(nèi)部溫度達到峰值，3m厚承臺溫度峰值為73.43℃，4m厚承臺為77.44℃。

2.2.3 混凝土溫度應力

大體積混凝土本身的凝固收縮對裂縫的影響是明顯的，其對溫度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展起到疊加促進作用。所以，在承臺大體積溫度裂縫控制時混凝土收縮產(chǎn)生的影響不可忽視。

在溫度應力計算分析時，將收縮產(chǎn)生的變形值換算成當量的溫差值后，與混凝土溫升值相加，綜合計算混凝土的溫度應力值，從而更為精確地進行溫差裂縫控制，防止承臺混凝土產(chǎn)生裂縫。因受各種復雜因素及條件的影響，混凝土的不同齡期的收縮變形值呈差異性變化，采用下列指數(shù)函數(shù)式進行計算：

ε=ε（1-e-0.01t）×M1×M2×…×M11 （3）

式中：ε為標準環(huán)境下混凝土收縮變形最終值，取值為3.2410-4；M1～M11為根據(jù)水泥細度、水膠比、膠漿量等與標準環(huán)境不同時而取的各項修正系數(shù)。

3d齡期時，查《大體積混凝土施工規(guī)范及條文說明》（GB 50496-2009）得式（3）的各項修正系數(shù)：M1=1.0，M2=1.35，M3=1.21，M4=1.45，M5=1.09，M6=1.1，M7=1，M8=0.76，M9=1.0，M10=0.89，M11=1.02。

承臺混凝土收縮變形的當量溫差采用下式進行計算：

（4）

式中：T—承臺t齡期時的收縮當量溫差；α—承臺混凝土的線膨脹系數(shù)，按1.0×10-5。

各參數(shù)值代入式（4），得承臺3d齡期時混凝土收縮變形的當量溫差：

T=ε/α=（0.188×10-4）/1.0×10-5=1.88℃

2.2.4 承臺最高綜合溫升

由上述計算分析可知，承臺在3d齡期時達到中心部位的最高溫升，混凝土入模溫度Tj=28℃，施工時環(huán)境溫度Th按23℃，則有，3m厚、4m厚承臺3d齡期時的綜合溫度為：

3m厚承臺：ΔT=T+T=28+73.43+1.88-23=80.31℃

4m厚承臺：ΔT=T+T=28+77.44+1.88-23=84.32℃

由計算結(jié)果可得，當齡期3d時，承臺中心混凝土達到最高溫度，內(nèi)外溫差遠超過規(guī)范要求的25℃值，故需采取有效技術(shù)措施進行溫差控制，防止承臺混凝土出現(xiàn)裂縫。

3 施工方法和施工控制

3.1 減少水化熱及降低混凝土入模溫度

①所用水泥。

要求符合現(xiàn)行的國家標準的相關(guān)規(guī)定及要求。本項目采用P-C32.5的礦渣硅酸鹽水泥。在水泥使用前，先進行水化熱測定，測定按現(xiàn)行國家標準《水泥水化熱試驗方法（直接法）》進行，其測定值7天的水化熱不宜大于250kJ/g。

②骨料的選擇。

粗集料按要求確定骨料種類，要級配良好，其質(zhì)量符合《普通混凝土所用碎石或卵石質(zhì)量標準及檢驗方法》規(guī)定，含泥量要求小于1.5%。

細骨料要求符合現(xiàn)行標準《普通混凝土用砂質(zhì)量標準及檢驗方法》的規(guī)定。

3.2 減少水化熱及降低混凝土入模溫度

①使用水化熱低的水泥品種，以減少水化熱的釋放。選用了水化熱較低的礦渣32.5號水泥。

②配合比采用了高效LFS緩凝型減水劑，其減少用水量約18%。不僅改善了混凝土的泵送性能，且延緩水化熱的峰值出現(xiàn)時間及降低了數(shù)值。

③摻入適量粉煤灰。粉煤灰具有火山灰的活性，摻入粉煤灰的混凝土初期水化熱低，和易性好，變形收縮少，有一定的減水作用，且能增強混凝土的后期強度，顯著改善承臺混凝土的抗?jié)B性能和耐久性指標。本項目采用I級粉煤灰，摻量為20%。最終施工配合比的水泥使用量為336kg/m3，比始初配合比減少了56kg。

④控制出機溫度對減少大體積混凝土總溫升和內(nèi)外溫差是很重要的。本項目采取在砂、石子堆場上搭設(shè)遮陽棚，向骨料噴射水霧降溫，縮短混凝土運輸時間，泵管覆蓋，混凝土運輸設(shè)置隔熱、遮陽措施等。

3.3 設(shè)置冷卻管對承臺進行降溫

為排出水化熱，降低承臺中心部位的溫度，在承臺內(nèi)設(shè)置冷卻管。

冷卻管采用Φ=100mm鋼管，水平層間的鋼管間距按1.5m布設(shè)。4m厚承臺按1m的層間距布置4層冷卻管。厚度為3m的承臺按間距為1.0m設(shè)置3層冷卻管，相鄰層的冷卻管布置方向呈90度垂直。本項目2、3號墩的13.2m×29.7m×4m承臺散熱管設(shè)置如圖1、圖2所示。

在進行承臺鋼筋綁扎的同時按設(shè)計要求埋入冷卻管，并于承臺混凝土澆筑前進行閉水試壓，出現(xiàn)滲漏水時妥善處理。

為避免承臺混凝土澆筑時，在冷卻管附近的混凝土出現(xiàn)過大溫度梯度，增加承臺混凝土的收縮，在承臺混凝土澆筑前1～2d前啟動水系統(tǒng)，向冷卻管內(nèi)灌注水，經(jīng)過一段時間靜置使管內(nèi)水溫與環(huán)境溫度接近。

冷卻水就近抽取河水，承臺附近設(shè)立蓄水池供水，為了控制承臺混凝土與供水間的溫差不超過25℃，蓄水池內(nèi)安裝加熱設(shè)備，必要時對供水進行加熱。

承臺混凝土齡期達到28d后，壓入與承臺同強度等級混凝土把冷卻管填塞密實。

3.4 在承臺外表采取覆蓋保溫措施

本項目還實施了在承臺外表面采取保溫的技術(shù)措施，以確保承臺表面與承臺內(nèi)部的溫差，從而避免承臺產(chǎn)生溫差裂縫。

承臺施工時，采用漿砌片石作為承臺的側(cè)模，其厚度為30cm，漿砌片石側(cè)模不僅相當于在承臺四周設(shè)置一道保溫層，且對承臺起到了變形約束的作用，有效提高了承臺混凝土的抗裂性能。

本項目的4個臺承臺均于高溫的夏季澆筑，冷卻管排水口的水溫較高，初期超過60℃。本項目在承臺面邊緣處設(shè)置砂漿堤壩作養(yǎng)護池，當澆筑的承臺混凝土終凝后，在承臺表面的堤壩內(nèi)注入冷卻管排出的熱水，養(yǎng)護池的熱水厚度約20cm，不僅作為承臺養(yǎng)生，同樣也提高了承臺表面溫度，控制了承臺內(nèi)部與表面的溫差不超過規(guī)定值。

4 對承臺混凝土溫度的監(jiān)控量測

4.1 承臺大體積混凝土溫度控制要求

根據(jù)大體積混凝土施工的相關(guān)規(guī)范及文件的要求，結(jié)合承臺施工時的實際情況，確定了承臺混凝土澆筑時溫度控制指標如下：①冷卻管供水口與排水口的水溫溫差≤10℃；②供水口與承臺中心混凝土最高溫的溫差≯20℃；③降溫速率≯2℃/h；④承臺頂面蓄水池的水溫與表面混凝土的溫差≯15℃。

4.2 混凝土結(jié)構(gòu)測溫點設(shè)置

本工程采用預埋測溫線測溫。對于厚度為4m的承臺，設(shè)置3層共13個溫度量測監(jiān)控點。第1層即底層測溫點高于承臺底0.5m，第2層即中間層距承臺底面為2.2m，第3層即面層距承臺底面為3.9m。本項目2、3號墩的13.2m×29.7m×4m承臺測溫點布置如圖3所示。

對于厚度為3m的承臺，同樣設(shè)置3層共13個溫度量測監(jiān)控點。第1層即底層測溫點高于承臺底0.5m，第2層即中間層距承臺底面為1.7m，第3層即面層距承臺底面為2.9m。

4.3 測溫頻率及溫度控制措施

承臺混凝土齡期3d內(nèi)測溫頻率1次/2h；齡期4d～7d內(nèi)測溫頻率1次/4h；齡期8d～15d內(nèi)測溫頻率1次/8h，齡期超過15d測溫頻率1次/12h。

測溫時，當某項指標的溫差超過或是接近控制指標值時，及時采取加熱蓄水池的供水、提高或減緩冷卻管的流速、承臺表面設(shè)置保溫覆蓋物等措施，確保溫差及降溫速度滿足要求。

5 結(jié)束語

本項目通過采取使用低水化熱水泥，摻入粉煤灰代替部分水泥用量、摻加高效LFS緩凝型減水劑延遲緩凝時間及提高混凝土性能、設(shè)置冷卻管降溫、承臺頂面設(shè)置熱水養(yǎng)護及保溫池等技術(shù)措施。混凝土澆筑后，設(shè)置溫度監(jiān)測點進行測溫，根據(jù)溫測結(jié)果對冷卻管的供水水溫進行調(diào)整，改變冷卻水流速及改變承臺頂蓄水池水溫等控制手段，有效控制了承臺大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。通過采取如上技術(shù)及管理措施，龍底江大橋全部4個承臺混凝土澆筑時沒有產(chǎn)生任何開裂現(xiàn)象，達到了預期的效果。

參考文獻：

[1]GB 50496-2009，大體積混凝土施工規(guī)范及條文說明[S].

[2]黃子春.大體積混凝土溫度裂縫分析與防治實例[J].混凝土，2010，1（1）.

[3]談新文.建筑工程大體積混凝土澆筑的特點與施工技術(shù)[J].科技創(chuàng)新導報，2012，6（19）.

[4]梁永科.大體積混凝土施工裂縫成因及防治措施[J].施工技術(shù)，2012，3（3）.