大體積承臺冬季一次澆筑成型溫度控制研究

基金項目：

廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)提升能力提升項目“基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的鋼筋混凝土空心墩抗震性能研究”（編號：2023KY1161）

作者簡介：

李 成（1989—），碩士，講師，研究方向：橋梁養(yǎng)護與加固。

摘要：文章以某連續(xù)剛構(gòu)橋大體積承臺為工程背景，從設(shè)計承臺混凝土合理配合比、合理布置混凝土內(nèi)冷卻管、控制混凝土內(nèi)冷卻管水流速度等方面，介紹了大體積承臺一次澆筑成型溫度控制措施，并對承臺混凝土溫度進行模擬計算與監(jiān)測分析。結(jié)果表明：大體積承臺冬季一次澆筑成型采用溫控技術(shù)措施，其內(nèi)部最高溫度未超過規(guī)范限值，內(nèi)外溫差基本滿足要求，混凝土外觀光滑未出現(xiàn)溫度裂縫，控制效果較好，為大體積承臺冬季一次澆筑成型提供了技術(shù)保障。

關(guān)鍵詞：大體積承臺；混凝土；一次澆筑成型；溫度控制

中圖分類號：U443.25文獻標識碼：A 25 081 4

0 引言

橋梁承臺冬季施工因混凝土內(nèi)外溫差引起的裂縫不是單純的結(jié)構(gòu)理論問題，而是涉及材料學(xué)、構(gòu)造設(shè)計、控制理論和施工工藝等方面的綜合科學(xué)問題。因此，必須對大體積混凝土的內(nèi)外溫差進行有效的控制，使之不出現(xiàn)有害溫度裂縫來確保大體積混凝土的施工質(zhì)量。以往，橋梁承臺這種大體積混凝土在冬季施工往往采用C30或C35進行分層澆筑，且每一層都設(shè)置冷卻管，再通過溫控措施控制其內(nèi)外溫差［1］，但分層澆筑施工繁瑣，影響工期；隨著我國工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，考慮到結(jié)構(gòu)的耐久性，大體積混凝土采用高標號混凝土的情況越來越普遍。橋梁承臺作為一種常見的大體積混凝土構(gòu)筑物，需要在冬季澆筑全過程實施溫度控制，防止承臺產(chǎn)生溫度裂縫，對保障大體積承臺冬季一次澆筑成型質(zhì)量具有重要的意義。

1 工程概況

某跨鐵路特大橋主橋上部結(jié)構(gòu)為65 m+120 m+65 m雙幅連續(xù)剛構(gòu)橋，主橋上部結(jié)構(gòu)采用單箱三室變截面箱梁連續(xù)剛構(gòu)。控制斷面梁高：中間支點處為7.5 m，邊跨直線段及主跨跨中處為3.0 m，其高跨比為1∶16.0。其中4#、5#橋墩為主墩，采用雙薄壁結(jié)構(gòu)，橋墩以下為承臺和樁基。承臺橫橋向×順橋向×厚度尺寸為25.6 m×11.6 m×4.0 m，單個承臺混凝土方量為1 187.84 m3，采用C40混凝土一次澆筑成型。該橋承臺的布置見圖1。

2 承臺混凝土溫控技術(shù)設(shè)計

承臺大體積混凝土在硬化過程中，由于水泥的化學(xué)反應(yīng)，其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的熱量，通常會經(jīng)歷升溫、降溫、穩(wěn)定三個階段。因此，混凝土的體積會根據(jù)熱脹冷縮原理隨之產(chǎn)生變化，而因冬季氣候原因，內(nèi)部和外表面溫差加大，內(nèi)外混凝土體積變化會不均勻，就會產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力。而混凝土的抗拉應(yīng)強度極小，如果該溫度應(yīng)力大于其混凝土的抗拉強度，在混凝土表面就會出現(xiàn)明顯的裂紋，工程上稱之為溫度裂縫，溫度裂縫會影響承臺的耐久性。針對此類問題，必須對大體積混凝土進行溫控設(shè)計，本文從優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計以及合理設(shè)置冷卻管這兩方面來進行溫控技術(shù)設(shè)計。

2.1 混凝土配合比設(shè)計

該橋承臺施工期為南方的冬季，采用C40混凝土一次澆筑成型?；炷翗颂柛咔乙淮螡仓炷馏w積大，極易因承臺澆筑后內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致混凝土開裂，所以通過設(shè)計混凝土配合比減少混凝土水化熱，降低內(nèi)部溫度顯得尤為重要［2-3］。

粉煤灰是一種廉價建筑材料，且和混凝土混合后不影響混凝土的強度，在保證該承臺混凝土強度的情況下，可通過摻入一定比例粉煤灰［4］，適當(dāng)減少水泥用量，達到減少水化熱的效果，所以通過現(xiàn)場對比調(diào)試確定該承臺采用C40礦渣硅酸鹽水泥，經(jīng)現(xiàn)場實驗確定的該橋承臺所用混凝土配合比如表1所示。

2.2 冷卻管設(shè)置

大體積混凝土硬化過程中會在內(nèi)部聚集大量水化熱，增大內(nèi)外溫差，所以大體積混凝土澆筑除了優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計來降低混凝土的水化熱外，還需降低承臺內(nèi)部溫度。工程上常采用設(shè)置冷卻管，在混凝土澆筑過程中和澆筑后通過持續(xù)通水來降低混凝土內(nèi)部溫度，縮小大體積混凝土內(nèi)外溫差，減少混凝土體積不均勻變化引起的混凝土外表面開裂可能。傳統(tǒng)上是設(shè)置一根管彎曲布置在混凝土內(nèi)側(cè)，一個進水口、一個出水口，而該橋主承臺體積大，且高度達到4 m，為了達到降溫效果，將冷卻管分4層進行單獨設(shè)置，層間距為1 m，共設(shè)4個進水口，8個出水口，這樣可以加快水通過冷卻管的效率，冷卻管采用外徑40 mm、壁厚2.5 mm的鋼管。該承臺的冷卻管布置詳見圖2。

3 模擬仿真分析

本文章采用Midas Civil軟件對承臺大體積混凝土進行水化熱模擬計算。大體積混凝土澆筑后混凝土內(nèi)的溫度變化與混凝土配合比、混凝土的入模溫度、混凝土與外部的熱交換、內(nèi)部冷卻水管的布置等多種因素有關(guān)。此工程為對稱的立方體結(jié)構(gòu)，承臺平面尺寸為25.6 m×11.6 m，厚度為4.0 m，擬一次澆筑成型。為節(jié)約計算時間，提高計算效率，承臺按照1/2模型進行計算。為了準確模擬承臺向地基熱傳導(dǎo)過程，模型包括承臺部分以及包括地基部分，其中地基向承臺外拓展3 m的長度，厚3 m，本文分別建了設(shè)置冷卻管和未設(shè)置冷卻管兩個模型進行分析計算，來對比設(shè)置冷卻管對承臺溫度的降溫效果。承臺數(shù)值分析模型見圖3。

3.1 模型邊界及參數(shù)設(shè)置

承臺頂板和側(cè)面施加相應(yīng)的對流邊界，對流系數(shù)大小和風(fēng)速、保溫層以及模板有關(guān)。側(cè)面木模加泡沫板的對流系數(shù)采用8.8 kJ/（m2·h·℃），頂面塑料薄膜加30 cm厚溫水對流系數(shù)采用10.7 kJ/（m2·h·℃）。大氣溫度采用實測數(shù)據(jù)，根據(jù)最近氣溫情況取固定值20 ℃。地基上側(cè)面、底面以及除了和承臺接觸部分的頂面施加固定溫度，固定溫度取與大氣平均溫度一致，為20 ℃。承臺冷卻管水流速度以0.5 m/s進行計算。其他模型參數(shù)見表2。

3.2 承臺一次澆筑水化熱分析計算

承臺一次性澆筑尺寸為25.6 m×11.6 m×4 m，通過Midas Civil軟件分析結(jié)果對比采取溫控措施和未采取溫控措施這兩種情況在1 000 h內(nèi)，各時間段混凝土溫度分布情況和應(yīng)力分布情況（見圖4、圖5），分析總結(jié)其水化熱溫度與應(yīng)力的關(guān)系，及其引起溫度裂紋的原因，為后期溫度監(jiān)控措施提供理論數(shù)據(jù)依據(jù)。

計算結(jié)果表明，未采取內(nèi)部冷卻管通水降溫措施，在第二、第三天，混凝土中心最高溫度將達到73.7 ℃，而后溫度逐漸降低，雖然最高溫度未超過規(guī)范規(guī)定值（規(guī)范要求＜75 ℃），但混凝土澆筑時間剛好在11月，大氣溫度平均為15 ℃，如果不采取溫控措施，里表溫差肯定超過規(guī)范值（規(guī)范要求＜25 ℃），進而有可能會因內(nèi)外溫差過大導(dǎo)致混凝土開裂等問題。采取溫控措施后，同樣也是在第2～3 d，混凝土中心的溫度最高達到60 ℃，相比于前者最高溫度下降了13.7 ℃，降溫效果良好。采取溫控措施后，承臺頂面拉應(yīng)力最大達到1.3 MPa，未超過混凝土的抗拉強度標準值。

由模型分析可見：該大體積承臺一次澆筑采用“內(nèi)降外?！睖乜卮胧┖蟪信_中心處混凝土溫度可降低13 ℃，溫峰過后6 d的降溫速度約為2.09 ℃/d，前15 d的降溫平均速度約為1.17 ℃/d（規(guī)范要求＜2 ℃/d），且混凝土表面主拉應(yīng)力未超過抗拉強度標準值，滿足規(guī)范要求。為了進一步驗證模型分析結(jié)果，接下來將對承臺混凝土一次澆筑進行監(jiān)控。

4 承臺溫度監(jiān)控措施

4.1 溫度監(jiān)測測點布置

主墩承臺共布置28個測點：進水口1個測點；出水口2個測點；承臺內(nèi)25個測點。承臺內(nèi)部測點水平及豎向布置示意圖見圖6、圖7。安裝溫度傳感器時，可根據(jù)實際情況適當(dāng)調(diào)整安裝位置，避免溫度傳感器太靠近冷卻管。

4.2 混凝土溫度控制及構(gòu)造措施

參照《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）并結(jié)合施工圖的要求，確定本承臺溫度控制指標如下：

（1）混凝土澆筑塊體在澆筑入模溫度基礎(chǔ)上溫升值應(yīng)≤50 ℃；

（2）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）應(yīng)≤25 ℃；

（3）混凝土澆筑塊體的降溫速率應(yīng)≤2.0 ℃/d；

（4）混凝土澆筑塊體表面與大氣溫差應(yīng)≤20 ℃；

（5）內(nèi)部最高溫度宜≤75 ℃；

（6）冷卻管進、出水溫差控制在＜15 ℃。

冬季大體積混凝土澆筑溫度控制要嚴格遵守“內(nèi)降外?！痹瓌t［5］，對該橋承臺混凝土澆筑采取以下構(gòu)造措施：側(cè)壁采用鋼模板、泡沫板保溫保濕外，還需要在承臺4個側(cè)面鋪墊棉被，這樣可以防止表面混凝土因冬季大風(fēng)造成表面干縮裂縫，同時還可以提升承臺結(jié)構(gòu)側(cè)面保溫效果；上表面待混凝土初凝后，覆蓋棉質(zhì)材料，同時在上表面覆蓋塑料薄膜，為防止表面溫度下降過快導(dǎo)致內(nèi)外溫差過大，需在上表面灌注一定厚度且溫度≥35 ℃的熱水，進行保濕保溫養(yǎng)護。承臺外部保溫措施見下頁圖8。

5 溫控結(jié)果分析

根據(jù)各組測點15 d的監(jiān)測結(jié)果繪制承臺內(nèi)5組測點溫度隨時間的變化曲線，因文章版面有限，只列出承臺中心部位P1測位處的溫度變化曲線以及該測點內(nèi)外溫差隨時間變化曲線。

由圖9、圖10可知：

（1）承臺中心P1測位的5個測點最高溫度在澆筑混凝土后的第2 d達到71 ℃，與模型理論計算的73.7 ℃相差2.7 ℃，這主要是因為現(xiàn)場施工環(huán)境有限，冷卻管通水采用水泵通水，通水速率不易控制。

（2）混凝土內(nèi)溫度最大升限為30 ℃，滿足規(guī)范要求的≤50 ℃。混凝土內(nèi)溫度在第3 d開始下降，第3～7 d降溫速率＞2 ℃/d，主要是因為混凝土體積大，且現(xiàn)場通水條件有限，第7 d以后降溫速率＜2 ℃/d，滿足規(guī)范要求。承臺最大里表溫差為24.5 ℃，滿足規(guī)范要求（里表溫差應(yīng)≤25 ℃），這主要是因為混凝土澆筑后，現(xiàn)場采用了“內(nèi)降外?！贝胧?，混凝土內(nèi)保持通水15 d。

（3）根據(jù)現(xiàn)場觀測，混凝土外表面未發(fā)現(xiàn)有裂紋，達到了控制效果。這是因為混凝土外側(cè)面采用泡沫板保溫，混凝土頂采用棉被和溫水覆蓋防止熱量快速流失，這一措施保證了該承臺澆筑后里表溫差保持在一定范圍內(nèi)，防止溫差過大引起混凝土外表面開裂。

經(jīng)過現(xiàn)場15 d針對承臺的溫度監(jiān)測和溫度控制，該橋承臺內(nèi)最高溫度、最大里表溫差滿足規(guī)范要求，其他各項指標基本滿足規(guī)范要求，承臺上表面和側(cè)面未發(fā)現(xiàn)裂紋，達到了控制效果，為主橋結(jié)構(gòu)安全提供了技術(shù)保障。

6 結(jié)語

該跨鐵路連續(xù)剛構(gòu)橋大體積承臺冬季施工，具有一次澆筑體積大、承臺混凝土標號高、現(xiàn)場條件有限等特點，通過事前合理布置冷卻管、模型分析對比［6］，事中控制混凝土的入模溫度、冷卻管水流速以及采用網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)和溫度調(diào)控技術(shù)，遵循大體積混凝土“內(nèi)降外?！痹瓌t，采用輔助措施，并在監(jiān)控過程中實時反饋、調(diào)整、養(yǎng)護，事后根據(jù)現(xiàn)場情況和監(jiān)控數(shù)據(jù)分析對比得出以下結(jié)論：

（1）大體積承臺冬季一次澆筑成型采用溫控措施，混凝土外觀質(zhì)量良好，未產(chǎn)生裂縫；混凝土內(nèi)部溫度在澆筑完第二天最大達到71 ℃（規(guī)范規(guī)定≤75 ℃）；承臺最大里表溫差為24.5 ℃（規(guī)范規(guī)定應(yīng)≤25 ℃），滿足要求。

（2）大體積承臺冬季一次澆筑成型溫控措施不能僅依靠單一的控制措施，澆筑前需要合理調(diào)整混凝土配合比，養(yǎng)護過程中要嚴格踐行“內(nèi)降外?！痹瓌t，現(xiàn)場承臺冷卻管持續(xù)通水，承臺側(cè)邊和上表面做好保溫措施。

參考文獻

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