斜拉橋下塔柱大體積混凝土溫控研究

白 勇，張燦麗

（洛陽市公路管理局，河南 洛陽 471000）

0 前言

對大體積混凝土若不采取溫控措施，由于日照影響混凝土的澆筑溫度一般都要比同日氣溫高3℃～5℃；隨后混凝土的內部溫度還會由于水泥的水化放熱作用升高10℃～20℃，甚至高達40℃以上。此外，混凝土是熱的不良導體，自然冷卻速度十分緩慢，延續時間需要幾年甚至十幾年，這對大體積混凝土是十分不利的[1,2]。

大量的研究表明[3～5]：工程結構中大量的裂縫都是由于溫度、收縮和不均勻變形引起的，只有少量的裂縫源于荷載。大體積混凝土由于散熱困難，澆筑完畢后的幾天內其內部溫度上升很快，導致混凝土內部和表面產生較大的溫差，溫度應力容易使混凝土產生表面裂縫甚至深層貫穿裂縫，嚴重影響工程質量，威脅其安全性和耐久性。此外，由于大體積混凝土內外溫差受到環境因素的極大影響，尤其是冬季施工期間，突然的外界降溫使混凝土內外溫差加劇，這種情況往往是混凝土裂縫產生的催化劑。

1 工程概況

福州至銀川高速公路九江長江公路大橋為雙塔不等跨混合梁斜拉橋，下塔柱實心段屬大體積混凝土結構，其結構布置如圖1所示。其實景見圖2所示。

圖1 下塔柱結構圖（單位：cm）

圖2 下塔柱結構實景

大體積混凝土澆筑后將產生較高的水化熱溫升，形成不均勻非穩定溫度場，產生非均勻的溫度變形，溫度變形在下部結構、邊界和自身的約束之下將產生較大的溫度應力，溫度應力往往超過混凝土的抗拉強度，容易導致混凝土開裂。

為防止溫度裂縫，保證工程質量，必須開展溫度控制研究，并采取合理的溫度控制措施。溫度控制的標準和溫控措施的制訂則需要依據溫控計算與溫控設計。同時，為檢驗溫控標準和溫控效果并便于調整溫控措施，還需進行溫控監測，做出溫控監測設計。由于下塔柱施工處在冬季，環境溫度處于一年中的最低時段，這對大體積混凝土的溫控是最不利的，更容易產生較高的內外溫差而導致混凝土開裂。斜拉橋的下塔柱往往整體高于地表，空氣流動更容易使混凝土表面溫度較快下降，尤其是冬季季節里出現極端天氣時，其溫控要求更嚴。

2 大體積混凝土內外溫差

大體積混凝土初始時期的內部溫度是一個顯著的動態變化過程，其內外溫差可以表達為：

式中：T（t）——混凝土澆筑溫度；

T0——水化熱的絕熱溫升值；

Ts（t）——混凝土散熱溫降值；

Tα（t）——外界溫度；

ξ——溫降系數。

在絕熱情況下，混凝土溫度將持續上升，其溫度變化為：

其中，W為單位體積水泥含量；q為單位重量水泥水化熱；c為比熱；ρ為混凝土容重。

散熱溫降取決于混凝土內部散發的熱量，散發熱量的大小又與周圍溫差密切關聯。

為降低大體積混凝土由于水化熱導致的混凝土開裂，溫控研究的出發點就是要降低內外溫差△T（t）。

溫度場的求解有理論法、差分法和有限元法等多種方法，本文應用有限元法求解大體積混凝土溫度場微分方程。

3 溫控標準與措施

3.1 溫控標準

3.1.1 混凝土內部允許最高溫度

混凝土內部最高溫度是指混凝土澆筑塊內部最高溫度的允許值，該值定為60℃。

3.1.2 澆筑溫度

混凝土入倉并經過平倉振搗后，在上層混凝土覆蓋前距混凝土表面10～15 cm處的溫度為澆筑溫度。控制澆筑溫度對降低混凝土內部最高溫度具有重要意義。應控制混凝土澆筑溫度不大于T+4℃（T為澆筑期旬平均氣溫），炎熱季節施工時澆筑溫度不得大于32℃。

3.1.3 內外溫差

混凝土塊體內部平均溫度與表面溫度之差為內外溫差。為防止混凝土內外溫差過大引起表面裂縫，施工中需控制混凝土內外溫差小于25℃。

3.1.4 保溫標準

混凝土表面裂縫多發生在澆筑的初期，而初期的氣溫驟降是引起表面裂縫的主要外因。當平均氣溫在2～3 d內連續下降6℃～9℃時，未滿28 d齡期的混凝土暴露表面可能產生裂縫。因此應采取的保溫標準為2～3 d內連續下降小于6℃～9℃。

3.1.5 降溫速率

控制降溫速率可使混凝土內部溫度應力得到及時釋放，對減少溫度裂縫具有重要意義。混凝土降溫速率應控制在不大于3℃／d。

3.2 溫控措施

（1）在滿足混凝土設計強度的前提下，盡量優化配合比，減少水泥用量，確保水化熱絕熱溫升不超過規定的溫控標準。

（2）采用雙摻技術，摻用30%以上的優質粉煤灰，采用緩解水化熱效果好的外加劑，降低混凝土的水化熱溫升。

（3）改善骨料級配：在現場條件許可和保證質量的前提下，可選擇較大粒徑的骨料及減少砂率。

（4）調整施工時間：應盡量選擇氣溫較低的日子施工，同時盡量安排每一澆筑層的中下部混凝土在夜間和早上澆筑，表面在白天澆筑。

（5）降低入倉溫度，使混凝土的澆筑溫度小于澆筑期的旬平均氣溫+4℃，且不大于32℃。

a.水泥提前入罐，讓其自然冷卻，確保拌和前的水泥溫度不高于70℃。

b.當氣溫較高時,采用搭涼棚，堆高骨料、底層取料和用涼水噴淋骨料等方法降低骨料溫度。

c.當氣溫較高時，用冰水拌合混凝土。

d.加快運輸和入倉速度，減少混凝土在運輸和澆筑過程中的溫度回升。當白天氣溫較高時，在混凝土輸送管上覆蓋保溫布，并灑水降溫，夜間必須再揭開保溫布散熱。

（6）采用冷卻水管[6～8]。

a.冷卻水管的水平間距和上下層基本間距1 m，水管間的間距誤差不得超過±5 cm。

b.單根水管長度以小于150 m為宜。

c.水管內通水流量為不小于25 L/min，冷卻水的進水口水溫以不大于20℃為宜。

d.冷卻通水從水管被混凝土覆蓋后開始，覆蓋一層通水冷卻一層，通水時間不小于14 d，具體結束時間應根據視混凝土溫升、溫降情況而定。

e.冷卻水管應采用導熱性能好的金屬管，管內徑大于30 mm,水管安裝應保證質量，安裝后應通水檢查，防止管道漏水或阻塞。

f.應確保通水期間的水源和流量，中途不得發生停水事故。

（7）合理分層、分塊澆筑。

（8）分層澆筑時，應控制混凝土層間的澆筑間歇期，間歇期以小于15 d為宜。

（9）表面保溫與養護，采用保溫材料（土工布或塑料薄膜加草袋）繼續保溫達8 d，拆模時間應在7 d齡期之后。混凝土側面應加強養護，使其始終保持濕潤狀態。

（10）為檢驗施工質量和溫控效果，及時掌握溫控信息，以便及時調整和改進溫控措施，應進行溫度控制監測，及時掌握內外溫差則可以及時調整保護層厚度。大體積混凝土的溫度應力和防裂問題是一個十分復雜的問題，外界溫度和濕度、施工條件、溫控程序、原材料變化等都會引起溫度應力的變化，只有通過溫控監測，才能更準確地了解結構的質量與抗裂安全狀況。

4 溫控分析

溫控計算采用MIDAS2006有限元設計、分析軟件進行建模計算。該計算能夠模擬混凝土實際施工過程，不僅考慮了混凝土的澆筑溫度、養護、保溫和混凝土的邊界條件，而且考慮了混凝土的彈性模量、徐變、自生體積變形、水化熱的散發規律等物理熱學性能。

4.1 計算依據及參數確定

混凝土澆筑后的溫度與水泥的水化熱溫升、混凝土的澆筑溫度和澆筑進度、外界氣溫、表面保護等多種因素有關。環境平均溫度：10℃；混凝土：C50；泊松比：u=1/6；密度：ρ=2 438 kg/m3；熱膨脹系數：а=0.825×10-5；導熱系數：λ=2.38 kcal/(m·h·℃)；比熱：с=960 J/kg·℃=0.23 kcal/kg·℃。

4.2 冷卻系統設計

冷卻水管的水平間距和上下層基本間距1 m，水管間的間距誤差不超過±5 cm，單根水管長度應小于150 m，水管內通水流量為不小于25 L/min，冷卻水的進水口水溫以不大于20℃為宜。具體如圖3所示。

圖3 下塔柱冷卻水管布置圖（單位：cm）

4.3 分析結果

為了更清楚地了解水化熱分析的特征，混凝土中心和表面的溫度隨時間變化如下圖4所示（點位470指混凝土中心，點位548指混凝土表面）。

圖4 下塔柱混凝土內外特征點溫度時程圖

從上面內外特征點溫度時程圖可以看出：最大溫差出現在混凝土澆筑后的33 h，內外特征點溫差小于25℃。混凝土澆筑后的第33 h和最大溫度場見圖5所示，可以看出在整個混凝土水化熱階段，內部最高溫度出現在上層混凝土內部為55℃，在規范要求范圍內。

圖5 混凝土溫度場

應力場分析表明（見圖6和圖7）：混凝土澆筑后的前3 d應力上升很快，混凝土在146 h最大有效應力達為1.96 MPa。混凝土澆筑的應力分析結果可見，設置管冷系統處理下，混凝土中應力較小，從圖7中可以看出應力均在容許應力范圍之內。

圖6 混凝土應力時程圖

圖7 混凝土應力場

下塔柱混凝土在施工過程中一次性進行，采用C50的配合比，經理論計算：混凝土內外溫差較小，沒有超過25℃，滿足規范要求，且降溫緩慢，此內外溫差和降溫速率不足以產生貫穿裂縫，滿足施工要求。

模型中計算了澆筑塊內埋設冷卻水管的作用，根據計算結果：冷卻水管進出水溫差為：10℃左右。澆筑塊中心在齡期2 d～3 d左右達到最高溫度，澆筑完成后4 d內各層混凝土表面拉應力值上升較快，需加強對混凝土表面的保溫措施，減低內外溫差。另外，冷卻水管對降低混凝土中心溫度效果較明顯，應在上層混凝土澆筑完成后持續通水冷卻15 d以上。

5 混凝土溫控監測

5.1 布點設計

溫度傳感器在每層混凝土的中心和表面布置，在平面內，由于靠近表面區域溫度梯度較大，因此測點布置較密。南塔下塔柱布置4層測點，共19個，儀器的布點如圖8、圖9所示。

圖8 溫度監測點立面布置圖（單位：cm）

5.2 監測結果

溫度監測結果如圖10所示，根據監測結果，可以得出:

（1）升溫階段一般只有2～3 d，升溫達到峰值后，高溫峰值時間較短，一般約4～8 h。

（2）根據溫度監測結果，控制水的流量，使上游下塔柱混凝土最大降溫速率在3.0℃/d內，起到了早期削減溫峰及防止溫度回升的效果。

（3）下塔柱內部最高溫度小于60℃，滿足要求。

（4）下塔柱各層斷面內表溫差一般小于5℃，最大內表溫差均低于25℃，滿足要求，控制溫度應力和溫度變形效果好，混凝土收縮比較小，產生拉應力小，下塔柱沒有出現溫度裂縫。

（5）下塔柱溫度2～3 d內連續下降小于6℃～9℃，降溫速率小于3℃/d，滿足要求。

（6）有限元分析結果與實測溫度較好吻合，能正確反映下塔柱實際穩定變化情況。

在下塔柱混凝土施工中，通過設置冷卻水管通水冷卻，并依靠優化混凝土配合比，很大程度上降低混凝土的水化溫升，提高泵送施工性能和耐久性能，整個下塔柱混凝土符合設計要求，沒有出現溫度裂縫，溫控效果良好。

6 結論

（1）采用有限元法分析大體積混凝土的水化熱產生的溫度及應力場受材料性質、施工條件和邊界條件等影響較大，需要根據實際情況正確模擬，其結果與實際吻合較好。

圖9 下塔柱(1/4部分)測溫點布置圖（單位：cm）

圖10 溫度監測結果圖示

（2）溫控標準和措施是大體積混凝土溫控的兩個重要方面，對溫控結果影響較大，其確定需要根據施工可行性制定。

（3）對于如斜拉橋下塔柱露出地表的大體積混凝土結構，極端天氣下，無法通過周身注水等措施來保溫，理論分析階段的環境穩定確定尤其重要，需要結合橋位的歷史氣象資料分析確定。

（4）冷卻水管可有效降低混凝土內部溫度，但需經研究分析來確定其長度、進水量、水溫和進水時間長。

[1]李治,李家和,朱廣祥.炎熱季節大體積混凝土溫度發展及控制[J].低溫建筑技術,2010,（10）:119-120.

[2]林一,王凱,高榮雄.大體積混凝土裂縫控制研究[J].土木工程與管理學報,2011,28(3):35-39.

[3]陳仲先,湯雷.大型橋梁中大體積混凝土的溫度控制[J].橋梁建設,2001,（1）:14-16.

[4]劉建祥.淺談大體積混凝土裂縫成因及控制措施[J].建筑與工程,2010,（25）:268.

[5]孫文進,馬海江.大體積混凝土施工裂縫控制[J].中國高新技術企業,2010,（33）:152-153.

[6]劉亞瓊.大體積混凝土預埋冷卻水管的效果研究[D].貴陽:貴州大學,2009.

[7]李志華.如何控制橋梁工程中大體積混凝土裂縫[J].鐵道勘察,2010,（5）:85-87.

[8]車天躍.淺談大體積混凝土裂縫控制[J].黑龍江科技信息,2010,（32）:318.