橋臺基礎(chǔ)大體積混凝土溫縮裂縫控制探究

韓偉華

（山西黎霍高速公路有限公司，山西 長治 046000）

一、數(shù)值模型的建立

此次模擬的目的在于，確定橋首與橋尾的大體積U型橋臺在澆筑過程中與養(yǎng)護(hù)過程中，不產(chǎn)生高于20℃的內(nèi)外溫差。當(dāng)溫差大于20℃時，由于內(nèi)外的收縮不均勻，將直接導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生收縮裂縫，內(nèi)外收縮不均勻產(chǎn)生的裂縫將直接導(dǎo)致鋼筋的外保護(hù)層喪失保護(hù)功能，承臺的使用耐久時間會大幅度縮短。

此次模擬試驗(yàn)為某橋體橋首墩臺與橋尾墩臺混凝土水化熱表里溫度控制工程校驗(yàn)試驗(yàn)?；炷敛牧线x取C40混凝土，橋首墩臺長9m、寬7.885m、高8.25m，中間U型空洞尺寸為3.7m×2m，總體積為524.411m3。橋尾墩臺長10.3m、寬7.8m、高7.92m，中間分別有5.2m×1m、5.2m×1.2m的兩處U型構(gòu)架空洞，總體積為545.688m3。

圖1 混凝土模型

二、數(shù)值模擬結(jié)果分析

此次模擬共設(shè)計混凝土養(yǎng)護(hù)時長14天，因?yàn)榛炷镣ǔＴ诘?天至第4天內(nèi)達(dá)到水化熱產(chǎn)生溫度的峰值，模擬過程中在橋臺混凝土中心至混凝土結(jié)構(gòu)表層等間距設(shè)置4處溫度監(jiān)測點(diǎn)，模擬溫度云圖如圖2所示，其中A、B、C、D4點(diǎn)分別對應(yīng)圖3溫度變化圖中的4個測點(diǎn)。

圖2 模擬溫度云圖

圖3 溫度監(jiān)測圖

模擬的溫度監(jiān)測圖如圖3所示，可明顯看出在混凝土澆筑完成后的第3天，橋臺中心溫度達(dá)到了峰值，即60.986℃，而此時混凝土外表面溫度已經(jīng)降低到了32.921℃，內(nèi)外溫差明顯超出規(guī)范要求的20℃。因此，如果不采取保護(hù)措施或處理措施，橋臺混凝土必然會產(chǎn)生溫度裂縫。

由于澆筑前，工程已經(jīng)考慮到混凝土的水化熱問題，降低了混凝土水泥的用量，并摻入粉煤灰、添加劑等降低水化熱產(chǎn)生量的合成材料。同時選擇澆筑時間為錯過早高峰與晚高峰的交通通暢的時間，即在22時至次日6時的區(qū)段內(nèi)開展混凝土澆筑，使混凝土在炎熱的8月中旬不會受到更多的暴曬，同時能夠讓混凝土在一天之中溫度最低的區(qū)段內(nèi)攪拌制成。這樣可有效地降低混凝土的初始溫度。

但是，如圖3所示，在以日本JSCE 2012標(biāo)準(zhǔn)為參照，利用混凝土絕熱升溫函數(shù)計算后發(fā)現(xiàn)，對混凝土內(nèi)外溫差起決定性作用的并不是混凝土澆筑時的初始溫度，而是混凝土終凝后的養(yǎng)護(hù)措施。其中，結(jié)構(gòu)接觸的河床等急速吸收熱量的地基土體，使得混凝土內(nèi)外溫差的控制難度再次增大。要控制混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，必須解決外表面散熱過快的問題。

三、加設(shè)保溫層方案的提出

通過模擬試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在絕熱升溫環(huán)境下混凝土內(nèi)部最高溫度達(dá)到60℃以上，但是并沒有超出混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度70℃的閾值。因此，通過綜合設(shè)計方案，結(jié)合施工過程中的工期要求、進(jìn)度要求，以及成本要求等多條件、多維度考慮，在成本增加有限的情況下，設(shè)置保溫層結(jié)構(gòu)不僅能夠保證工期，同時技術(shù)要求較低，不需要對操作工人開展更多的繼續(xù)教育培訓(xùn)，降低了管理成本。

加設(shè)外保溫層結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬模型如圖4所示，考慮到混凝土橋臺上層仍需要繼續(xù)施工，無法安裝保溫層，因此對上表面設(shè)置了空氣對流換熱；考慮到施工時所選的時間為晴天，因此設(shè)計風(fēng)速較低；由于空氣溫度不高，因此設(shè)置空氣對流換熱邊界，換熱速率為50W/m2·k。施加了保溫層的結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)增設(shè)混凝土墊層，支模時，環(huán)繞部分可以添加泡沫板、塑料薄膜、土工布，還可以在邊界線上封堵阻燃發(fā)泡膠以防出現(xiàn)漏風(fēng)、跑風(fēng)或浸水等現(xiàn)象。在設(shè)置換熱速率時，應(yīng)參考工程材料指標(biāo)規(guī)范提供的數(shù)據(jù)，泡沫板與土工布結(jié)合結(jié)構(gòu)保溫參數(shù)設(shè)置為0.06W/m2·k。

圖4 加設(shè)保溫層結(jié)構(gòu)圖

同時，數(shù)值模擬過程中要結(jié)合實(shí)際工程考慮，由于施工環(huán)境較為惡劣容易造成塑料薄膜微量破損，而土工布受潮或濕潤會大幅度降低其保暖特性，泡沫板由于相對較低的抗彎強(qiáng)度容易產(chǎn)生破壞裂縫等問題，最終設(shè)置結(jié)構(gòu)下臥層的混凝土墊層熱交換速度為10W/m2·k，保溫保濕的塑料膜與土工布及泡沫板的熱交換速率為3W/m2·k。

四、優(yōu)化方案結(jié)果分析

通過設(shè)置保溫層，保障了混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差最大值控制在20℃以內(nèi)，使混凝土結(jié)構(gòu)溫縮裂縫得到有效控制。而且，使用保溫層對總體積分別為524.411m3、545.688m3的橋首墩臺與橋尾墩臺進(jìn)行保溫，材料均價成本不超過每立方米10元。其中人工費(fèi)用也能夠在施工過程中均攤至支模費(fèi)用中，在保障了工程質(zhì)量的同時最大程度地縮短了附加工期與相關(guān)工序的成本投入。

添加保溫層后，混凝土結(jié)構(gòu)整體溫度云圖如圖5 所示，通過對比可以看出，不論是混凝土水化熱反應(yīng)的初始階段還是混凝土養(yǎng)護(hù)階段即將結(jié)束時，混凝土整體溫度的一致性得到了明顯提升，加設(shè)了保溫層結(jié)構(gòu)的混凝土溫度得到了明顯提升。同時也發(fā)現(xiàn)了一個新的問題，即難以施加保溫結(jié)構(gòu)的上表面的溫度仍然過低，該問題可以通過后續(xù)鋪設(shè)保溫層或及時覆蓋塑料薄膜、復(fù)合保溫被、土工布等結(jié)構(gòu)控制。

圖5 添加保溫結(jié)構(gòu)后溫度云圖

溫度對比折線圖如圖6所示，添加了保溫結(jié)構(gòu)的混凝土橋臺，峰值溫度得到了明顯提高，達(dá)到了65℃以上，混凝土結(jié)構(gòu)中心溫度測點(diǎn)1在達(dá)到了峰值之后，有明顯的驟降現(xiàn)象，其原因在于混凝土結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境的溫差過大，造成了更明顯的降溫。而縱觀整個混凝土結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)過程可以發(fā)現(xiàn)，相比沒有保溫層結(jié)構(gòu)的溫度折線圖，添加保溫層結(jié)構(gòu)后，4條曲線的接近程度有了明顯的提升，間距更小，雖然隨著時間的推移，溫差逐漸拉大。但是，由此數(shù)值模擬驗(yàn)算的估值可以采取相應(yīng)的控制措施。

圖6 添加保溫層監(jiān)測點(diǎn)溫度圖

如圖6所示，從第4天起，4個測點(diǎn)的溫度開始拉開梯度，此時如果及時在混凝土橋臺上部結(jié)構(gòu)上鋪設(shè)保溫層，那么就能夠有效地提升表面溫度，使得溫度差值得到控制，最終混凝土結(jié)構(gòu)的溫縮裂縫會得到有效控制。

五、結(jié)語

結(jié)合實(shí)際施工計劃流程進(jìn)行相應(yīng)的施工技術(shù)手段控制，最終得出3項(xiàng)結(jié)論。

第一，常規(guī)的混凝土澆筑施工，由于U型電梯壁的整體體積巨大，會產(chǎn)生大額度水化熱熱量，使得結(jié)構(gòu)中心溫度在第3天達(dá)到峰值，而由于表層結(jié)構(gòu)散熱過快，最終內(nèi)外差值過大會產(chǎn)生溫度收縮不均勻裂縫。

第二，如果在電梯壁基礎(chǔ)上設(shè)置保溫層，那么由于表層結(jié)構(gòu)散熱速度變慢，熱能積攢，混凝土中心會產(chǎn)生更高的峰值溫度，但是并不會超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的70℃。而外表面由于保溫層的設(shè)置，會保持更高的溫度，最終整體結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生溫度裂縫。

第三，在有限的成本投入狀態(tài)下，土工布與塑料薄膜是最佳的保溫層材料，能夠保證混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差相差不大，同時安裝技術(shù)要求低，可以用較少的人力快速安裝，是低成本、低工期、快速度的優(yōu)良水化熱溫控措施。

綜上所述，在大體積混凝土橋梁墩臺的澆筑工程中，由于河水下淤泥質(zhì)土的快速吸熱，以及橋洞形成的較快速度的風(fēng)流，都會使得混凝土內(nèi)外溫差超過標(biāo)準(zhǔn)值，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土不均勻溫縮裂縫的產(chǎn)生。而通過計算模擬數(shù)值，在投入較低的緊急工期環(huán)境下，設(shè)置保溫層，不僅成本低、安裝快，而且效果顯著。