橋梁承臺大體積混凝土溫控防裂技術探討

■鄭鎮(zhèn)平

（福建省交通建設試驗檢測中心有限公司， 福州 350000）

晉江市東部快速通道一期工程上郭主線1# 橋為鋼混結合梁連續(xù)梁橋，橋長1 085 m，主跨跨徑設計為55 m+80 m+55 m 的等截面連續(xù)鋼箱梁， 橋寬27 m，下部結構設計為雙柱花瓶墩，薄壁橋臺、樁基礎。主墩承臺長14.0 m，寬10.5 m，高3.0 m，混凝土標號選用C40，單個承臺混凝土方量為441 m3。 承臺尺寸示意圖見圖1。

圖1 承臺尺寸示意圖

1 混凝土結構建模及分析

1.1 參數說明與建模

根據混凝土及結構的相關參數， 運用MIDAS FEA 有限元分析軟件對上郭主線1# 橋主墩承臺混凝土進行溫度應力計算，并結合混凝土結構對稱性及影響因素進行分析[1]，具體計算目標選取1/4 承臺混凝土。圖2 為1/4 承臺混凝土網格剖分圖。承臺大體積C40 混凝土配合比為水泥324 kg/m3、 粉煤灰90 kg/m3、 礦 粉36 kg/m3、 砂755 kg/m3、 碎 石1043 kg/m3、水162 kg/m3、減水劑4.5 kg/m3。 大體積混凝土物理熱學性能相關計算參數： 比熱0.92 kJ/kg·℃、28 d 抗拉強度4.8 MPa、28 d 抗壓強度48.6 MPa、彈性模量3.1×104MPa、最終絕熱溫升48℃、導熱系數9.13。 大體積混凝土邊界條件：環(huán)境溫度 （18±4）℃、 入模溫度25℃、 模板材質為鋼模（1cm）、養(yǎng)護方法為側面帶模頂面覆蓋、冷卻水管為1 m×1 m。

圖2 1/4 承臺混凝土網格剖分圖

1.2 溫度計算

針對內部最高溫度、最大內表溫差這2 個指標的計算， 可在上述設定因素的基礎上計算得到，內部最高溫度73.6℃，最大內表溫差29.1℃，溫峰出現時間為第3 d。 承臺大體積混凝土內部的最高溫度示意圖見圖3。

圖3 承臺大體積混凝土內部最高溫度示意圖

將混凝土側面外表點與中心點作為研究對象，得出溫度時程曲線示意圖（圖4）。 圖中所示的溫度達到最高點時間段為第3 d， 最大內表溫差會在表面溫度下降過程中不斷增加[2]。

圖4 承臺混凝土溫度時程曲線示意圖

從圖4 可知，大體積混凝土內部的中心溫度處于最高狀態(tài)，溫度較低為混凝土表面，要想對溫度進行有效控制，需做好“外保內散”的施工保障措施[3]。

1.3 冷卻水管布設

在主墩承臺中設計設置兩層冷卻水管，具體布設為豎向與混凝土面的間距分別確定為100、200 cm。 對于冷卻水管的水平管距離為100 cm，與混凝土側面間距為50 cm。 水管管徑4 cm，每套水管設置1 個進水口和1 個出水口，水管長度不大于200 m。 冷卻水管的具體布置情況見圖5。

圖5 冷卻水管布設情況

1.4 溫度監(jiān)測點布置

在布置測溫點的過程中，需設置在混凝土底面澆筑層150 cm 以上位置， 便可檢測控制內部與表面溫度變化情況。 為保證測量準確性，還要在混凝土底面250 cm 以上位置，對測溫點加以校核，以達到溫度控制預期。

1.5 抗裂安全性評價

評價工作直接決定了承臺大體積混凝土的抗裂性能是否與預期一致。 因此，在評價過程中應將工作重點放在以下兩個方面：（1）特征溫度控制值，其評價確定工作開展要將混凝土內部最高溫度、入模溫度和內表溫度差作為終點。 具體需根據相關規(guī)范對混凝土溫度仿真計算值與后期實際測量值情況進行分析對比。 （2）抗裂保證率，其所呈現的大體積混凝土抗裂安全系數，是評價結果準確性的重要保障。 抗裂安全性評價標準：溫度應力抗裂安全系數≥1.4，砼入模溫度冬天≥5℃、夏天≤28℃，內部最高溫度≤75℃，最大內表溫差≤25℃。

1.6 應力分析計算

根據上述既有條件，得出承臺混凝土溫度應力計算結果： 安全系數3 d 為1.42、7 d 為1.51、28 d為2.04、180 d 為2.96，溫度應力3 d 為1.36 MPa、7 d為1.51 MPa、28 d 為1.43 MPa，180 d 為0.98 MPa。

通過分析， 混凝土的最小抗裂安全系數是1.42，滿足控制要求，安全性能較好。 第3 d 應力發(fā)展速度較快， 此過程中應力主要作用于構件表面，且呈集中狀態(tài)。 而拉應力是因內表溫差較大產生。在后期混凝土會隨著溫度的下降而產生收縮現象[4]。即3 d 后，部分應力朝著構件內部進行轉移，并發(fā)展至穩(wěn)定狀態(tài)。

由于早期承臺大體積混凝土的表面與側面會因內表溫差較大，而出現應力集中問題，所以需要做好溫度處理工作， 不僅要對內部溫度進行冷卻，還需做好保溫工作， 可以對內表溫差進行降低，并避免約束累積開裂的發(fā)生。

1.7 結論及建議

經計算與分析， 確定了澆筑層內部最高溫、內部表面溫差和最小抗裂系數， 與目標要求一致，可按照預期開展施工作業(yè)。

2 施工過程控制

2.1 砼配合比設計

為降低混凝土水化熱、提高抗裂效果，配合比設計時建議采用低熱水泥，雙摻礦物摻合料，結合泵送施工工藝， 混凝土含氣量控制在5%～6%范圍內，具體以試配調整結果為準，配合比試配結果同時滿足試配強度、和易性、抗?jié)B、抗裂等各項指標要求，在配合比確定后，進行水化熱的驗算或者混凝土絕熱溫升的測定。

2.2 砼澆筑溫控措施

2.2.1 砼入模溫度控制

控制混凝土入模溫度的過程中， 要做好備料與雨棚搭設準備，并鉆取地下水作為攪拌用水。在混凝土澆筑期間，原材料及入模溫度需實時動態(tài)監(jiān)測。承臺混凝土原材料及入模溫度監(jiān)測結果：碎石21℃、砂22℃、水20℃、入模溫度23℃～27℃，原材料及入摸溫度控制應滿足大于5℃且在28℃以下的標準。

2.2.2 砼生產質量控制

（1）在攪拌機中攪拌混凝土時，承臺混凝土的攪拌時間要控制在90 s 以上。對于拌和混凝土也有一定要求，確保拌和均勻，具有良好的粘聚性，入模以后的混凝土才不會有離析與分層的現象。 （2）混凝土澆筑處理到30～50 cm，需對坍落度進行嚴格控制， 避免因混凝土浮漿過厚而引發(fā)表面收縮裂紋。不僅能夠有效規(guī)避混凝土開裂問題出現，還能降低處理鑿毛問題的工作內容。 （3）混凝土分層澆筑厚度要做好控制，即在30～50 cm。（4）混凝土浮漿問題控制：需在確?？杀玫幕A上，將混凝土坍落度控制在合理范圍內。 當混凝土澆筑至最后1 層時，坍落度可調控降低20 mm 左右。

2.2.3 降低生產及施工過程中氣溫的影響

（1）對攪拌站粉罐、輸送皮帶以及料斗等設備，采用遮陽處理方式。 通過多次淋水對各種原材料進行降溫，使用濕罩布對泵送管道進行覆蓋，同時在輸送時要多次灑水降溫。 （2）水泥、粉煤灰、礦粉應提前24 h 備料入罐，讓其自然冷卻，確保拌和前的水泥和摻合料溫度不高于50℃，禁止使用剛出廠的新鮮水泥。 （3）為強化混凝土的澆筑效果，應及時覆蓋1 層，以縮短材料暴露時長，盡可能縮短材料運輸與滯留的時間，整個從加水攪拌到入模的時長應控制在1.5 h 以內。（4）控制倉面澆筑混凝土環(huán)境溫度。如作業(yè)現場溫度較高，超過30℃，則要進行噴淋降溫工作。 噴淋對象為金屬模板外表面、鄰接的已硬化混凝土。 （5）混凝土澆筑所處的環(huán)境相對濕度偏低，或是風速較大、氣溫超過30℃時，就要開展?jié)仓}面的噴霧或是擋風處理措施。 這是避免混凝土表面失水時間過短的有效方法，也是規(guī)避收縮裂縫的重要措施。

3 監(jiān)測數據分析

混凝土澆筑作業(yè)需對溫度進行監(jiān)測，具體監(jiān)測結束時間應根據溫度指標的穩(wěn)定情況確定，在第13 d 之后。 最高溫度時間的確定，應從混凝土升溫開始算。 承臺溫度特征值監(jiān)測數據： 中心高度1.5 m，內部最高溫度69.7℃，溫峰到達時間39 h，最大內表溫差24.7℃，降溫速率1.0～2.2℃/d。因冷卻水溫度較低， 混凝土澆筑的前期階段降溫速度較快。一旦速度超過超出2.0℃/d，就要通過停水來調整冷卻水，以使降溫速率始終控制在規(guī)范要求以內。

通過溫度監(jiān)測數據分析，當混凝土溫度升高速度較快，溫峰多數會出現在35～40 h。 與MIDAS 仿真分析下的溫峰比較，提前了1.5 d 左右。經對實際情況進行分析，溫峰出現與混凝土緩凝時間較短有關。 溫峰以后，混凝土降溫速率加快，其前期內表溫度會伴隨內部溫度而呈正比例變化。 后期階段，混凝土內表溫度， 則會伴隨表面溫度波動而發(fā)生變化。 而最大內表溫度差異會出現在降溫初期階段，后期內表溫差基本趨于穩(wěn)定。

對于冷卻水，可直接從河水中抽取以起到降溫效果。 通水期間的出水效果良好，進水溫差應在5℃～8℃，與升溫階段進出水溫差小于10℃的標準一致[5]。此外，混凝土的內表溫差、最高溫度以及降溫速率，均滿足現行規(guī)范標準提出的要求。

混凝土澆筑完成后帶模養(yǎng)護，第3 d 之后拆除模板，整體表觀較好，并未出現開裂問題。 上表面前期應采用蓄水養(yǎng)護措施，后期應覆蓋土工布并進行灑水養(yǎng)護處理。

4 結語

通過以上監(jiān)測、 分析及采取相應的控制措施，承臺混凝土整體表觀良好，未發(fā)現結構裂縫，有效地控制了混凝土內部質量。

在橋梁大體積混凝土整個施工過程中，運用MIDAS 軟件分析整體結構的溫度應力變化，澆筑作業(yè)完畢后對氣溫、混凝土內外溫度以及進出水溫度進行實時監(jiān)測，以確定混凝土最高與內表溫差情況。 通過監(jiān)測信息的反饋，可對原材料情況與配合比、混凝土運輸、攪拌以及澆筑等作業(yè)環(huán)節(jié)進行全過程控制，以最大限度地保證混凝土結構的施工質量與耐久性。