嚴寒地區(qū)大體積混凝土拱座水化熱施工控制研究

郜勇剛

（山西交通控股集團有限公司，山西 太原 030006）

根據(jù)GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》的定義，大體積混凝土是指實體最小幾何尺寸不小于1 m 的大體量混凝土。大體積混凝土在澆筑后，膠凝材料水化放熱使得結構溫度大幅升高，由于這個階段的混凝土彈性模量還很小，徐變大，所以該階段溫度升高引起的應力并不大；混凝土溫度隨時間逐漸降低時，材料硬化，彈性模量變大，而徐變小，在結構物各種約束條件下會產(chǎn)生很大的拉應力。根據(jù)對引起大體積混凝土結構應力的荷載研究表明，溫度應力要比自重等其他荷載產(chǎn)生應力的總和還要大，而且氣溫變化和水溫變化對大體積混凝土應力狀態(tài)的影響十分顯著[1-2]。

在寒冷地區(qū)，如果大體積混凝土施工時不采取有效的溫度控制措施，會出現(xiàn)很嚴重的開裂現(xiàn)象，對結構的耐久性和安全性造成不利影響[3]。而低溫條件下大體積混凝土的施工控制本身就是一個工程難題。郭昆[4]等對高寒地區(qū)混凝土承臺進行了溫度場模擬，并給出合理有效的溫控措施。本文以青海循化某鋼管混凝土拱橋的拱座為對象，對其進行施工水化熱分析，以明確其混凝土澆筑過程中的溫度場分布，討論大體積混凝土施工過程中合理的溫控措施。

1 工程概況

位于青海省循化撒拉族自治縣的某鋼管混凝土拱橋，橫跨黃河中上游的公伯峽庫區(qū)兩岸，全長320 m，主跨為220 m 的上承式鋼管混凝土桁架拱。拱座為整體式擴大基礎，采用C40 混凝土。南、北岸雙幅橋拱4 個拱座，混凝土工程量總計7 300 m3。青海地區(qū)冬季寒冷，晝夜溫差大，為了防止水泥水化熱效應產(chǎn)生的裂縫，需要對該拱座澆筑過程的溫度場進行分析。

圖1 拱座一般構造圖（單位：cm）

拱座一般構造尺寸如圖1 所示?；硬捎妹魍谑┕ぃ钊牖鶐r部分澆筑混凝土時不立模板，基坑清理干凈后直接澆筑混凝土；風化層范圍拱座后背回填采用C25 號片石混凝土，以保證拱座背面有效的土抗力作用。拱座施工采用定型鋼模板。

2 計算理論

大體積混凝土澆筑時，水泥的水化熱效應使得結構溫度大幅升高。雖然混凝土的溫度會隨時間冷卻降低，但是由于構造尺寸以及環(huán)境條件的不同，各個位置的溫度下降并不均勻[5]。為了計算分析混凝土的溫度場，需明確以下內容。

2.1 熱傳導方程

熱傳導方程是基于熱量平衡建立的溫度與時間和空間的關系，即混凝土結構物溫度升高所吸收的熱量等于外界流入的凈熱量與水泥水化熱產(chǎn)生熱量之和[6]。方程式如式（1）所示。要解此方程，須知道邊界條件。

式中：T 為溫度，℃；a 為導溫系數(shù)，m2/h；θ 為混凝土的絕熱升溫，℃。

2.2 邊界條件

在多數(shù)情況下，溫度場的初始溫度分布可認為是常數(shù)；求解方程（1）的邊界條件是指混凝土表面與周圍介質之間溫度相互作用的規(guī)律。通常可分為以下 4 種：

a）混凝土表面溫度為時間的已知函數(shù)[7]，即

b）混凝土表面的熱流量是時間的已知函數(shù)，即

式中：λ 為導熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）；n 為表面外法線方向。

c）固體（如混凝土）與流體（如空氣）接觸時的傳熱條件，即

式中：β 為表面放熱系數(shù)，kJ/（m2·h·℃）。

混凝土結構物廣泛適用于第三類邊界條件。在混凝土澆筑過程中，結構物表面通常接觸模板或覆蓋保溫層，如若手算須計算混凝土通過模板或保溫層向外放熱的等效放熱系數(shù)βs[7]。

d）兩種固體的接觸良好，認為在該接觸面上熱量和溫度均為連續(xù)，即

在4 種邊界條件中，混凝土結構物中廣泛適用第三類邊界條件。

2.3 混凝土的絕熱溫升

在混凝土溫度場的計算中通常用絕熱溫升θ 表征水泥的水化熱量。計算水泥絕熱溫升有兩種方法，一種是直接試驗測定；另外一種是有限元計算中常用的間接法，即先確定水泥水化熱，再根據(jù)混凝土的熱學性能計算得出[8]。

a）水泥的水化熱計算有指數(shù)式、雙曲線式和復合指數(shù)式3 種表達式。具體表達式如式（6）～式（8）所示：

式中：Q (τ) 為在齡期 τ 時的累積熱量，kJ/kg；Q0為τ→∞ 時的最終熱量，kJ/kg；τ 為齡期，d；m 為由水泥種類、澆筑溫度、比表面所確定的常數(shù)[7]。

b）混凝土的熱學性能包括導溫系數(shù)a（m2/h）、導熱系數(shù) λ [ kJ/（m·h·℃）]、比熱容 c 和密度 ρ（kg/m3）。三者之間關系為：

c）混凝土的絕熱溫升根據(jù)水泥水化熱計算公式為：

式中：W 為水泥用量；F 為混合材用量；k 為折減系數(shù)，對于粉煤灰，可取k=0.25。

3 有限元模擬

本文采用MIDAS FEA 有限元分析軟件進行水化熱分析，具體計算過程如圖2 所示。

圖2 有限元計算過程

程序中水泥水化熱由指數(shù)式的熱源函數(shù)計算，根據(jù)混凝土中水泥含量、澆筑溫度、最大絕熱升溫值共同決定。根據(jù)混凝土配合比確定基本計算參數(shù)如表1、表2 所示。

表1 C40 混凝土配合比 kg

表2 混凝土的熱學性能

在邊界條件的處理中，通過固定溫度、絕熱邊界以及對流邊界進行模擬簡化，其中對流邊界按照上文所述第三類邊界條件計算，混凝土熱量通過表面不同對流系數(shù)的接觸介質向外釋放熱量。根據(jù)FEA計算手冊，混凝土與鋼模板接觸面的對流系數(shù)為23，保溫層的對流系數(shù)為3。計算單元采用六面體、八節(jié)點的實體單元。建立的拱座整體有限元模型如圖3 所示。由于該模型為對稱結構，為了提高計算效率，且便于查看模型中心部位的分析結果，僅取1/2模型進行計算分析。

圖3 拱座有限元模型

4 水化熱施工控制

4.1 控制措施

大體積混凝土施工時，溫度控制是防止裂縫和減小溫度應力的最重要措施。通常采取以下幾方面措施：

a）選擇合理的結構形式和分縫分層。混凝土澆筑塊的尺寸對溫度應力有很大的影響，尺寸越大，越容易產(chǎn)生裂縫，實際經(jīng)驗和理論分析表面：當澆筑平面尺寸在15 m×15 m 范圍之內時，溫度應力較小，約束高度為3～4 m。但是在寒冷地區(qū)，還需要采取更嚴格的保溫措施。

b）合理選擇混凝土原材料、優(yōu)化混凝土配合比，可提高混凝土抗裂能力。（a）選用低堿水泥，降低水泥水化產(chǎn)生的熱量。（b）選用性能良好的骨料，提高混凝土自身抗裂強度。（c）采用加入高效緩凝減水劑及粉煤灰的“雙摻技術混凝土”。在混凝土中摻入Ⅱ級粉煤灰取代部分水泥，以降低水化熱；在混凝土中摻用高效減水劑，延長混凝土初凝時間，滿足混凝土設計強度，延緩水泥水化熱峰值出現(xiàn)的時間。

c）嚴格控制混凝土溫度是防止裂縫的最重要的措施，同時要減小溫差和表面溫度驟降。具體可通過降低混凝土澆筑溫度、水管冷卻和表面保溫的技術措施來實現(xiàn)。

d）在拱座施工階段，應布置溫度測點，準確測量、監(jiān)控混凝土溫度，確保施工質量。根據(jù)規(guī)范及計算結果，建議按照以下方法進行測點布設：（a）第1澆筑層布置3 層測點，分別為澆筑中心層、距離澆筑體頂面 50 mm 處和距離底面 50 mm 處。（b）第 2～6澆筑層均布置兩層測點，分別為澆筑中心層和距離頂面50 mm 處。（c）測點布置應避開冷卻水管位置。

4.2 水化熱計算

根據(jù)上述分析，拱座施工時，采取分層分塊澆筑，每層厚度控制在4.0 m 范圍內。每塊混凝土澆筑時，按豎向分層，水平分段，斜向推進的辦法進行混凝土的澆筑。兩層澆筑時間為了確保前后兩次澆筑的混凝土層之間連接的整體性，對混凝土表面進行鑿毛、沖洗處理。在采取上述措施的基礎上，為了進一步防止混凝土在青海這種寒冷地區(qū)發(fā)生開裂，降低澆筑混凝土的內外溫差，在每層混凝土內部埋設循環(huán)冷卻水管降溫，同時在混凝土表覆蓋保溫層。

冷卻水管網(wǎng)原則上按照冷卻水由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置，進水管口設在靠近混凝土底層中心處，出水口設在混凝土頂層邊緣區(qū)，每層水管網(wǎng)的進、出水口相互錯開。冷卻水管采用壁厚1.2 mm、直徑50 mm 的薄壁鋼管。冷卻水管垂直間距和水平間距均為1.5 m。冷卻水管布置如圖4 所示。在混凝土養(yǎng)護過程中要不停頓地輸送冷卻水，采用循環(huán)水冷卻降低混凝土水化熱。保證進水口有足夠的壓力和流量，使得進出水溫差控制在10 ℃左右（不大于15 ℃）。

圖4 冷卻水管布置圖

采用MIDAS FEA 有限元軟件模擬南岸左幅4號拱座澆筑分層過程，并考慮2 m 的基巖厚度以及冷卻水管的布置，建立有限元模型如圖5 所示?；炷翝仓樞蚰M如表3 所示。

圖5 有限元計算模型

表3 混凝土施工階段模擬

4.3 計算結果分析

圖6 第三層混凝土澆筑溫度場

圖7 混凝土澆筑過程最高溫度

由圖6 和圖7 顯示的計算結果可知：拱座混凝土澆筑過程中，第三層澆筑時達到最高溫度為53.8 ℃，此時的最高溫升值為43 ℃，滿足《大體積混凝土施工規(guī)范》中的最高溫升值不宜大于50 ℃的規(guī)定。

圖8 混凝土澆筑過程中最大里表溫差

根據(jù)圖8 顯示的計算結果可知，拱座澆筑過程中產(chǎn)生的里表溫差最大為24 ℃，滿足《大體積混凝土施工規(guī)范》中混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）不宜大于25 ℃的規(guī)定。但是由于在寒冷地區(qū)，還是應該進一步采取有效的溫度控制措施，以降低混凝土的里表溫差。

5 結論

通過對寒冷地區(qū)大體積混凝土拱座澆筑階段溫度場的計算和溫度控制措施的分析，可形成如下結論：

a）采用有限元計算軟件可以較為精確地模擬混凝土澆筑過程中的溫度場分布，可為施工中大體積混凝土溫度控制措施提供計算支撐。

b）分層澆筑和設置循環(huán)冷卻水管可以很好地控制混凝土的溫度和澆筑過程中結構的里表溫差。

c）對于類似青海省這樣的嚴寒地區(qū)，應該采取更為嚴格的溫度控制措施，并加強混凝土澆筑過程中的溫度監(jiān)控，才能防止大體積混凝土開裂，保證其耐久性。