寒冷地區(qū)橋梁工程大體積混凝土施工的溫度控制

鄧旭

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

寒冷地區(qū)橋梁工程大體積混凝土施工的溫度控制

鄧旭

（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州 450002）

針對(duì)寒冷地區(qū)橋梁施工中的大體積混凝土溫度控制問(wèn)題，分析寒冷地區(qū)的氣候條件，結(jié)合混凝土的熱傳導(dǎo)規(guī)律，提出其溫度控制措施，可有效降低寒冷地區(qū)混凝土的溫度變化差值，對(duì)寒冷地區(qū)橋梁的大體積混凝土施工具有一定的指導(dǎo)意義。

橋梁；大體積混凝土；溫度控制；寒冷地區(qū)

在橋梁建設(shè)過(guò)程中，由于混凝土結(jié)構(gòu)受力性能優(yōu)越、耐久性好，得到了廣泛應(yīng)用［1］。對(duì)于橋梁承臺(tái)、墩體結(jié)構(gòu)，由于混凝土澆筑體積較大，其散熱受到外部結(jié)構(gòu)約束，再疊加外部氣溫的變化，容易產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，若不進(jìn)行有效控制，則有可能影響結(jié)構(gòu)安全。

對(duì)于寒冷地區(qū)的橋梁工程，由于冬季氣溫較低，其混凝土澆筑常在夏季進(jìn)行。但寒冷地區(qū)由于地域的特殊性，其年度氣溫變化幅度較大，容易使混凝土結(jié)構(gòu)形成較大的基礎(chǔ)溫差、上下層溫差和內(nèi)外溫差，從而易產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，甚至是溫度裂縫。因此，對(duì)寒冷地區(qū)的橋梁工程大體積混凝土施工進(jìn)行合理的溫度控制具有重要意義［2］。

1 寒冷地區(qū)氣候特點(diǎn)

我國(guó)寒冷地區(qū)一般地處高緯度或高海拔，受全球氣候及地理地形影響，其氣候特點(diǎn)主要如下。

1.1 年均氣溫低，混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定溫度低

寒冷地區(qū)的年均氣溫低，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)運(yùn)行期外界氣溫普遍較低，混凝土穩(wěn)定溫度場(chǎng)普遍較低。

1.2 氣溫年變幅大

寒冷地區(qū)的最高月均氣溫與最低月均氣溫變幅較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)東北地區(qū)年均氣溫變幅高于華南地區(qū)9～14℃［3］。

1.3 施工期集中在夏季

寒冷地區(qū)夏季氣溫相對(duì)較高，因此，為避免澆筑期產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，其混凝土澆筑多集中在夏季進(jìn)行。

2 寒冷地區(qū)混凝土溫度控制特點(diǎn)

2.1 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)溫差大

由于澆筑時(shí)段多集中在溫度較高的夏季，其水泥水化產(chǎn)熱不宜擴(kuò)散，而在冬秋季節(jié)，溫度較低，造成較大的基礎(chǔ)溫差。

2.2 上下層溫差大

對(duì)于大體積混凝土澆筑，為及時(shí)擴(kuò)散熱量，常采用分層澆筑，由于老、新混凝土澆筑時(shí)段的差異，導(dǎo)致上下層溫度差值的增加。

2.3 結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差大

由于混凝土散熱不良，導(dǎo)致內(nèi)部溫度高，外部溫度低，再疊加外部溫度變化、上下層溫差，會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，甚至出現(xiàn)溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)使用。

2.4 基礎(chǔ)溫度超低

寒冷地區(qū)地基長(zhǎng)期處于低溫狀態(tài)，其散熱差，導(dǎo)致混凝土基礎(chǔ)超冷，在巖基地區(qū)更為明顯。

3 混凝土溫度變化規(guī)律

3.1 熱傳導(dǎo)方程

橋梁工程中大體積混凝土的散熱問(wèn)題實(shí)質(zhì)上即為熱傳導(dǎo)方程為［3］：

式（1）中，c為混凝土比熱，kJ/（kg·℃）；λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/（m·d·℃）；τ為時(shí)間，d；ρ為混凝土密度，kg/m3；θ為混凝土絕熱溫升；x、y、z為混凝土內(nèi)部點(diǎn)的位置坐標(biāo)；T為混凝土內(nèi)部坐標(biāo)點(diǎn)溫度。

由式（1）可知，對(duì)于混凝土溫度分布和控制而言，降低混凝土澆筑時(shí)的初始溫度，可有效降低混凝土澆筑期和運(yùn)行期溫度值；適當(dāng)增加混凝土導(dǎo)熱系數(shù)或適當(dāng)降低混凝土澆筑厚度，可使混凝土熱擴(kuò)散劇烈，其水泥水化熱擴(kuò)散明顯，降低混凝土的內(nèi)部溫度和內(nèi)外溫差；在混凝土表層覆蓋保溫層，可對(duì)混凝土起到一定的保溫作用，導(dǎo)致其表面溫度有所回升，內(nèi)外溫差減小，溫度場(chǎng)分布均勻，利于溫度控制。

4 寒冷地區(qū)混凝土溫控措施

針對(duì)以上對(duì)寒冷地區(qū)的氣候特點(diǎn)及混凝土熱傳導(dǎo)規(guī)律，可得出寒冷地區(qū)橋梁工程大體積混凝土澆筑的溫控措施。

圖1 混凝土次年4月1號(hào)溫度分布

4.1 結(jié)構(gòu)表面冬季保溫措施

通過(guò)表面保溫，對(duì)于大體積混凝土的熱交換控制有利，可有效平穩(wěn)其溫度場(chǎng)分布。取我國(guó)寒冷地區(qū)某橋梁工程的承臺(tái)大體積混凝土澆筑工程進(jìn)行分析［3］，其10月下旬澆筑混凝土，澆筑初溫為20℃，當(dāng)?shù)貧鉁豑f=6.8-20.2sin（πt/2Q），降溫歷時(shí)為3個(gè)月，采用2種方案進(jìn)行比較。方案A表面裸露，放熱系數(shù)β0=80kJ/（m2·h·℃）；方案B，表面用8cm厚XPS泡沫板進(jìn)行保溫，放熱系數(shù)β0= 0.108kJ/（m2·h·℃）。其次年4月初的混凝土沿深度方向的溫度分布如圖1所示。

由圖1可知，如不進(jìn)行表面保溫，混凝土層間溫度差值較大，在表面容易形成較大的溫度裂縫，如采取相應(yīng)的保溫措施，混凝土溫度可提高10～14℃，層間溫度差也將大幅減小，利于混凝土的裂縫控制。

4.2 合理選擇澆筑初溫和澆筑參數(shù)

由上述分析可知，混凝土澆筑初溫對(duì)其溫度場(chǎng)分布影響較大，根據(jù)外界環(huán)境溫度，應(yīng)選擇對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)冷或預(yù)熱處理，通過(guò)人為調(diào)控進(jìn)行初溫控制。此外，根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可選擇不同的澆筑厚度、長(zhǎng)度、寬度，從而在工程施工強(qiáng)度一定的基礎(chǔ)上，及時(shí)進(jìn)行溫度擴(kuò)散，降低結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法簡(jiǎn)稱GC-MS。氣相色譜對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行檢測(cè)時(shí)具有很高的分離能力，而質(zhì)譜具有靈敏性相對(duì)較高和對(duì)未知的物質(zhì)進(jìn)行定性分析的優(yōu)點(diǎn)。氣相色譜和質(zhì)譜聯(lián)用能夠揚(yáng)長(zhǎng)避短，使混合物樣品在氣相色譜中進(jìn)行分離后再進(jìn)入質(zhì)譜中，能夠快速簡(jiǎn)便地對(duì)比較復(fù)雜的化合物進(jìn)行分離，氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法也是對(duì)苯并芘進(jìn)行痕量和微量檢測(cè)分析的重要檢測(cè)方法之一。在氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法檢測(cè)苯并芘的研究方面，李瑋等[20]用此方法對(duì)奶粉中的苯并芘進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)首先用甲醇-氫氧化鉀對(duì)樣品進(jìn)行皂化，用甲苯進(jìn)行提取，經(jīng)過(guò)濾膜過(guò)濾，測(cè)定得出苯并芘的檢測(cè)限是0.3μg/kg。

4.3 基礎(chǔ)溫度控制

寒冷地區(qū)，由于基礎(chǔ)長(zhǎng)期低溫，對(duì)結(jié)構(gòu)溫控不利，可在需要施工的基礎(chǔ)上，在低溫季節(jié)進(jìn)行覆蓋保溫處理，降低熱交換，利于下一階段混凝土澆筑施工。

4.4 水管冷卻

在大體積混凝土澆筑期，在結(jié)構(gòu)中布置冷卻加密水管，帶出水泥水化熱的熱量，可以大幅降低混凝土澆筑溫度，其投資相對(duì)較小，工程性價(jià)比高。

4.5 其他工程措施

為降低應(yīng)力，還可以在寒冷地區(qū)橋梁的大體積混凝土施工中通過(guò)配置溫度鋼筋、摻假新型溫度材料等方法［4］進(jìn)行澆筑，可有效防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大的溫度應(yīng)力，但造價(jià)相對(duì)較高；在施工前，應(yīng)對(duì)工程進(jìn)行仿真計(jì)算，以便合理選擇溫度鋼筋的布置形式和新型溫度材料添加量。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)寒冷地區(qū)氣候及混凝土溫度控制特點(diǎn)進(jìn)行研究分析，結(jié)合混凝土溫度變化規(guī)律，得出寒冷地區(qū)橋梁工程中大體積混凝土的溫控措施，對(duì)該地區(qū)的橋梁施工中的大體積混凝土澆筑具有一定的參考意義。但針對(duì)具體的混凝土工程，在條件允許的情況下，應(yīng)對(duì)其澆筑進(jìn)行必要的仿真分析，合理選擇溫控措施。

［1］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］孫永存，李靜輝.嚴(yán)寒地區(qū)混凝土斜拉橋的溫度效應(yīng)分析［J］.低溫建筑技術(shù)，2006（4）：73-75.

［3］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京：水利電力出版社，2012.

［4］李偉雄.鋼筋混凝土筏形基礎(chǔ)溫度場(chǎng)、溫度應(yīng)力分析及裂縫控制［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2008.

Temperature Control of Mass Concrete Construction of Bridge Engineering in Cold Area

Deng Xu
（Patent Examination Cooperation Center of the Patent Office，SIPO，Henan，Zhengzhou Henan 450002）

In order to solve the problem of temperature control of mass concrete in bridge construction in cold region, by analysis of the cold climate conditions,combined with the principle of heat conduction of concrete,the tempera?ture control measures were put forward,to effectively reduce the temperature difference of concrete in cold area, which has a certain guiding significance to the construction of large volume concrete beam bridge in cold area.

bridge；mass concrete；temperature control；cold area

U445.57

：A

：1003-5168（2017）01-0119-02

2016-12-21

鄧旭（1989-），男，研究實(shí)習(xí)員，研究方向：橋梁工程施工。