澆筑體積對(duì)拱座水化熱影響的研究

王嘉豪，張文輝，付興剛

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.麗水市市政設(shè)施管理中心，浙江 麗水 323020)

大跨徑鋼管混凝土拱橋是跨越大山谷的不二選擇，但它的建造是一大技術(shù)難題。鋼筋混凝土拱座屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土中的凝膠材料在凝固過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會(huì)釋放出大量熱量，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部在澆筑后更是會(huì)產(chǎn)生巨大的水化熱。另一方面混凝土屬于不良導(dǎo)熱材料，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不易及時(shí)與外界進(jìn)行熱交換，致使?jié)仓旰蠡炷羶?nèi)部溫度急劇升高，與外部環(huán)境溫度產(chǎn)生較大溫差，這時(shí)溫度應(yīng)力就產(chǎn)生了。在溫度應(yīng)力的影響下逐漸凝固的混凝土結(jié)構(gòu)將會(huì)發(fā)生不協(xié)調(diào)變形，一旦超過(guò)混凝土材料的抗拉強(qiáng)度就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫[1-3]。倘若形成了貫穿性裂縫，結(jié)構(gòu)的耐久性和承載力將受到極大的削弱，情況嚴(yán)重還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)完全不滿足使用要求。

冀偉[4]選取不同種類的硅酸鹽水泥進(jìn)行水泥水化熱試驗(yàn)，證明了摻入一定比例的粉煤灰可降低水化熱。李城等[5]利用有限元軟件對(duì)橋墩承臺(tái)水化熱進(jìn)行模擬并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明數(shù)值模擬在一定程度上可反應(yīng)水化熱真實(shí)發(fā)生情況。馬良等[6]專注于研究低溫環(huán)境下混凝土水化熱對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，總結(jié)出適合低溫下的施工方法和防裂措施。蔣科[7]采用有限元模型分析不同冷卻水溫度下水化熱的控制情況，得出結(jié)論水溫應(yīng)比混凝土核心溫度低20 ℃～30 ℃為宜。郭寧等[8]分別使用ANSYS與Midas Civil兩款軟件模擬承臺(tái)水化熱，發(fā)現(xiàn)不同軟件對(duì)水化熱計(jì)算結(jié)果存在明顯差異。王建軍等[9]證明了可通過(guò)優(yōu)化混凝土材料和施工工藝降低水化熱峰值。李俊廣、賈六億等[10-11]對(duì)傳統(tǒng)水化熱計(jì)算模型進(jìn)行修正，使計(jì)算結(jié)果更貼合實(shí)際情況。張曉林等[12]以實(shí)際工程為背景，充分考慮了各種實(shí)際因素，通過(guò)全過(guò)程仿真分析指導(dǎo)了大體積混凝土施工。王瓊等[13]采用CFD方法對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬并與工程實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，表明合理的溫控方案能有效控制水化熱溫度峰值、內(nèi)表溫差以及降溫速率。李敏、王祥國(guó)等[14-15]闡述了冷卻管的降溫作用，并證明了合理選取冷卻管參數(shù)的有效性與重要意義。肖峰等[16]證明蛇形冷卻管布置效果優(yōu)于矩形布置。李仁強(qiáng)等[17]證明異形橋墩與常規(guī)橋墩的溫度場(chǎng)分布規(guī)律基本相同。

既有水化熱的研究多側(cè)重運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，由于不同軟件的模擬結(jié)果存在一定差異，因此數(shù)值模擬的仿真模擬不能完全替代工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。本文依托實(shí)際工程對(duì)大體積混凝土的水化熱進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)大量真實(shí)有效的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行水化熱分析，供實(shí)體工程參考。

1 工程概況

該大橋位于重慶市境內(nèi)，采用分離式路基，橋梁全長(zhǎng)506 m。主橋采用大跨徑上承式鋼管混凝土拱橋，計(jì)算跨徑為330 m，矢高66 m，矢跨比1/5；拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)為1.543。拱座采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)，交接墩采用混凝土空心薄壁墩；引橋下部采用圓形雙柱墩樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)采用樁接蓋梁輕型橋臺(tái)。

2 拱座類型尺寸和單元?jiǎng)澐?/h2>

兩岸拱座均采用明挖擴(kuò)大式基礎(chǔ)，拱座基礎(chǔ)設(shè)計(jì)位置在穩(wěn)定完整的中風(fēng)化灰?guī)r層內(nèi)。南岸拱座橫橋向?qū)挾葹?9 m，高度為18.631 m，順橋向長(zhǎng)度為21.77 m，基底呈有傾斜度的臺(tái)階狀；北岸拱座橫橋向?qū)挾葹?9 m，高度為30.631 m(線路左側(cè))和36.631 m(線路右側(cè))，順橋向長(zhǎng)度為28 m，基底橫橋向和縱橋向均呈臺(tái)階狀。兩岸拱座內(nèi)部單元均采用C30混凝土，表面單元均采用C40混凝土；南岸拱座混凝土設(shè)計(jì)方量為6 712 m3，北岸拱座混凝土設(shè)計(jì)方量為15 894 m3。

本工程中拱座為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)合拱座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式、不同的混凝土強(qiáng)度、拱腳預(yù)埋段位置、施工先后順序以及場(chǎng)地條件等因素對(duì)拱座進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，采用分層分次澆筑的施工方法。南岸共分?個(gè)單元，北岸共分為13個(gè)單元。北岸拱座單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示。

澆筑北岸拱座前4個(gè)單元所用的混凝土工程量明細(xì)如表1所示。

表1 北岸拱座前4個(gè)單元工程量明細(xì)Table 1 Bill of quantities of the first four units of the skewback on the north bank

3 冷卻水管和溫度監(jiān)控元件安裝

3.1 冷卻水管安裝

本工程采用直徑57 mm，管壁厚2.5 mm的焊接鋼管。冷卻水管的豎向垂直距離按1 m布置，橫向水平間距按1.5 m布置，冷卻管距離模板的最大距離控制在1 m以內(nèi)，表層冷卻水管距混凝土澆筑面的距離為1 m。

3.2 溫度監(jiān)控元器件安裝

溫度傳感器采用電阻式熱敏電阻，一個(gè)單元內(nèi)布置21個(gè)溫度傳感器。在一個(gè)單元中溫度傳感器分頂層、中間層、底層共3層布置，頂層傳感器距離混凝土頂面100 mm，底層傳感器距離混凝土底面100 mm。每一層布置7個(gè)傳感器，一個(gè)單元共布設(shè)21個(gè)傳感器，每個(gè)單元的澆筑體積不同，但布置傳感器的相對(duì)位置相同。測(cè)點(diǎn)平面與立面布置如圖2所示。

3.3 混凝土原料及配合比

本項(xiàng)目采用水化熱相對(duì)較小的硅酸鹽水泥，水泥標(biāo)號(hào)為P·O42.5。粗骨料采用粒徑在4.75 mm～31.5 mm碎石；細(xì)骨料采用項(xiàng)目部自產(chǎn)料場(chǎng)的機(jī)制砂?；炷林袚饺敕勖夯移鋼搅繛?5%。本項(xiàng)目采用聚羥酸減水劑用量為5 kg/m3。最終的混凝土配合比為水泥∶砂∶碎石∶水∶聚羥酸減水劑=375∶729∶1 006∶165∶5。

3.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為研究不同澆筑體積對(duì)水化熱的影響，本節(jié)主要從2個(gè)方向?qū)?shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析：

1) 不同澆筑體積單元在相對(duì)位置相同測(cè)點(diǎn)的溫度對(duì)比，主要分為頂層、中間層和底層。測(cè)點(diǎn)位置按前文方案布設(shè)。

2) 不同澆筑體積單元的各位置測(cè)點(diǎn)在整個(gè)水化熱反應(yīng)過(guò)程中的變化情況。水化熱反應(yīng)階段分為快速升溫階段、溫度峰值階段、緩慢下降階段。

(a) 溫度測(cè)點(diǎn)平面布置示意

3.4.1 不同單元相同位置

因各單元的澆筑日期不同，同一單元的底層、中間層、頂層接觸到混凝土開(kāi)始發(fā)熱的時(shí)間也不相同。因此，以某一層傳感器開(kāi)始升溫作為該層傳感器溫度記錄的起始時(shí)間，以此起始時(shí)間計(jì)算該層傳感器記錄的混凝土水化熱升溫的齡期。

1) 各單元底層溫度對(duì)比分析

每個(gè)單元各取底層相對(duì)位置相同的2個(gè)溫度傳感器，這里取7號(hào)與13號(hào)，記錄其從接觸混凝土開(kāi)始發(fā)熱后的180 h內(nèi)監(jiān)測(cè)到的水化熱溫度變化。這里因③單元與②單元的澆筑間隔較短，澆筑③單元時(shí)②單元尚未完全冷卻，且③單元的底面與②單元直接接觸，受下方②單元余熱影響較大。因此底層監(jiān)測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)比正常情況偏高，故排除③單元底層溫度數(shù)據(jù)。繪制的點(diǎn)線圖如圖3所示。

觀察圖3可知，①單元在快速升溫階段的升溫速度即溫度曲線的斜率明顯小于澆筑體積更大的②、④單元，且②、④單元的升溫速率沒(méi)有明顯差別。據(jù)分析，出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象是因?yàn)棰賳卧氏葷仓抑苯訚仓陂_(kāi)挖的山體圍巖上，由于圍巖溫度較低，吸收了一部分水化熱，導(dǎo)致①單元底層升溫速率較后續(xù)單元慢。

圖3 各單元底層溫度變化Fig.3 Temperature changes of bottom layer of each unit

溫度峰值上滿足澆筑體積越大溫度峰值越高的規(guī)律，觀察到②、④單元在前50 h的溫度變化曲線類似，但在50 h之后②單元溫度達(dá)到峰值57.75 ℃，繼而開(kāi)始緩慢下降，而④單元?jiǎng)t繼續(xù)保持緩慢上升直到齡期92 h時(shí)達(dá)到溫度峰值59.5 ℃。

在緩慢下降階段，④單元的下溫度降速度明顯慢于①、②單元，即澆筑體積越大底層水化熱溫度下降越慢。

2) 各單元中間層溫度對(duì)比分析

每個(gè)單元各取中間層相對(duì)位置相同的2個(gè)溫度傳感器，這里取8號(hào)與14號(hào)，記錄其從接觸混凝土開(kāi)始發(fā)熱后的180 h內(nèi)監(jiān)測(cè)到的水化熱溫度變化。②單元監(jiān)控持續(xù)時(shí)間較其他單元偏短，但依然包含完整的快速升溫階段、溫度峰值階段和緩慢下降階段。繪制的點(diǎn)線圖如圖4所示。

圖4 各單元中間層溫度變化Fig.4 Temperature changes of intermediate layers of each unit

觀察圖4可知，不同澆筑體積對(duì)水化熱影響的規(guī)律在中間層體現(xiàn)得更加明顯，因?yàn)橹虚g層處于大體積混凝土的中心位置，環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，受外界影響最小。在升溫速率上只有①單元明顯慢于其他單元，②、③、④單元在前50 h的溫度變化曲線相似。

溫度峰值上滿足澆筑體積越大溫度峰值越高的規(guī)律，注意到①單元的溫度峰值為61.25 ℃，遠(yuǎn)低于另外3個(gè)單元，其中②單元為71 ℃，③單元為72.62 ℃，④單元為74.12 ℃。

在緩慢降溫階段，不同單元的中間層降溫速度差別不大，但與底層表現(xiàn)的規(guī)律不同。

3) 各單元頂層溫度對(duì)比分析

各單元頂層埋置的溫度傳感器受環(huán)境變化以及拱座澆筑施工過(guò)程影響較大，在實(shí)際的施工中往往不能像底層和中間層溫度傳感器一樣精準(zhǔn)地埋置在設(shè)計(jì)高度上，最終的混凝土澆筑面受限于實(shí)際的施工情況可能會(huì)偏高或偏低。因此在這種情況下，直接比較各單元的頂層溫度是不適宜的。為解決該問(wèn)題，本文選擇對(duì)各單元頂層相對(duì)位置相同的2個(gè)溫度探頭的溫度差值進(jìn)行比較，雖然不同單元頂層溫度傳感器到混凝土頂面的距離不同，但在同一單元中，所有頂層溫度傳感器到混凝土面的距離是相同的。因此，選擇比較同一單元中2個(gè)不同位置的頂層溫度傳感器監(jiān)測(cè)的溫度差值。除①單元頂層溫度傳感器故障無(wú)數(shù)據(jù)外，繪制的點(diǎn)線圖如圖5所示。

圖5 各單元頂層兩測(cè)點(diǎn)溫差Fig.5 Temperature differences between two measuring points on the top floor of each unit

觀察圖5可知，不同澆筑體積對(duì)單元頂層的溫度沒(méi)有明顯影響，所有單元在頂層的溫度表現(xiàn)類似。據(jù)分析，出現(xiàn)該現(xiàn)象可能是因?yàn)楸韺訙囟葌鞲衅骶嚯x混凝土頂面較近，利于散熱，而距離單元核心較遠(yuǎn)則受到內(nèi)部高溫影響較小，因此表層溫度變化穩(wěn)定，幾乎不受澆筑體積影響。

3.4.2 不同單元整個(gè)水化熱過(guò)程

除比較不同單元在相同位置的溫度變化外，還需分析同一單元從底層測(cè)點(diǎn)開(kāi)始升溫起底層、中間層以及頂層測(cè)點(diǎn)在完整水化熱反應(yīng)的3個(gè)階段中的溫度變化情況，并比較各單元數(shù)據(jù)分析不同澆筑體積對(duì)水化熱的變化過(guò)程會(huì)產(chǎn)生何種影響。

1) ①單元溫度變化分析

①單元底層、中間層各取3個(gè)測(cè)點(diǎn)，這里取7、4、13號(hào)和8、11、14號(hào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制的點(diǎn)線圖如圖6所示。

圖6 ①單元溫度變化Fig.6 Temperature changes of Unit 1

觀察圖6可知，①單元澆筑體積小且底層與中間層開(kāi)始發(fā)熱的間隔較短，這與其余3個(gè)單元不同，且①單元是北岸拱座首先澆筑的單元，其下方是開(kāi)挖的山體基巖，這導(dǎo)致底層升溫速率較中間層更緩慢。另外3個(gè)單元是在已完成的混凝土上方，所以沒(méi)有觀察到該現(xiàn)象。

底層在齡期75 h時(shí)達(dá)到溫度峰值53.12 ℃，中間層在齡期75 h時(shí)達(dá)到溫度峰值61.12 ℃。達(dá)到溫度峰值后中間層溫度在齡期80 h～130 h時(shí)發(fā)生了快速下降，當(dāng)溫度下降到比底層溫度高3 ℃左右時(shí)下降速率減緩。隨后中間層和底層溫度以相似的速率緩慢下降。同樣在澆筑體積更大的另外3個(gè)單元中沒(méi)有觀察到該現(xiàn)象。

據(jù)分析，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是①單元澆筑體積偏小且底面面積也偏小，澆筑完成后產(chǎn)生的水化熱總量相對(duì)較少，但使用的冷卻水總量和其他單元相同。相同用量的冷卻水在冷卻體積較小的單元時(shí)能起到更好的冷卻效果，使得單元內(nèi)核心溫度下降較快。

2) ②單元溫度變化分析

②單元底層、中間層各取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，這里取7、13號(hào)和8、14號(hào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，頂層取一個(gè)測(cè)點(diǎn)6號(hào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制的點(diǎn)線圖如圖7所示。

圖7 ②單元溫度變化Fig.7 Temperature changes of Unit 2

受現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程所限，在混凝土淹沒(méi)中間層傳感器前，混凝土澆筑速率較慢導(dǎo)致底層傳感器開(kāi)始升溫時(shí)間和中間層傳感器開(kāi)始升溫時(shí)間間隔略長(zhǎng)，其他單元沒(méi)有出現(xiàn)這樣的情況，但各層傳感器的升溫速率基本相同。因?yàn)橛猩鲜龅氖┕?wèn)題存在，②單元觀察到一個(gè)其他單元沒(méi)有出現(xiàn)的現(xiàn)象，即底層溫度峰值沒(méi)有超過(guò)頂層溫度峰值，底層溫度峰值為57.68 ℃，頂層溫度峰值為58.75 ℃。據(jù)分析，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是混凝土淹沒(méi)底層傳感器后，此時(shí)該單元內(nèi)的混凝土形狀呈薄板狀，底層溫度傳感器距離混凝土表面近，利于散熱。因澆筑速度緩慢使得混凝土長(zhǎng)時(shí)間處于板狀的形態(tài)，增加了板狀混凝土的散熱時(shí)間，使得底層傳感器記錄的溫度峰值降低。

從緩慢降溫階段的降溫速率來(lái)看，頂層降溫最快，中間層次之，底層降溫速率最慢。所有單元都表現(xiàn)出此種規(guī)律。

3) ③、④單元溫度變化分析

③單元底層、中間層、頂層各取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，這里取4、7，8、11，15、21號(hào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；④單元底層、中間層、頂層各取2個(gè)測(cè)點(diǎn)，這里取4、10，5、8，3、21號(hào)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),繪制的點(diǎn)線圖如圖8所示。

(a) ③單元

觀察圖8可知，③、④單元各層的升溫速率幾乎一致，③單元底層峰值溫度為65.31 ℃，中間層峰值溫度為72.64 ℃，頂層峰值溫度為57.87 ℃；④單元底層峰值溫度為60.18 ℃，中間層峰值溫度為76.12 ℃，頂層峰值溫度為55.06 ℃。這里將③、④單元放在一起比較是因?yàn)槠錅囟茸兓?guī)律表現(xiàn)十分相似，屬于典型的底層、中間層、頂層變化規(guī)律，即3層依次開(kāi)始升溫且升溫速率沒(méi)有明顯差異，溫度峰值中間層>底層>頂層。中間層溫度峰值雖不及中間層高，但溫度峰值階段持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)；頂層溫度峰值最低，且溫度峰值階段持續(xù)時(shí)間短，緩慢下降階段溫度下降速率最快。

4 結(jié)論

1) 大體積混凝土水化熱在齡期0 h～60 h處于快速升溫階段，在達(dá)到峰值溫度后會(huì)經(jīng)歷數(shù)天的緩慢降溫階段，峰值溫度表現(xiàn)為中間層>底層>頂層。

2) 隨著澆筑體積逐漸增加，單元底層和中間層的水化熱溫度峰值將增大，頂層溫度峰值未觀察到明顯變化，且各層在快速升溫階段的溫度增速基本一致，不受澆筑體積影響。

3) 當(dāng)澆筑速度較慢時(shí)，底層的溫度峰值將明顯減小，但升溫速率不受影響；中間層及頂層溫度峰值和升溫速率均不受影響。

4) 在緩慢降溫階段，底層降溫速率最慢，且降溫持續(xù)時(shí)間隨澆筑體積增大而增加，頂層降溫速率最快且降溫持續(xù)時(shí)間不隨澆筑體積增大而增加。