橋體承臺大體積混凝土溫度裂縫的控制

摘要：在橋梁承臺的大體積混凝土施工中，極易出現混凝土水化熱的溫度裂縫，熟悉其形成的原理和方法，使用合適的混凝土澆筑方案有利于橋梁的順利完工。本文對橋梁承臺大體積混凝土施工溫度裂縫的控制措施進行研究，說明了混凝土水化熱的分析原理及方法，分析對比了多種不同的混凝土澆筑方案，以求得出更好地的施工方案，期望能給人們可借鑒的經驗。

關鍵詞：橋梁承臺；大體積混凝土；溫度裂縫；控制

引言

隨著我國經濟的不斷增長，城市的基礎交通建設得到了很好的發(fā)展，大跨度、功能復雜的橋梁建設項目越來越多，這樣直接導致了大體積的混凝土澆筑工程數量上升。但是如果沒有對大體積的混凝土澆筑后的溫度進行控制的話，就會產生溫度裂縫，對橋梁的施工質量和安全性造成了極大的影響，如何控制混凝土溫度裂縫已成為了人們需要解決的問題。下面就此進行討論分析。

1混凝土水化熱的分析原理及方法

大體積混凝土水化熱溫度場是有內熱源的瞬態(tài)溫度場，在連續(xù)均勻、各向同性的介質中，混凝土瞬態(tài)溫度場導熱方程為：

式中：λ為混凝土的導熱系數；τ為混凝土的齡期；T為τ時坐標（x，y，z）處的瞬時溫度；q為單位質量水泥在單位時間內放出的熱量；c為混凝土的比熱容；ρ為混凝土的密度。

混凝土的絕熱溫升是指混凝土由于膠凝材料的水化放熱，使得溫度逐步上升并最終達到穩(wěn)定的過程，因此絕熱溫升的速率與最終溫升值是反映混凝土絕熱溫升過程的主要參數。在絕熱條件下，混凝土導熱方程可以簡化為：

可見在給定水泥的水化放熱規(guī)律后，混凝土的絕熱溫升可由積分得出。

混凝土絕熱溫升數學模型的建立通常是先假設一些帶參數的函數表達式，然后依據一定的試驗數據，用最小二乘法或其它數學方法確定參數的取值，擬合出一條優(yōu)化曲線來表達混凝土絕熱溫升過程。在齡期τ時，單位質量水泥累計水化熱Qτ常用指數模型表達：

式中：Q0為單位質量水泥最終水化熱；m為水化系數，隨水泥品種、比表面積及澆筑入模溫度不同而不同，m的取值具體見文獻。

考慮混合材影響，單位體積混凝土在單位時間內放出的熱量q'可由下式求得：

式中：W為單位體積混凝土的水泥用量；F為混合材用量；k為不同膠凝材料摻量時的水化熱調整系數，根據大體積混凝土施工規(guī)范建議，k=k1+k2-1，k1為粉煤灰摻量對應的水化熱調整系數，k2為礦渣粉摻量對應的水化熱調整系數。

由式（2）～（4）可得單位體積混凝土絕熱溫升計算公式：

于是，以水化熱放熱反應時間τ為自變量的放熱函數為：

通過求解放熱函數得到任意時刻溫度場，再將熱分析得到的節(jié)點溫度作為體荷載施加到結構單元節(jié)點上，給予模型適當的邊界約束進行結構分析，即可得到應力場。

2承臺工程實例及混凝土澆筑方案

某大型橋梁采用鉆孔灌注樁群樁基礎，承臺采用C30混凝土，厚3.5m，平面尺寸9.42m×10.5m，承臺頂設置1.75m×1m的倒角，承臺底設置80cm厚C20封底混凝土。

本承臺在混凝土中摻入了粉煤灰，其配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑∶粉煤灰=344∶735∶1102∶172∶5.1∶47。

根據水泥生產商提供的資料3d累積水化熱為383kJ/kg，7d累積水化熱為478kJ/kg。將這2組數據代入式（3），利用牛頓迭代法可求得Q0=493kJ/kg，m=0.50。

粉煤灰摻量為12%，公式可知k=0.958。

混凝土密度ρ=344+735+1102+172+5.1+47=2405kg/m3，單位體積混凝土的水泥用量W=344kg/m3，混合材用量F=47kg/m3，混凝土比熱容c=0.96kJ/（kg·℃）。將各項參數代入式（5）求得單位體積混凝土最大絕熱溫升值為：T（∞）=0.958×（344+47）×493/（0.96×2405）=80℃。

承臺混凝土擬采用如下3種澆筑方案，對比分析后擇優(yōu)選用：

（1）方案1：不設置冷卻水管，混凝土一次性澆筑。

（2）方案2：設置層間距1.5m的雙層冷卻水管，如圖1（b）所示。冷卻水管壁厚2mm，內徑50mm，通河水冷卻，布置2層，距承臺上下面均為1m，2層水管間距1.5m。層內冷卻水管的間距為0.9m，迂回布置，距外邊緣約0.75m。

（3）方案3：設置層間距1.25m的雙層冷卻水管，如圖1（c）所示。此方案將方案2中的上層水管整體下降0.25m，水管距承臺上下面各為1.25m和1m，水管規(guī)格同方案2。

在混凝土澆筑到各層冷卻水管標高后即開始通水，通水流量控制在16～20L/min。冷卻水管在停止通水后及時灌漿封孔，并將伸出混凝土頂面的管道截除?；炷两K凝后在表面灑水養(yǎng)護，同時覆蓋土工布或覆蓋塑料薄膜保溫保濕。

圖1 承臺尺寸及冷卻水管布置方案（單位：cm）

3不同方案下混凝土溫度場與應力場對比

利用有限元分析軟件Midas對承臺水化熱進行仿真計算，根據對稱性，取1/4承臺結構建立模型，考慮到樁基及封底混凝土可提供較強的約束，承臺底部取固定邊界；混凝土入倉溫度20℃，外界環(huán)境溫度29℃；混凝土表面與大氣的對流系數取為50.2kJ/m2·h·℃。

3.1溫度及應力計算結果對比

針對3種方案，計算得到的承臺混凝土的溫度及表面的最大主拉應力計算結果，隨時間發(fā)展的曲線見圖2～圖7。

根據大體積混凝土施工規(guī)范的規(guī)定：“混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值不宜大于50℃；混凝土澆筑體的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）不宜大于25℃”。

方案1澆筑120h后混凝土內部溫度最高達到89℃，比入模溫度高出69℃，且混凝土表里溫差最高達到56℃，超出規(guī)范限值。在澆筑完成后120h左右表面主拉應力達到1.27MPa，易產生早期混凝土裂縫。

方案2澆筑72h后混凝土內部溫度最高達到70℃，比入模溫度高出50℃，混凝土表里溫差最高達到27℃，略超出規(guī)范限值，混凝土表面主拉應力最高0.67MPa。相比較方案1，溫度和應力峰值都有大幅度降低，說明了冷卻水管在降低大體積混凝土水化熱不利影響方面的效果顯著。方案3在方案2基礎上適當調整了水管的布置位置，將層間距由1.5m減小到1.25m，計算得到各峰值進一步降低，均能滿足規(guī)范要求，但均臨近限值，說明對于此工程水管層間距1.25m已臨近最大值。

3.2溫度場及應力場對比

圖8和圖9顯示了在不設置冷卻水管情況下的最大溫度場以及混凝土表面主拉應力最大時的應力場分布?？梢姡瑴囟葟膬鹊酵庵饾u遞減，里表溫差大，從而導致混凝土表面產生較大的主拉應力。

由前述對3種方案的對比分析可知方案3最優(yōu)。圖10和圖11分別為方案3最大溫度場以及混凝土表面主拉應力最大時的應力場分布，可見，2層冷卻水管把承臺混凝土的溫度分布隔成從上到下的3塊區(qū)域，各區(qū)域溫度峰值相比方案1大大降低。由方案1的主應力場（圖9）和方案3的主應力場（圖11）可知在混凝土內部溫度達到最大時，整個混凝土表面幾乎全處于受拉狀態(tài)，且面上主拉應力普遍大于棱角處主拉應力，分析圖8及圖10的溫度場發(fā)現，混凝土內部最高溫度有一定的區(qū)域，且在邊緣處呈弧形分布，高溫區(qū)域的邊緣到面的距離小于到棱角處的距離，所以高溫區(qū)域的邊緣到面之間的溫度變化更劇烈，相應的主拉應力更大。

4結論

通過對橋梁承臺大體積混凝土多種施工方案的水化熱仿真分析，有如下結論：

（1）承臺大體積混凝土在澆筑4～5d后溫度達到最高，其后逐漸降低，應力變化與溫度變化基本同步，內部受壓，外部受拉。在混凝土內部溫度達到最大時，整個混凝土表面基本處于受拉狀態(tài)，且面上的主拉應力普遍大于棱角處的主拉應力。

（2）布置冷卻水管可使混凝土最高溫度到達時間縮短至2～3d，冷卻水管的連續(xù)通水時間控制在3～4d為宜。

（3）當采用普通硅酸鹽水泥混凝土且使用常規(guī)尺寸（內徑50mm）的冷卻水管時，層間距一般不宜超過1.25m，否則溫升容易超出大體積混凝土施工規(guī)范的限值。

5 結語

由上文我們可以看出，橋梁承臺的大體積混凝土在施工完成后由于水化熱會形成溫度差，極易使橋體發(fā)生裂縫的現象，不僅會破壞混凝土的穩(wěn)定性，還會影響整個工程的質量。我們?yōu)榱吮ＷC橋梁的施工質量和安全性，就要采取科學合理的施工方案，結合有效的方發(fā)來防治混凝土裂縫問題。

參考文獻

[1]楊萬生.淺談橋梁大體積混凝土承臺溫度裂縫控制施工工藝[J].施工技術.2011（S2）.

[2]楊立財.大體積混凝土承臺施工溫度裂縫控制與監(jiān)測[J].鐵道建筑.2012（04）.