橋梁承臺大體積混凝土水化熱計算與控制分析

于 濤

(中鐵建重慶投資集團有限公司，重慶 401120)

在混凝土結(jié)構(gòu)工程建設(shè)中，將最小幾何尺寸大于1m的構(gòu)件/結(jié)構(gòu)稱為大體積混凝土工程[1]。對起到傳遞荷載重要作用的橋梁承臺結(jié)構(gòu)，不僅通常采用大體積混凝土形式，同時在結(jié)構(gòu)內(nèi)部密集配筋，所以對工程質(zhì)量提出了較高要求。但大體積混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土強度通常較高，使得水泥用量較多，從而在水泥水化作用和明顯收縮作用下結(jié)構(gòu)更易于出現(xiàn)早期開裂；此外，由于混凝土本身不良的熱傳遞性能，極易引起水化熱量無法及時擴散，從而聚集在混凝土內(nèi)部形成溫度梯度，最終使得結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的開裂現(xiàn)象[2-5]。所以，如何有效的對水化熱進行控制，降低大體積混凝土內(nèi)外溫差，是在針對橋梁承臺等大體積混凝土結(jié)構(gòu)工程中急需解決的問題。

為此，一些學(xué)者對大體積混凝土的水化熱進行了研究。王祥國等[6]對布置有冷卻系統(tǒng)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行了模擬研究，提出了有效降低水化熱的方法；趙懷霞[7]通過優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計，提高了大體積混凝土溫控的程度；馬凡尹[8]基于有限元模擬，分析了水化熱在大體積混凝土中的分布規(guī)律；劉慶陽等[9]根據(jù)工程中易出現(xiàn)混凝土開裂的部位，提出了有效降低水化熱的施工方案；陶建強等[10]通過優(yōu)化混凝土澆筑及養(yǎng)護方法確定了控制溫度裂縫的有效措施。

本文基于重慶彭溪河多線特大橋工程，針對橋墩承臺大體積混凝土結(jié)構(gòu)，基于優(yōu)選的混凝土配合比設(shè)計方案，開展大體積混凝土水化熱的計算，得到厚度為3m的混凝土結(jié)構(gòu)最大內(nèi)外溫差，并對厚度不小于3m的橋梁承臺結(jié)構(gòu)通過布置冷卻水系統(tǒng)、分層澆筑混凝土和加強混凝土養(yǎng)護等技術(shù)手段，達到有效控制水化熱的目的。

1 工程概況

彭溪河多線特大橋坐落于重慶市云陽縣黃石鎮(zhèn)，是鄭萬鐵路中的一座重要鐵路橋梁。彭溪河多線特大橋全橋布置見圖1所示。

橋梁長度為741.6m，共14跨，結(jié)構(gòu)形式采用2m×24m+2m×32m+(4m×32m)四線變二線道岔梁(半幅)+1m×24m+(96m+200m+96m)連續(xù)鋼構(gòu)-拱組合+2m×32m，其中第10至12跨為(96m+200m+96m)連續(xù)鋼構(gòu)-拱組合結(jié)構(gòu)。全橋各混凝土承臺尺寸如表1所示。

表1 橋梁承臺尺寸 m

由表1可以看出，所有承臺最小尺寸均不小于2.5m，為典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。對于連續(xù)鋼構(gòu)-拱處10#和11#主墩位于彭溪河水域范圍，其結(jié)構(gòu)形式為高樁承臺；承臺采用圓端形設(shè)計，澆筑C35標號混凝土；承臺底面標高134.603m，厚度5m，平面截面尺寸為27.2m×18.2m，圓端半徑為12.35m，混凝土澆筑總量達到2250.91m3。

2 大體積混凝土水化熱計算

為控制大體積混凝土在澆筑時所釋放的熱量，在保證力學(xué)強度要求的基礎(chǔ)上，對混凝土配合比設(shè)計進行優(yōu)化調(diào)整?；诨炷撂匦詤?shù)，計算澆筑時產(chǎn)生的水化熱，判斷大體積混凝土內(nèi)外表溫差是否滿足規(guī)范要求。

2.1 混凝土配合比

在對混凝土進行配合比設(shè)計時，主要應(yīng)考慮的問題在于，相較于同體積的水泥，膠凝材料在水化過程中所釋放的熱量要明顯小很多，所以在混凝土中除必要含量的水泥外，膠凝材料應(yīng)采用水化熱量低且水化放熱均勻的材料，同時摻入部分粉煤灰，使混凝土水化熱完全釋放所需要的時間極大可能地延長，從而有效地降低混凝土的內(nèi)部溫升和溫度峰值。雖在橋梁承臺澆筑時原則上應(yīng)避免摻加粉煤灰，但在大體積混凝土施工過程中易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)開裂，因此加入適量粉煤灰進行調(diào)節(jié)水化熱。

根據(jù)上述確定的混凝土設(shè)計原則，本工程中對水泥的要求包括：鋁酸三鈣含量不超過8%，比表面積不超過300m2/kg，游離氧化鈣含量不超過1.0%，堿含量不超過3kg/m3。最終，根據(jù)工程實際要求，選用標號等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，并基于混凝土結(jié)構(gòu)物防腐設(shè)計要求，確定C35混凝土配合比，具體設(shè)計如表2所示，其中摻入的外加劑為占膠凝材料1.0%的萘系減水劑和0.2%的緩凝劑。

表2 C35普通混凝土配合比 kg/m3

2.2 水化熱計算

在進行混凝土水化熱計算時，將混凝土澆筑高度初步確定為3m，通過系統(tǒng)的水化熱計算分析，確定在已知混凝土配合比和性能參數(shù)條件下的混凝土內(nèi)外溫差。

混凝土絕熱溫升(T0)的計算公式如式(1)所示。

T0=mc·Q/c·ρ(1-e-m·t)

(1)

式中：mc為每立方米混凝土中水泥用量，取286kg/m3；Q為每千克水泥28天水化熱，取375kJ/kg；c為混凝土比熱，取0.97kJ/(kg·K)；ρ為混凝土密度，取2400kg/m3；m為與澆筑溫度有關(guān)的常數(shù)，取0.384；t為混凝土澆筑齡期，本文分別按3、6、9和12天計算。

混凝土內(nèi)部中心溫度(T1(t))的計算公式如式(2)所示。

T1(t)=Tj+T0·ξ(t)

(2)

式中：Tj為混凝土澆筑溫度，取25℃；ξ(t)為隨溫度變化的溫降系數(shù)，以混凝土厚度3m為標準，3、6、9和12天的溫降系數(shù)分別為0.68、0.67、0.63和0.57。計算結(jié)果表明：第9天時，混凝土內(nèi)部溫度達到最大值(Tmax)53.1℃。

混凝土外表溫度(T2(t))的計算如式(3)所示，在計算時需要考慮混凝土養(yǎng)護條件和混凝土澆筑厚度的影響。

T2(t)=Tq+4h′(H-h)[T1(t)-Tq]/H2

(3)

式中：Tq為大氣平均溫度，取25℃；h為混凝土澆筑高度，取3m；h′和H分別為混凝土的虛厚度和混凝土的計算厚度，按式(4)和式(5)計算。

h′=k·λ/β

(4)

H=h+2h′

(5)

式中：k為混凝土高度折減系數(shù)，取2/3；λ為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33W/(m·K)；β為保溫層傳熱系數(shù)，按式(6)計算。

β=1/[∑δi/λi+1/βq]

(6)

式中：δi為混凝土養(yǎng)護的各保溫層厚度，按式(7)計算；λi為各保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，對阻燃草簾取0.14W/(m·K)；βq為空氣層傳熱系數(shù)，取23W/(m2·K)。

δi=0.5h·λi(T2-Tq)kb/λ·(Tmax-T2)

(7)

式中：T2為混凝土表面溫度，取32.1℃；kb為傳熱系數(shù)修正值，取1.3。

結(jié)合式(1)～(7)，計算得到齡期分別為3、6、9和12天時混凝土的內(nèi)外溫差，計算結(jié)果如表3所示。由計算結(jié)果可以看出，當所澆筑混凝土厚度為3m時，最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)在齡期9天時，為24.5℃，小于規(guī)范中要求的25℃限值。

表3 高度3m承臺混凝土水化溫度 ℃

所以，本工程中除9#～12#之外的橋梁承臺，其混凝土澆筑厚度均小于3m，不必采取額外的溫度控制措施即可保證工程質(zhì)量。對于9#～12#的橋梁承臺，其混凝土澆筑厚度均不小于3m，所以對9#和12#承臺(高度3m)需預(yù)先設(shè)置一層冷卻水管，對10#和11#承臺(高度5m)則需預(yù)先埋設(shè)兩層冷卻水管。

3 大體積混凝土水化熱控制

為降低大體積混凝土水化熱，結(jié)合工程實際，以布置冷卻水系統(tǒng)、分層澆筑混凝土和提高混凝土養(yǎng)護水平為主要控制手段，并以混凝土厚度為5m的10#和11#橋梁承臺為例進行分析。

3.1 冷卻水系統(tǒng)

在布置冷卻水系統(tǒng)時，針對采用多層布置的冷卻水管，應(yīng)保證每層能獨自供水，并且不受澆筑模具的影響；其次每層冷卻水管要盡量減少通水路徑，使混凝土均勻降溫；最后，應(yīng)在冷卻水管道上安裝實時測溫裝置，并根據(jù)實測結(jié)果進行冷卻水量調(diào)節(jié)。對于10#和11#橋梁承臺，兩層冷卻水系統(tǒng)按圖2所示方式進行預(yù)先埋設(shè)。

鋼冷卻水管的外徑為40mm，管壁3mm。對于該冷卻水系統(tǒng)，水管間的橫向距離為100cm，兩層水管間的縱向間距為160cm。在進行混凝土澆筑時，當所澆筑混凝土完全覆蓋冷卻水管道時，即可以開始通入冷卻水，并根據(jù)實時溫測結(jié)果，對冷卻水的循環(huán)速度和流量進行控制，以保證在施工全過程溫度控制滿足施工規(guī)范要求。

待冷卻管停止注水后，應(yīng)一次性向冷卻管中壓漿，在壓漿端的水泥漿壓力值應(yīng)保證不小于0.7MPa。本工程中采用M35標號水泥漿對管道進行封堵，同時應(yīng)保證從拌合水泥漿開始至向冷卻水管內(nèi)壓漿，兩工序間的時間間隔應(yīng)不小于40min，同時應(yīng)保證向冷卻水管內(nèi)壓漿的持續(xù)時間不小于5min。

3.2 混凝土分層澆筑

為保證工程質(zhì)量，同時根據(jù)在澆筑前期混凝土散熱快、流動性好的特點，本項目采用推移式的連續(xù)澆筑方法，即在施工過程中，首先在某一特定部位進行混凝土澆筑，澆筑厚度按工程實際要求確定，澆筑后的混凝土以扇形方式自由鋪開，隨后在所形成的坡面上繼續(xù)澆筑，并依次推進。在澆筑時，應(yīng)從承臺短邊開始進行澆筑，并確定在相鄰兩層混凝土澆筑時，無層間冷縫的出現(xiàn)。

在對10#和11#橋梁承臺進行混凝土澆筑時，采用分層澆筑手段，由于該承臺高度為5m，計劃每層澆筑厚度按50cm進行，共分為10層澆筑，同時結(jié)合推移式連續(xù)澆筑方法，具體澆筑方案如圖3所示。

3.3 混凝土養(yǎng)護方法

在各承臺混凝土澆筑工序結(jié)束后，應(yīng)及時對大體積混凝土進行保溫保濕養(yǎng)護處理。按照大體積混凝土溫度控制的技術(shù)要求，應(yīng)保證養(yǎng)護期不小于14天，同時依據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果，當混凝土表面溫度與環(huán)境溫度的差值小于20℃時，即可撤除所有養(yǎng)護設(shè)施，至此養(yǎng)護環(huán)節(jié)結(jié)束。

3.4 有限元模型驗證

利用Midas FEA軟件選取10#和11#橋梁承臺中的一個進行水化熱分析。按照前文所述條件建立模型和布置冷卻水系統(tǒng)，精細化的有限元模型如圖4所示。

根據(jù)所建立的有限元分析模型，分別計算分析了承臺在混凝土澆筑3天、6天、9天和12天后的水化熱，圖5為承臺在各澆筑天數(shù)的溫度分布云圖。

根據(jù)圖5所示分析結(jié)果，混凝土內(nèi)外溫差隨時間變化情況見表4所示。

表4 10#和11#高度5m橋梁承臺布置冷卻水系統(tǒng)后混凝土水化溫度 ℃

從表4中可以看出，澆筑10#和11#墩時，混凝土內(nèi)外溫度變化規(guī)律同先前計算所得結(jié)果相符，最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)在澆筑完成第9天時，為24.9℃，小于規(guī)范中要求的25℃限值，證明前文所述的大體積混凝土水化熱控制方法有效。

4 結(jié)論

通過對大體積混凝土橋梁承臺結(jié)構(gòu)的水化熱計算及其控制分析，得到如下結(jié)論。

(1)對于混凝土厚度小于3m的橋梁承臺，根據(jù)水化熱計算結(jié)果，其內(nèi)外最大溫差為24.5℃，滿足規(guī)范低于25℃的要求；

(2)對于混凝土厚度分別為3m和5m的大體積混凝土橋梁承臺，應(yīng)在內(nèi)部預(yù)先布置單層和雙層冷卻水系統(tǒng)，并采用分層澆筑混凝土、提高養(yǎng)護水平等技術(shù)手段，以有效控制混凝土水化熱；

(3)根據(jù)混凝土厚度為5m的橋梁承臺水化熱有限元分析結(jié)果，混凝土的最大內(nèi)外溫差出現(xiàn)在澆筑完成后的第9天，為24.9℃，低于25℃的規(guī)范要求，驗證了所提溫度控制方案的有效性。