承臺大體積混凝土水化熱溫控措施研究

陳 洪

(中鐵大橋局集團第八工程有限公司，重慶 400039)

隨著我國橋梁建設的迅速發(fā)展，橋梁構件的截面尺寸逐漸增大，大體積混凝土澆筑也隨之成為一個難點。GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范對大體積混凝土定義為:混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土。對大體積混凝土進行分層澆筑是對混凝土水化熱溫控的重要措施，然而分層澆筑會降低施工效率，影響澆筑質量。對于大體積混凝土一次澆筑方量的最大值，目前尚未有明確規(guī)定。以在建的重慶寸灘長江大橋的承臺為例，基于承臺一次澆筑完成3 199 m3混凝土，對混凝土水化熱進行了相應數(shù)值分析并提出了相應溫控措施。

1 工程概況

重慶機場專用快速路工程南段寸灘長江大橋分主橋及南北引橋兩大部分。寸灘長江大橋主橋為主跨880 m的鋼箱梁單跨雙塔懸索橋，主纜邊跨250 m，分跨為250 m+880 m+250 m，主跨矢跨比1/8.8，兩根主纜中心距39.2 m;主塔為門式框架結構，主塔基礎采用分離式承臺，寸灘長江大橋1號、2號主塔，其承臺采用八邊形，縱、橫向總長均為24.6 m，承臺厚6 m，采用C40混凝土，單個承臺混凝土量為3 199 m3，承臺混凝土一次澆筑完成。

承臺及冷卻水管示意圖見圖1。

2 溫控計算理論

2.1 水泥水化熱計算

水泥水化熱是混凝土溫升的決定性因素，水泥水化熱有幾種不同的計算公式，通常采用指數(shù)式計算公式:

其中，Q(τ)為在齡期τ時積累的水化熱;Q0為在τ→∞時的最終水化熱;τ為齡期;m為常數(shù)，隨水泥品種、表面及澆筑溫度不同而不同。

2.2 熱傳導方程

承臺受到水泥水化熱影響，結構溫度隨著時間變化，結構內部為非穩(wěn)定溫度場，其熱傳導方程可以用下式:

2.3 初始條件和邊界條件

結構的溫度是隨著時間和空間變化的，熱傳導方程有無窮解，如果要求得所需要的正確解，需要知道初始條件和邊界條件。

圖1 承臺及冷卻水管示意圖

1)初始條件。混凝土在入模時，結構溫度是均勻分布的，可以認為初始條件就是混凝土入模狀態(tài)。初始條件可以用下式表示:

2)邊界條件。承臺熱交換主要包括兩個方面，承臺混凝土和空氣熱交換、承臺混凝土和地基的熱交換。承臺和空氣熱交換時，熱量的交換與兩者的溫度差值有關，可以用下式表示:

其中，β為導熱物體表面散熱系數(shù);Ta為空氣溫度;λ為導熱體的導熱系數(shù)。

承臺混凝土和地基進行熱交換時，在接觸面上熱流量和溫度都是連續(xù)的，可采用下面公式:

3 溫控措施研究

在實際施工過程中，難以全部滿足理論計算中的條件，如何在實際施工中對結構進行溫控成為了難點。大體積混凝土施工溫控措施很多，然而這些措施需要增加不小的額外費用，在不增加額外費用情況下對溫控措施進行優(yōu)化成為了研究的重點。

3.1 水冷管布置優(yōu)化

目前，在大體積混凝土施工中，上下層水冷管通常采用相同的布置方式。這種布置方式的缺點在于會造成結構內部溫度不均勻，未布置水冷管部位降溫效果較差，整體降溫效果也較差。采用上下層水冷管交叉布置可以取得整體降溫效果，在有限元模型中建立兩種水冷管不同布置方式，下面對兩種布置方式進行對比分析。

從圖2可以看出，水冷管采用交叉布置降溫效果好于上下層相同布置，采用上下層相同布置方式結構內部最高溫度較交叉布置高2℃。采用交叉布置不僅可以降低結構溫度最大值，局部區(qū)域降溫效果也好于水冷管上下層相同布置。

圖2 水冷管布置效果對比圖

3.2 冷卻水研究

在水冷管中通入冷卻水，是大體積混凝土溫控的重要措施，冷卻水的研究對大體積混凝土溫控有重要意義。在夏季施工時，冷卻水溫度應較低，從而取得較好的溫控效果。在冷卻水中加冰塊降低冷卻水溫度是一種有效措施，然而這種措施費用較高。對于承臺大體積混凝土施工，取水較為容易，通常在江河中直接取水。江河中水流通常呈表面水溫較高，而底部水溫較低，可以抽取江河底部水作為冷卻水。

冷卻水的水流量是一個重要方面，GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范中規(guī)定，在混凝土內部通水降溫時，進出口水的溫度宜不大于10℃。進出水口溫度差值與混凝土內部溫度和流量有關，在施工過程中，一方面要參考理論計算給出的水流量值，另一方面要根據(jù)實際的進出水口的溫度差值和結構內部溫度峰值，以此來調節(jié)冷卻水流量。

冷卻水管通水時機也是溫控的重點，混凝土從澆筑到硬化這段時間，混凝土放熱很小，這段時間不需要通水。混凝土開始硬化后，水泥水化熱迅速增加，此時水冷管需要開始通水。如果通水時間過早會造成不必要的浪費，通水較晚會造成結構內部熱量的積累。

3.3 澆筑時間控制研究

大體積混凝土的澆筑通常會持續(xù)幾天，在澆筑過程中可能會出現(xiàn)頂層混凝土澆筑結束后，底層混凝土的溫度已經(jīng)降下來并趨于穩(wěn)定。澆筑時應合理控制澆筑持續(xù)時間，一方面要避開上下層混凝土溫度高峰期重合，同時要保證混凝土澆筑的連續(xù)性，其目的是為了降低承臺內部溫度峰值。

根據(jù)經(jīng)驗，混凝土一般在澆筑后20 h～22 h開始硬化，混凝土硬化時迅速放熱，在硬化后20 h左右，混凝土內部溫度達到最大值。根據(jù)上述分析，澆筑一層混凝土的時間控制在1 d左右比較適宜。此時底層混凝土溫度高峰已過，進入降溫階段，而頂層混凝土溫度逐漸增大。

4 溫控計算分析

承臺的施工方案在制定后，需要對施工方案進行溫控計算，溫控計算采用有限元計算軟件MIDAS/FEA。根據(jù)施工方案建立有限元分析模型，對施工階段的水化熱進行模擬，分析施工階段承臺的溫度場和應力分布。在模擬承臺混凝土澆筑過程中，考慮了以下問題:混凝土入模溫度、結構熱交換邊界條件、冷卻水管、大氣溫度以及澆筑模板的影響。

4.1 計算參數(shù)

混凝土入模溫度為28℃，冷卻水管參數(shù)如下:冷卻水管直徑0.05 cm、冷卻水管流量2.0 m3/h、對流系數(shù)319.55 Kcal/(m2·hr·℃)、通水時間7 d。混凝土的參數(shù)如下:比熱0.25 Kcal/(kg·℃)、熱傳導率2.5 Kcal/(m3·hr·℃)、絕熱升溫45.8℃，混凝土標號為C40。

4.2 計算模型

承臺為對稱結構，建立1/4結構網(wǎng)格模型，在對稱面采用對稱邊界條件(見圖3)。模型熱交換邊界條件分為兩類:結構和大氣熱交換、結構和地基熱交換。模型節(jié)點數(shù)為103 576，模型單元數(shù)為112 742，其中地基單元1 534個，混凝土單元111 208個。

圖3 1/4承臺模型圖

圖4 最高溫度時溫度分布云圖

4.3 溫控計算結果

經(jīng)過計算分析結果如圖4～圖6所示。

圖5 典型節(jié)點溫度時間曲線圖

圖6 典型節(jié)點應力和允許應力圖

通過計算可以看出最高溫度出現(xiàn)在40 h，溫度最大值為73℃，有效控制了結構內部溫度最大值，滿足規(guī)范要求。結構最大拉應力出現(xiàn)在60 h，拉應力最大值為1 MPa，小于混凝土允許應力。

4.4 溫控實際數(shù)據(jù)

實際溫控效果是否理想，是檢驗溫控方案的標準。為了便于對結構分析，將承臺豎向分為四層，每層高1.5 m，對每層混凝土中心位置溫度進行測試。寸灘長江大橋承臺溫度數(shù)據(jù)如圖7所示。

通過圖7可以看出，從混凝土澆筑開始到混凝土溫度迅速升高大約有20 h，這期間混凝土溫度升高較小。

圖7 寸灘長江大橋承臺溫度

在實際控制中，根據(jù)冷卻水進出口溫差和混凝土的溫度控制冷卻水流量。當內部最高溫度達到65℃時，增加冷卻水管水流量，保證結構內部最高溫度在規(guī)范允許的范圍內。承臺實測溫度最大值為72℃，滿足規(guī)范要求。

前面已經(jīng)指出，在澆筑承臺時需要注意澆筑持續(xù)時間。圖7可以看出當混凝土出現(xiàn)峰值時，下面一層混凝土已經(jīng)進入降溫階段，這種控制方法可以有效降低混凝土內部峰值。

5 結語

水泥的水化熱是結構產生不均勻溫度梯度的主要原因，在混凝土內部的不均勻溫度場作用下，結構同時受到內部和外部的約束，結構不能自由變形，從而產生溫度應力。當溫度應力大于混凝土允許應力，結構會產生裂縫。既有文獻已經(jīng)提出了很多大體積混凝土溫控措施，這些措施的關鍵都在于減小結構內外部溫度差值。

本文結合實際施工，提出了在施工中可行的溫控措施，這些措施在溫控過程中取得了明顯的效果，并且在寸灘長江大橋承臺大體積混凝土溫控中得到應用，承臺在拆模后沒有出現(xiàn)裂縫，溫控過程中各項指標滿足規(guī)范要求。

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