不同材質(zhì)冷卻水管在大體積砼溫度監(jiān)控中的應(yīng)用

段武兵， 翁學新， 侯云江， 蔣正武

(1.貴州省公路工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550008；2.同濟大學， 上海 200092)

大體積砼裂縫控制長期以來是工程界關(guān)注的問題。大體積砼溫度裂縫產(chǎn)生原因為約束條件下砼內(nèi)部溫度應(yīng)力超過大體積砼相應(yīng)齡期的抗拉強度，控制大體積砼結(jié)構(gòu)內(nèi)部因溫度變化引起的拉應(yīng)力能避免溫度裂縫的產(chǎn)生。目前，大體積砼裂縫控制途徑分為兩類，一是通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比提高砼本身的抗裂性能，二是采取水管冷卻、原材料控溫等措施降低大體積砼施工、養(yǎng)護過程(主要是砼的降溫過程)中內(nèi)部及表面的溫度拉應(yīng)力，其中水管冷卻由于可控性強及溫控效果顯著而得到大量使用。由于鋼管導(dǎo)熱性能較好，加上其熱膨脹系數(shù)與砼相近，能與砼協(xié)同工作，對砼有增強作用，國內(nèi)冷卻水管仍以鋼管為主，國外有的工程采用鋁管。雖然塑料管與鋼管、鋁管相比導(dǎo)熱性較差，但其成本低，施工方便，近年來塑料管作為冷卻水管的應(yīng)用也有報道。

峰林特大橋是貴州興義環(huán)城高速公路上的一座特大橋，為主跨555 m懸索橋。該橋二標段5#墩左右兩幅承臺的尺寸均為8.2 m×8.2 m×3 m，砼強度等級為C30，砼設(shè)計總量為200 m3，屬于大體積砼。施工季節(jié)為3月下旬，日最高氣溫29 ℃、最低12 ℃，平均最高氣溫24 ℃、最低氣溫14 ℃，晝夜溫差大。對5#墩承臺采用水管冷卻控溫，左右兩幅承臺冷卻水管分別采用PVC管和鋼管，分析比較PVC管、鋼管作為冷卻水管對大體積砼內(nèi)部溫度場的影響，并對溫控效果進行評價。

1 原材料

采用C30泵送砼，砂率為50%，水膠比為0.43。設(shè)計坍落度160～180 mm，實測坍落度為180 mm。砼配合比見表1。

表1 砼施工配合比kg/m3

2 溫控方案

2.1 冷卻水管材質(zhì)與性能

PVC管與鋼管的性能參數(shù)見表2，冷卻水管外徑為50 mm，壁厚2 mm。

表2 冷卻水管的物理性能參數(shù)

2.2 冷卻水管布置

該橋5#墩承臺共設(shè)3層冷卻水管，豎直間距為0.75 m，距砼上下面0.75 m，水平間距為1.2 m，相鄰兩層水管交錯布置(見圖1)。進水口設(shè)一個進水箱，保證兩幅承臺進水口水溫、流量一致。左右兩幅承臺分別布置PVC管、鋼管作為冷卻水管。

2.3 砼澆筑與養(yǎng)護

砼連續(xù)分層澆筑，為避免環(huán)境因素的影響，兩幅承臺砼澆筑同步進行。在砼澆筑成型后、砼終凝前，對砼表面覆蓋土工布，并定期灑水保持土工布濕潤。此外，砼帶模養(yǎng)護，以減少砼表面熱量散失及水分蒸發(fā)(見圖2)。

圖1 冷卻水管布置示意圖(單位：cm)

圖2 承臺的養(yǎng)護

3 溫度監(jiān)測方案

3.1 測溫元件及測試布點

采用JMZX-3001L型綜合測試儀進行溫度監(jiān)測，溫度傳感器采用JMT-36B型半導(dǎo)體溫度傳感器，量程為-30～120 ℃，靈敏度為0.1 ℃，精度為±0.5 ℃。

根據(jù)承臺的對稱性，選擇承臺的1/4進行溫度場測定。埋入承臺的溫度傳感器共分為4層，每層設(shè)置5個測點，承臺中共埋入20個溫度傳感器(見圖3)。

3.2 溫度監(jiān)測方法

從砼開始澆筑至砼澆筑完成后14 d對承臺澆筑進行監(jiān)測。根據(jù)砼的溫度觀測值采取不同的測量頻率：大部分水化熱在砼澆筑后前3 d釋放，故澆筑完成后前3 d采取高密度監(jiān)測，每2 h進行一次溫度采集；砼溫升升到最大值后，每4 h進行一次溫度采集；溫度下降均勻后，每8 h進行一次溫度采集。采集的溫度數(shù)據(jù)主要包括進出水口的溫度、砼內(nèi)部溫度傳感器的溫度、環(huán)境溫度。

5-3-1表示5#墩3號測點的第1層溫度傳感器，其他類似

4 監(jiān)測結(jié)果與分析

4.1 大體積砼溫度場分布對比

圖4為左右兩幅承臺1號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。從圖4可看出：冷卻水管為PVC管、鋼管時的砼溫度變化趨勢相似，距離砼中心更近的2、3層溫度明顯高于1、4層。第4層砼溫度增長速率在澆筑完成4 h后開始下降，早于其余3層砼，這可能是因為低層砼最先完成澆筑，且1號測點位于砼邊緣，熱量散失更快?？拷疟砻娴?層砼和靠近砼底部的第4層砼的溫度首先達到峰值，且其溫度變化比中間兩層更大。

圖5為2號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。從圖5可看出：冷卻水管為PVC管、鋼管時砼溫度變化趨勢相似，靠近底部的第4層砼溫度增長速率仍然比其他層砼先減小，靠近砼表面的第1層砼溫度明顯低于其余位置的溫度。這是因為達到溫峰后，受環(huán)境溫度影響，靠近砼表面位置處溫度下降速率最快且波動較大，其余位置溫度變化較平緩。冷卻水管為PVC管時，各層砼峰值溫度略高于冷卻水管為鋼管時砼峰值溫度。

圖4 1號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖5 2號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖6為3號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。因為3號測點位于砼中心，其溫度遠高于其余測點。從圖6可看出：第4層砼溫度增長速率最先下降，達到峰值后，溫度下降速率較低，曲線較平緩。最靠近砼幾何中心的2、3層溫度上升較快，且最后達到峰值，達到峰值后溫度下降速率較低，曲線較平緩。靠近砼表面處溫度最先達到峰值，且達到峰值后下降速率高于其他位置。冷卻水管為PVC管時，在溫度下降階段，第2～4層砼溫度差低于冷卻管為鋼管時。

圖6 3號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖7為4號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。4號測點位于承臺對角線上。從圖7可看出：第2、3層砼達到溫度峰值的時間長于靠近砼底面及表面的第1、4層砼。達到峰值后，第4層砼溫度變化很小，第1層砼溫度變化最大。在降溫階段，采用鋼管作為冷卻水管的右幅承臺砼溫度變化比左幅承臺大，靠近中心的兩個位置達到溫峰后溫度先快速降低然后逐漸回升。

圖7 4號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖8 5號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖8為5號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。從圖8可看出： 5號測點所有深度處砼達到溫峰后穩(wěn)定4 h左右，之后溫度均明顯下降。5號測點距離砼中心最遠，溫度降低速率明顯高于其余測點同層砼。采用PVC管作為冷卻水管時，第4層砼的溫度最早達到溫峰，達到溫峰后溫度大幅降低，砼澆筑完成12 h后，該位置的溫度低于其余位置；隨著齡期的增長，靠近上下面處溫度與中心處溫差逐漸減小，砼澆筑完成10 d后，不同位置處溫度差異明顯減小。以鋼管作為冷卻水管時，砼達到溫峰后溫度下降明顯，靠近上下面處溫度與中心處溫差有減小趨勢但高于同條件下采用PVC管作為冷卻水管的左幅承臺。

4.2 溫控效果對比與評價

圖9為砼內(nèi)部極值溫度隨時間的變化。從圖9可看出：無論冷卻水管采用PVC管還是鋼管，砼澆筑完成16 h時，砼內(nèi)部最高溫度增長趨勢均明顯放緩，且兩承臺的砼內(nèi)部最高溫度發(fā)展趨勢基本一致；采用PVC管作為冷卻水管的左幅承臺砼內(nèi)部最低溫度逐漸下降，而采用鋼管作為冷卻水管的右幅承臺砼內(nèi)部最低溫度繼續(xù)上升直到澆筑完成后24 h才開始下降；采用PVC管作為冷卻水管時砼內(nèi)部最高溫度略高于采用鋼管時的最高溫度。冷卻水管采用PVC管的溫控效果與鋼管相當。

圖9 砼內(nèi)部溫度發(fā)展曲線

圖10為砼內(nèi)部最大溫差隨時間的變化。從圖10可看出：砼澆筑完成24 h內(nèi)，兩承臺砼內(nèi)部最大溫差呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，這是因為砼夜間澆筑完成，夜晚環(huán)境溫度較低，砼水化速率較低；砼齡期為44 h時，砼內(nèi)部最大溫差增長趨勢放緩；齡期56 h時，砼內(nèi)部最大溫差增長速率很低，溫差基本保持穩(wěn)定；齡期84 h后溫差又開始以較高速率上升，且采用鋼管作為冷卻水管的承臺溫差出現(xiàn)跳躍式增長，主要是因為砼達到溫峰后，采樣間隔增加，氣溫降低，但未采取外保溫措施導(dǎo)致砼邊緣熱量散失較快。采用PVC管作為冷卻水管時，齡期84 h前砼內(nèi)部最大溫差明顯高于鋼管作為冷卻水管時，但84 h后最大溫差相差不大。PVC管、鋼管作為冷卻水管時砼內(nèi)部最大溫差的發(fā)展趨勢一致。

圖10 砼內(nèi)部最大溫差發(fā)展曲線

圖11為砼內(nèi)部最高溫度隨時間的變化速率。由圖11可知：冷卻水管采用PVC管和鋼管時，承臺砼內(nèi)部最高溫度變化速率發(fā)展趨勢基本一致，但采用PVC管作為冷卻水管時砼內(nèi)部最高溫度變化速率波動小于采用鋼管作為冷卻水管時，表明PVC管作為冷卻水管更有利于穩(wěn)定控制砼內(nèi)部最高溫度。

圖11 砼內(nèi)部最高溫度變化速率

5 結(jié)論

(1) PVC管及鋼管作為冷卻水管均能控制砼內(nèi)部中心最高溫度，且PVC管作為冷卻水管時砼內(nèi)部最高溫度變化速率波動較小，更有利于穩(wěn)定控制砼內(nèi)部最高溫度。

(2) 采用PVC管作為冷卻水管時，在升溫階段，承臺砼內(nèi)部最大溫差與采用鋼管作為冷卻水管時相比更大，但在降溫階段承臺砼內(nèi)部溫差比鋼管更小，在使用冷卻水管控制砼內(nèi)部溫差時，除控制冷卻水進水溫度、流量外，還應(yīng)根據(jù)冷卻水管材質(zhì)在不同階段采取保溫措施。