橋梁大體積混凝土控制溫度裂縫的施工措施研究

任士樸、姜勇、商淑杰、于新波

（1.山東華鑒工程檢測有限公司，山東 濟南250100；2.山東省橋梁結(jié)構(gòu)智能養(yǎng)護(hù)檢測與安全性評估研發(fā)中心，山東 濟南250100；3.山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，山東 濟南250100）

0 引言

現(xiàn)階段我國的經(jīng)濟逐年增長，交通量日益增加，為了更好地滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活需要，越來越多的大型橋梁開始投入使用，在這個過程中，必然會出現(xiàn)很多大體積混凝土結(jié)構(gòu)來支撐大型橋梁的正常運營，但在大體積混凝土施工后，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了很多的裂縫，此種裂縫的產(chǎn)生會引起鋼筋銹蝕、混凝土碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞以及抗?jié)B性等，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的耐久性。本文通過利用有限元軟件對混凝土出現(xiàn)裂縫的原因進(jìn)行分析，對防止裂縫出現(xiàn)的措施做出相應(yīng)的解釋，并對今后的施工過程中應(yīng)注意的問題做出較詳細(xì)的解釋說明。

1 工程介紹

此次項目是一座跨越黃河的大橋，主跨超過1000m，研究的重點為該橋梁的承臺結(jié)構(gòu)。該黃河大橋兩側(cè)承臺在混凝土澆筑時模板采用定型鋼模板，使用方木和鋼管進(jìn)行加固支撐，承臺分兩次澆筑，第一次澆筑1.5m高，分層進(jìn)行澆筑混凝土，每層厚度控制在30cm。承臺的基本尺寸為15m×8m×4m。

2 承臺的基本水化熱參數(shù)

由于該承臺在施工之前并未做相應(yīng)的熱學(xué)試驗，所以，只能根據(jù)混凝土的配合比對基本熱學(xué)參數(shù)做出經(jīng)驗性估計，該承臺單位體積混凝土基本組成成分為425#普通硅酸鹽水泥282kg，粉煤灰95kg，砂子747kg，石子1120kg，添加劑3.8kg，水154kg，根據(jù)以上參數(shù)，《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》（第二版）（朱伯芳2012））對相應(yīng)參數(shù)的計算，可以得到混凝土的基本熱學(xué)性能參數(shù)，（見表1）。

表1 混凝土的基本熱學(xué)性能參數(shù)

并且根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496—2018）中規(guī)定，在施工過程中，必須控制混凝土的溫升、里表溫差，降溫速率以及表面溫差等參數(shù)不超過表2規(guī)定的范圍。

表2 降溫速率以及表面溫差參數(shù)

因此，為了防止大體積混凝土結(jié)構(gòu)由于內(nèi)外部溫差產(chǎn)生裂縫，對混凝土澆筑過程中及澆筑完成后進(jìn)行合理的溫度場模擬是十分必要的。

3 水化熱監(jiān)控的施工過程及模型分析

3.1 承臺水化熱監(jiān)控的基本過程

3.1.1 在混凝土澆筑之前，根據(jù)提供的原材料的基本參數(shù)情況，結(jié)合有限元計算軟件，建立承臺（大體積混凝土）的計算模型，得到該承臺結(jié)構(gòu)在使用該類材料配比時，內(nèi)外部的溫度變化情況，以及應(yīng)力場隨著時間的變化情況。

3.1.2 根據(jù)初步模擬計算分析的成果，對原材料的選取進(jìn)行初步的擬定，根據(jù)實際情況編寫溫度控制方案及原材進(jìn)場方案。

3.1.3 當(dāng)材料選定之后，根據(jù)實際的材料配比，并進(jìn)行相應(yīng)的熱學(xué)參數(shù)試驗，能夠更好為計算模型提供準(zhǔn)確的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)最終的試驗成果，對模型進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而得到更符合實際情況的模擬結(jié)果。

3.1.4 根據(jù)調(diào)整后的有限元分析結(jié)果，再次了解各工況下的內(nèi)外溫差和應(yīng)力場的分布情況，是否進(jìn)行分層澆筑，是否需要增設(shè)水冷管，再進(jìn)行相應(yīng)的模擬計算，并對施工方案進(jìn)行再次的修改確認(rèn)。

3.1.5 正式的施工開始后，由于施工過程中會遇到各種不確定的因素，各種原有的假設(shè)及施工流程都會發(fā)生變化，這時需要技術(shù)人員隨時根據(jù)實際的施工工序及狀況及時更新有限元分析模型，得到最接近實際情況的溫度場模型，以便后期的施工開展[1]。

3.1.6 對承臺結(jié)構(gòu)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工完畢后，要進(jìn)行運行分析，分析后期的溫度變化是否與模型模擬的情況類似，以便為后期再次施工做出合理的修正。

此次有限元軟件主要對在配合比完成之前以及在施工過程中如何施工分別進(jìn)行模擬分析，從選擇不同種類的水泥，不同的澆筑方法分別進(jìn)行解釋。

3.2 水泥種類的選擇

進(jìn)行大體積混凝土澆筑之前，會面臨一個水泥的選擇問題，如何選擇水泥，從而不會出現(xiàn)過大的內(nèi)外溫差，進(jìn)而產(chǎn)生溫度裂縫；又要從造價方面考慮，不得超出基本造價。一般從三種水泥類別進(jìn)行分析，分別是早強硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥以及低熱硅酸鹽水泥[2]。

首先，選擇高早強硅酸鹽水泥的情況下，計算結(jié)果為溫度升高29℃（見圖1，設(shè)置的入模溫度為20℃）

圖1 高早強硅酸鹽水泥

采用普通硅酸鹽水泥計算結(jié)果為溫度升高27℃，如圖2所示。

圖2 普通硅酸鹽水泥

采用低熱硅酸鹽水泥溫度升高16℃，如圖3所示。

圖3 低熱硅酸鹽水泥

根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》（GB50496—2018）要求，混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃，因此，在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時，低熱硅酸鹽水泥的發(fā)熱量是最小的，為了防止裂縫的發(fā)生，應(yīng)選用低熱硅酸鹽水泥[3]。

3.3 施工方式的選擇

由于低熱硅酸鹽水泥的價格相對較高，若在選用普通硅酸鹽水泥的前提下，保證混凝土內(nèi)外溫差不超過25℃，可以選擇分層澆筑的方式進(jìn)行施工。

圖4的施工方式是先澆筑第一層1.5m，然后澆筑第二層2.5m，用這種方式進(jìn)行施工時溫升為26℃，比一次性澆筑的內(nèi)外溫差稍低，但仍不符合規(guī)范要求，在此基礎(chǔ)上，可以運用增添水冷管的方式進(jìn)行改善[4]。

圖4 分層分階段澆筑

對第一層澆筑及第二層澆筑的中間部位分別布設(shè)一層水冷管之后發(fā)現(xiàn)最高溫差變?yōu)?1℃。（見圖5）

圖5 布設(shè)水冷管

4 結(jié)語

本文對大體積承臺在采用不同材料施工時，通過分析承臺內(nèi)外溫差，得出選用低熱的硅酸鹽水泥會很好地控制大體積承臺的內(nèi)外溫差，如果在施工工期較為緊張的情況下，可采用造價更高的該類水泥完成大體積混凝土的澆筑工作。如果要在控制造價的前提下，采用分層澆筑的方法可以有效地降低承臺內(nèi)外溫差，但在施工前必須要進(jìn)行詳細(xì)的溫度分析，如果仍達(dá)不到規(guī)范要求，可采用鋪設(shè)水冷管的方式進(jìn)行降溫，能夠起到非常好的溫度控制作用。