冬季承臺(tái)大體積混凝土分層澆筑溫控措施研究

金書成，徐文遠(yuǎn)，黃云涌

（1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040；2.黑龍江大橋開發(fā)建設(shè)有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040）

橋梁承臺(tái)結(jié)構(gòu)需要使用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土澆筑，往往導(dǎo)致混凝土水化硬結(jié)過程中產(chǎn)生大量的水化熱，使內(nèi)部混凝土溫度在最初的幾天顯著上升，達(dá)到最高溫度后才開始下降?；炷潦且环N極為不良的導(dǎo)熱材料，任由內(nèi)部熱量自然散發(fā)需要很長時(shí)間。對(duì)于大體積混凝土，如果依靠天然冷卻達(dá)到穩(wěn)定溫度甚至需要幾十年。因此，大體積混凝土水化熱一直是人們研究的熱點(diǎn)，特別是冬季大體積混凝土施工中外部較低的溫度更加劇了混凝土內(nèi)表溫差。為了減小內(nèi)表溫差和基礎(chǔ)溫差，混凝土的澆筑溫度越低越有利，一般為5～10℃，但較低的澆筑溫度可能使混凝土表面的溫度迅速降至0 ℃以下，進(jìn)而發(fā)生早期凍害。因此，冬季大體積混凝土須要解決的問題就是防凍和抗裂?，F(xiàn)有的冬季大體積混凝土施工控制主要思路是對(duì)大體積混凝土溫度場進(jìn)行分析預(yù)測，依靠分析結(jié)果制定有針對(duì)性的溫控方案，提出溫控標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)澆筑和養(yǎng)護(hù)過程進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時(shí)調(diào)整冷卻和養(yǎng)護(hù)措施，保證混凝土不發(fā)生表層凍害和有害的溫度裂縫。溫度控制的原則是：①控制混凝土澆筑溫度；②盡量降低混凝土內(nèi)部最高溫度，并延緩最高溫度出現(xiàn)時(shí)間；③控制混凝土降溫速率；④降低混凝土內(nèi)部和表面之間、新老混凝土之間的溫差，并控制混凝土表面和施工環(huán)境的溫差。根據(jù)現(xiàn)有研究結(jié)果可知，大體積混凝土內(nèi)部溫度是非線性分布的，只有科學(xué)預(yù)測混凝土的溫度場分布形式才能有針對(duì)性地制定溫控方案。同時(shí)，必須根據(jù)溫度場監(jiān)測結(jié)果隨時(shí)調(diào)整優(yōu)化溫控措施，才能有效防止溫度裂縫的產(chǎn)生以及表層混凝土發(fā)生凍害［1］。

目前，黑河公路大橋已進(jìn)入建設(shè)尾聲，俄方正式提出建設(shè)黑河至布拉戈維申斯克鐵路大橋的建議，研究黑河這一高寒地區(qū)冬季大體積混凝土施工對(duì)未來鐵路大橋的建設(shè)具有重要意義。為此，本文以黑河大橋冬季承臺(tái)混凝土施工為背景，通過模擬低溫環(huán)境下承臺(tái)混凝土澆筑過程，分析混凝土溫度場和應(yīng)力場，提出溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施，并根據(jù)現(xiàn)場溫度場監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)論，獲得施工過程中科學(xué)準(zhǔn)確的溫度場變化規(guī)律，通過及時(shí)調(diào)整溫控方案，保證大體積混凝土澆筑質(zhì)量。

1 承臺(tái)混凝土澆筑過程仿真計(jì)算

黑河大橋承臺(tái)平面見圖1。承臺(tái)混凝土高4.5 m，長27.4 m，寬21.7 m，混凝土方量2 675.6 m3。承臺(tái)分2層澆筑，分層高度為2.25 m。

承臺(tái)混凝土配合比、劈裂抗拉強(qiáng)度以及熱學(xué)參數(shù)分別見表1—表3。

計(jì)算時(shí)考慮徐變對(duì)混凝土應(yīng)力的影響，混凝土的徐變度取值按經(jīng)驗(yàn)數(shù)值模型計(jì)算［2］，即

式中：t為待求齡期；τ為加載齡期；C1＝0.23/E2，C2＝0.52/E2，E2為最終彈性模量。

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取承臺(tái)1/4 進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算模型網(wǎng)格剖分見圖2。承臺(tái)混凝土受封底C30 混凝土約束，計(jì)算時(shí)基礎(chǔ)彈性模量取3.5×104MPa。承臺(tái)2層混凝土澆注時(shí)間間隔7 d，根據(jù)前期熱工計(jì)算暫定混凝土澆筑溫度為15 ℃，側(cè)面鋼模板等效保溫系數(shù)為 1 841 kJ/（m2·d·℃），混凝土表面散熱系數(shù)為3 642 kJ/（m2·d·℃），混凝土導(dǎo)熱系數(shù)估算為268 kJ/（m·d·℃）。參考?xì)夂蛸Y料，風(fēng)速取2 倍的平均風(fēng)速，即按6 m/s 計(jì)算［3-4］。分析時(shí)考慮冷卻水管降溫效果，每層混凝土按照1 m管間距布置φ32 mm的冷卻水管，冷卻水進(jìn)口溫度為15 ℃，通水流量為30 L/min。溫度及應(yīng)力計(jì)算從澆筑開始，模擬之后1年內(nèi)的溫度應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)。

圖1 大橋承臺(tái)平面（單位：cm）

表1 承臺(tái)混凝土配合比 kg·m-3

表2 不同齡期劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa

表3 熱力學(xué)參數(shù)

圖2 承臺(tái)網(wǎng)格剖分

承臺(tái)最高溫度包絡(luò)圖見圖3，不同齡期承臺(tái)混凝土溫度應(yīng)力見表4。

由圖3可知：承臺(tái)下層混凝土內(nèi)部最高溫度為48.9 ℃，上層內(nèi)部最高溫度為50.1 ℃，溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間為2～3 d 齡期；溫度峰值時(shí)混凝土內(nèi)部溫度較高，特別是中心區(qū)域散熱慢，應(yīng)加強(qiáng)通水，同時(shí)還應(yīng)注意表面保溫。由表4可知，該承臺(tái)混凝土溫度應(yīng)力發(fā)展的趨勢(shì)是早期上升速度較快，后期應(yīng)力發(fā)展趨緩，承臺(tái)的早期安全系數(shù)偏低。承臺(tái)可能出現(xiàn)裂縫的位置包括下層混凝土與封底混凝土的接觸位置以及上下2層混凝土的中部。

結(jié)合工程實(shí)際施工環(huán)境，建議從以下幾個(gè)方面控制混凝土溫度：①控制混凝土澆筑溫度，采用蓄熱能法加熱混凝土拌和水，使混凝土澆筑溫度在12 ℃左右，考慮上層混凝土澆筑時(shí)正值中午，可以適當(dāng)降低澆筑溫度。②控制降溫速率，加快澆筑速度，縮短澆筑時(shí)間，澆筑后加強(qiáng)中心區(qū)混凝土通水降溫，在上層混凝土澆筑開始前對(duì)下層混凝土進(jìn)行二次通水降溫。③降低下層混凝土與封底混凝土之間、混凝土中心和表面之間、上下2 層混凝土之間的溫差。下層混凝土澆筑前對(duì)封底混凝土上表面進(jìn)行預(yù)熱，在上層混凝土澆筑前對(duì)下層混凝土上表面進(jìn)行預(yù)熱，使其表層溫度均達(dá)到5 ℃。

根據(jù)以上分析，本工程的溫控標(biāo)準(zhǔn)為：承臺(tái)內(nèi)部最高溫度小于等于50 ℃；混凝土最大內(nèi)表溫差小于等于20 ℃；養(yǎng)護(hù)過程中，混凝土表面養(yǎng)護(hù)水溫度與混凝土表面溫度差小于等于15 ℃；溫差峰值過后混凝土緩慢降溫，通過保溫控制最大降溫速率小于等于3.0 ℃/d；冷卻水進(jìn)口溫度取15 ℃，升溫時(shí)段通水流量控制在45 L/min以上，降溫時(shí)段通水流量控制在30 L/min左右［5-7］。

圖3 承臺(tái)最高溫度包絡(luò)圖（單位：℃）

表4 不同齡期承臺(tái)混凝土溫度應(yīng)力

2 現(xiàn)場溫度監(jiān)測結(jié)果分析

本工程溫度監(jiān)測采用PN 結(jié)溫度傳感器，溫度檢測采用現(xiàn)場定時(shí)自動(dòng)測溫記錄儀。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和溫度變化的一般規(guī)律，在承臺(tái)長邊方向中心軸布設(shè)2 層共14 個(gè)測點(diǎn)，由外向內(nèi)測點(diǎn)間距依次為45，100，200，300，400，320 cm，見圖4。

圖4 承臺(tái)溫度測點(diǎn)布置（單位：cm）

以最外側(cè)測點(diǎn)溫度為表面溫度，各測點(diǎn)平均溫度為斷面平均溫度，內(nèi)部測點(diǎn)最高溫度與表面溫度的差值為內(nèi)表溫差。斷面平均溫度與表面溫度時(shí)程曲線見圖5。

圖5 斷面平均溫度與表面溫度時(shí)程曲線

由圖5可知，承臺(tái)混凝土下層至上層測點(diǎn)區(qū)斷面平均溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本一致，其溫度變化曲線可以看作快速升溫、強(qiáng)制降溫和自然降溫至穩(wěn)態(tài)3個(gè)階段。第1 階段是升溫段，由于水化放熱會(huì)使溫度持續(xù)升高，在 48～60 h 接近峰值，再持續(xù) 12～24 h 后溫度開始下降。第2 階段是強(qiáng)制降溫段，在冷卻水管的持續(xù)作用下，混凝土溫度快速下降，這段時(shí)間混凝土降溫速率約為2.0 ℃/d。第3階段是自然降溫段，曲線平緩下降趨向水平，表明該時(shí)間段混凝土降溫平緩，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，受上層混凝土放熱影響，上層混凝土澆筑后，下層混凝土溫度的下降速度明顯減緩。同時(shí)，因上層混凝土養(yǎng)護(hù)后期氣溫持續(xù)較高，其溫度下降趨勢(shì)更加平緩。

根據(jù)監(jiān)測的混凝土內(nèi)部測點(diǎn)最高溫度與表面溫度的差值，得到混凝土內(nèi)表溫差時(shí)程曲線，見圖6?？梢?，2 層承臺(tái)混凝土內(nèi)表溫差隨時(shí)間變化規(guī)律前期相似，均呈現(xiàn)出初期內(nèi)表溫差較小而后快速增大的趨勢(shì)，在72 h 左右達(dá)到溫差峰值，這是因?yàn)榛炷翝仓r(shí)外部氣溫均較高，且澆筑開始即通冷卻水。在達(dá)到溫差峰值后，下層混凝土因?yàn)橥Ｖ雇ㄋ蠈踊炷灵_始澆筑，內(nèi)表溫差在240 h 左右出現(xiàn)第2 個(gè)峰值，再次通水后，其內(nèi)表溫差又呈下降趨勢(shì)。上層混凝土因保溫養(yǎng)護(hù)和持續(xù)通水冷卻，受外界氣溫影響很小，內(nèi)表溫差變化不大。

匯總實(shí)際監(jiān)測得到的承臺(tái)混凝土溫度數(shù)據(jù)，得到表5?？梢?，與數(shù)值分析得到的混凝土溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間為2～3 d 齡期相比，實(shí)際監(jiān)測到的溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)較晚。從測溫結(jié)果來看，2 層混凝土的最高溫度、內(nèi)表溫差以及降溫速率均滿足數(shù)值分析確定的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 內(nèi)表溫差時(shí)程曲線

表5 承臺(tái)混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 結(jié)論與建議

1）以蓄熱能法適當(dāng)提高混凝土澆筑溫度，并對(duì)澆筑層與基礎(chǔ)的接觸面、新老混凝土的接觸面進(jìn)行預(yù)熱處理，可以有效防止表層混凝土溫度下降過快和凍害發(fā)生。在實(shí)際施工中，還應(yīng)結(jié)合氣溫變化設(shè)定不同混凝土澆筑層的澆筑溫度。

2）對(duì)于早期升溫迅速的大體積混凝土應(yīng)加大早期通水流量，適當(dāng)降低通水溫度，增強(qiáng)混凝土升溫期的降溫效果。在上層混凝土澆筑后及時(shí)對(duì)下層混凝土進(jìn)行二次通水冷卻，防止其因散熱條件變差和疊加上層混凝土水化熱出現(xiàn)過大的二次內(nèi)表溫差峰值。

3）注重表層混凝土的溫度和濕度養(yǎng)護(hù)，根據(jù)氣溫和混凝土水化熱發(fā)展階段靈活采用保溫和散熱措施。特別是在降溫階段要加強(qiáng)表面保溫覆蓋，防止表層混凝土溫度受氣溫影響過大。同時(shí)，要避免表層混凝土暴露在大風(fēng)環(huán)境中，避免在混凝土內(nèi)部溫度較高時(shí)拆模，有效控制表層混凝土降溫速率。