公路橋梁大體積混凝土溫控措施研究

趙睿龍

【摘要】本文基于筆者專業知識的應用與實踐經驗的總結，就公路橋梁施工過程中大體積混凝土溫度裂縫與溫控措施進行簡要分析，具有一定的參考性，以期為我國大體積鋼混結構的發展提供技術參考。

【關鍵詞】公路橋梁；大體積混凝土；溫度裂縫；溫控措施

1、大體積混凝土溫度應力及其裂縫分析

某個時間構件上每個點溫度的集合為大體積混凝土溫度場，其以溫度與時間和空間之間的函數關系為反映。混凝土溫度場在其澆筑完成后會因水泥等膠凝材料的水化反應而發生巨大變化，進而形成溫度應力，因此對于混凝土溫度應力的研究，應首先對混凝土澆筑完成后溫度場及其變化因素進行分析與掌握。

一般情況下，大體積混凝土擁有較大的單次澆筑尺寸，如在絕熱環境下，構件內外溫度在變化趨勢上一致于絕熱溫升曲線。工程實際在混凝土澆筑完成后，其會與水、空氣以及基礎間因熱傳遞的存在而導致熱量散失，進而致使混凝土構件內外出現溫差。混凝土降溫如若只是通過表面散熱形式，則降溫速率緩慢、降溫效果甚微，因此在工程實際應用中，通常以埋設冷卻管的方式加快其內部降溫。在人工后期干預下，盡管混凝土溫度場會緩慢降溫，但總體而言其仍然是外低內高的狀況。

澆筑完成后的大體積混凝土構件在經過早期升溫與后期降溫過程后，會形成一定溫度應力，其主要分為自生應力與約束應力兩種形式。

1.1溫度應力

（1）自生應力。混凝土澆筑完成后，其溫度場受內外散熱的影響，構件溫度會以非線性分布為呈現。混凝土早期升溫過程中，表面混凝土會對內部的升溫膨脹變形形成一定的約束，此時混凝土構件表面表現為拉應力，內部表現為壓應力。如圖1-1（a）所示，因溫度引起的自身應力于混凝土構件整截面分布，并且其拉、壓應力間應保持一定的平衡。

（2）約束應力。混凝土構件在澆筑完成后其澆筑接觸面變形會受一定的約束，在混凝土升溫與降溫過程中，溫度變化引起的變形因被限制而產生的應力稱為約束應力，如圖1-1（b）所示。對于靜定結構，溫度變化只會引起自生應力而無約束應力產生。一般情況下，大體積混凝土屬于超靜定結構，其在溫度變化影響下會產生自生應力與約束應力的疊加。混凝土構件在冷卻過程中，其冷卻變形會受到有接觸面的側面或底部的約束，進而產生約束應力。

1.2溫度裂縫

由于混凝土抗拉強度只有抗壓強的1/10～1/20，因此一旦直接受拉，便會因細微的變形而產生裂縫，一旦拉力超出其承受范圍，則會不經殘余變形直接發生脆性斷裂。對于大體積混凝土而言，其受溫度變化影響敏感，當自身溫度每升高1℃時，每米就會產生約為0.01mm的膨脹。由于混凝土初期硬化過程中會釋放出大量的水化熱，且其導熱性能極差，散熱持續緩慢，大體積結構下當內部溫度大于外部溫度時，混凝土結構則會應溫差應力（外部受拉，內部受壓）而產生表面裂縫。隨著混凝土強度的增加，其彈性模型逐漸提升，隨后便會開始降溫，此時會因降溫差而引起混凝土變形，加之其因失水而造成的體積收縮，以及受地基與其他結構的約束，當這些因素綜合而產生的拉應力大于混凝土抗拉強度時，表面裂縫則會發展為貫穿裂縫。

2、大體積混凝土溫控計算理論

2.1水泥水化熱計算

影響混凝土溫升的決定性因素為水泥水化熱，其具有多樣化計算公式，一般以下式2-1指數公式最為常用：

2.2熱傳導方程

大體積混凝土結構在受水化熱作用后其溫度會隨時間而變化，結構內部溫度場呈現為非穩定狀態，且以下式2-2進行熱量傳導：

2.3初始條件和邊界條件

隨著空間與時間的變化，大體積混凝土結構溫度處于不斷變化過程中，此時利用熱傳導方程則有無窮解，而要想計算出所需正確解，則需掌握初始條件與邊界條件。

（1）初始條件。由于大體積結構溫度在混凝土入模時分布均勻，因此可將混凝土入模狀態視為初始條件，具體表示為下式2-3：

（2）邊界條件。大體積混凝土結構熱交換主要包括與空氣換和與地基兩種交換形式，其中與空氣熱交換過程中二者間的溫差決定了熱量的交換，具體以下式2-4表示：

大體積混凝土與地基實施熱量交換過程中，溫度與熱流量在其接觸面上處于連續狀態，可由下式2-5表示：

3、大體積混凝土溫度控制措施

3.1水冷管布置優化

對于大體積混凝土結構內部采用冷卻管降溫，我國目前以上下層冷卻管布置方式相同最為常用，該方式不足之處在于容易造成結構內部出現溫度不均勻現象，整體降溫效果因降溫不均勻而表現較差。而通過上下層水冷管交叉布置的優化，可明顯提升降溫效果，對兩種布置方式利用有限元模型進行比較，其結果表明：水冷管上下層相同布置方式的降溫效果明顯不如交叉布置，就大體積混凝土結構內部溫度而言，水冷管上下層相同布置方式比交叉布置方式高2～4℃。水冷管上下層交叉布置方式的應用，其不僅可將結構內部最大溫度值有效降低，而且相比于上下層相同布置方式對局部區域降溫效果更好。

3.2澆筑時間控制

大體積混凝土的澆筑通常會持續幾天，在澆筑過程中可能會出現頂層混凝土澆筑結束后，底層混凝土的溫度已經降下來并趨于穩定。澆筑時應合理控制澆筑持續時間，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性，其目的是為了降低承臺內部溫度峰值。

根據經驗，混凝土一般在澆筑后20～22h開始硬化，混凝土硬化時迅速放熱，在硬化后20h左右，混凝土內部溫度達到最大值。根據上述分析，澆筑一層混凝土的時間控制在1d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

3.3養護控制

凝土養護工作的進行要在完成澆筑12h內開始實施，通常為覆蓋灑水養護的形式，其目的在于首先是避免結構表面混凝土失水太多，其次是提供混凝土早期水化反應所需的水分。對于大體積混凝土內表溫差的控制，要依據結構尺寸和溫度梯度綜合而定，通常為不大于25℃，且內部最高不能超過60℃，這時混凝土不會由于溫差形成的溫度應力而導致結構裂縫。所以，控制大體積混凝土內表溫差要從結構內外同時著手，一方面通水循環使內部溫度降低，另一方面合理提高結構表面溫度，這樣來達到內外溫差降低的目的。結構內部循環水可用冷卻水，外部養護水可用內部降溫循環出來的熱水，因為混凝土結構完成澆筑2天內內部溫度上升相對較快，所以使用覆蓋和冷卻管循環出來的熱水實施噴灑養護，能有效做到提高結構外部溫度，從而讓內外溫差減小。

冷卻水的水流量是一個重要方面，GB50496-2009大體積混凝土施工規范中規定，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，以此來調節冷卻水流量。

結語：

基于以上論述，筆者結合自身經驗的應用，以控制大體積混凝土結構溫度裂縫為目的，建議性提出以下兩點措施：

（1）增設防裂鋼筋網。由于鋼筋混凝土結構對于拉應力主要由鋼筋承受，因此可通過增設鋼筋網片的形式增強結構抗拉作用，進而避免結構裂縫的形成。其具體布設方式應依據下式實施：

εPa=0.5Rf （1+ρ/d）×10-4 （經驗公式）

式中：εPa為實施配筋后混凝土的極限拉伸（是為混凝土抗裂性能的體現）；Rf為混凝土設計抗裂強度，MPa；ρ為結構截面配筋率；d→鋼筋直徑，mm。

經公式分析可知，對于混凝土抗裂性的提高，可利用細鋼筋小間距的布置方式得以實現，因此，在與設計單位溝通并獲批準后，施工單位可在大體積混凝土施工過程中增設Ф8@100防裂鋼筋網，以此達到預防裂縫出現的目的。

（2）適量摻加合成纖維。通過合成纖維的摻入，混凝土內部會形成數以千萬計的纖維三維均勻分布的網狀結構，當混凝土在塑性階段產生冷縮與干縮現象時，其表面一旦碰觸到合成纖維，便會停止繼續延伸，從而抑制裂縫的出現。

參考文獻：

[1]GB50496-2009大體積混凝土施工規范[S].

[2]陳建軍，楊文海，郭利霞.混凝土結構溫控設計優化研究[J].混凝土，2013（4）：11～14.