禹門口黃河公路大橋大體積混凝土溫控技術

郝良秋，任思勉

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

大體積混凝土內部產生裂縫的最根本原因是水泥水化熱產生的溫度應力與收縮超出其抗拉強度。許多專家對俄羅斯Bratsk和Krasnoyarsk水電站進行試驗，得出混凝土的軸向拉伸應變值的變化范圍大致為0.5×10-4～1.0×10-4。

朱伯芳院士提出關于裂縫和應力控制的方法。王鐵夢院士闡述了溫度場計算理論與混凝土收縮預測公式，給出消除裂縫的理論依據及計算方法，并提出從施工、材料、結構地基等方面控制超長超厚混凝土結構裂縫的措施[1]。張子明對混凝土單邊裂紋進行研究，得到裂紋在砂漿、骨料及界面中的擴展路徑和試件的宏觀應力應變曲線[2]。趙吉坤基于統計理論建立混凝土微觀損傷和斷裂數學模型[3]。黃達海根據試驗資料導出由混凝土抗壓強度、混凝土砂漿含量和混凝土的容重直接計算極限拉伸值的公式[4]。

大體積混凝土在施工期及運營期存在各種問題。由于混凝土內部溫度高、溫度梯度大，施工期間很容易發生開裂，使結構的耐久性降低，嚴重時會導致結構損壞無法使用，給國民經濟以及人民的生命財產帶來巨大的損失。

因此，大體積混凝土在施工階段不僅要滿足強度要求，更應該注重因溫度變化在結構內產生的變形，改善混凝土的抗裂、抗滲和抗腐蝕性。溫度變化會在混凝土內部產生很大的拉應力，使混凝土開裂，降低其耐久性[5]。在施工階段研究混凝土裂縫的控制措施是非常有必要的。

本文依托的實體工程橋承臺在春冬季節施工，相較于夏季施工混凝土內外溫差更大，如何降低內外溫差是保證承臺施工質量的關鍵。因此采用新的工法確保大體積混凝土的質量，為減少混凝土內部發生裂縫提供安全保障。

1 工程概況

禹門口黃河公路大橋主橋為(245+565+245)m 三跨雙塔雙索面鋼混疊合梁斜拉橋，全長1 055 m；主橋承臺結構尺寸(橫橋向、順橋向、高)為：11#承臺49 m×29 m×6 m、12#承臺49 m×24 m×6 m；主橋承臺混凝土均為大體積混凝土，混凝土標號為C40，且12#承臺長寬比大于2∶1，長寬方向膨脹收縮量相差較大，應力集中在長邊中部和邊角。12#承臺施工時間為冬季，環境溫度較低，混凝土內表溫差較難控制，出現裂縫的風險較大。

2 混凝土裂縫的成因及防治措施

大體積承臺混凝土施工過程中，在內因(水化收縮、溫度收縮、抗拉強度增長、彈性模量增長)、外部環境條件(氣溫、濕度、風速)、施工工藝等因素的共同影響下，可能產生3類裂縫：表面裂縫、深層裂縫及貫穿裂縫[6]。

就大體積承臺混凝土施工過程溫度控制的目的和混凝土開裂的機理而言，大體積混凝土施工過程中溫控的本質是：控制大體積承臺的溫度拉應力小于同標號混凝土相應齡期時的抗拉強度。因此，大體積承臺混凝土施工的溫度控制主要體現在：通過提高原材料質量、優化配合比提升混凝土的抗裂性能；采取合理可行的措施降低大體積承臺施工、養護過程中內外的拉應力[7-8]。

為保障大體積承臺混凝土的施工質量，應根據實際情況進行合理的溫度預測和溫度應力分析，制定切實可行的溫控方案，從而避免混凝土溫度裂縫的產生。

3 溫控措施實施情況

為達到溫控要求，在原先制定的溫控方案的基礎上，采取了一系列有效措施，包括混凝土緩凝時間控制、澆注溫度控制、混凝土通冷卻水降溫以及保溫保濕養護等。

3.1 混凝土配合比優化

大體積承臺混凝土溫控效果受材料物理、化學性能的影響。以抗裂性能為核心進行大體積混凝土配合比設計，爭取達到水化熱低、體積穩定性好、初凝時間較長、耐久性好等要求[9]。針對設計的承臺配合比提出了適當延長混凝土初凝時間的建議。其他具體措施如下。

(1)膠凝材料總量不變時，盡可能減小水泥用量，考慮通過增大礦物摻合料用量來實現混凝土的高性能化。

(2)在控制最大用水量的前提下，選擇適當的水膠比?？刂扑z比解決不了混凝土中因漿體過多而引起的收縮、水化熱增加等不利影響，因此將最大用水量作為控制混凝土抗裂性能的重要指標。

(3)使用高效減水劑與礦物摻合料。高效減水劑與礦物摻合料雙摻的疊加作用能減少水和水泥的用量，同時能夠使混凝土結構更加密實，提高其強度及耐久性。

(4)適當延長混凝土初凝時間，用以推遲并削弱混凝土的溫度峰值。

優化后的主橋11#、12#承臺混凝土配合比如表1所示，混凝土性能參數如表2所示。

3.2 混凝土澆注溫度的控制

混凝土內部的最高溫度和溫峰到達時間均受澆注溫度的影響。相同的混凝土，入模溫度高的比入模溫度低的溫升值高出很多，因此控制混凝土的入模溫度將是大體積承臺混凝土溫度裂縫控制的一個重要環節[10-11]。由于12#承臺在冬季施工(實測環境溫度為-10 ℃～14 ℃)，需要采取措施滿足澆注溫度不小于5 ℃的要求，因此采用對混凝土拌合水進行加熱的方法。各層混凝土澆注溫度如表3所示。

表1 承臺C40混凝土配合比 kg·m-3

表2 混凝土性能參數

3.3 溫控標準

根據大體積承臺混凝土的結構特點，通過有限元計算方法模擬實際施工過程，對承臺混凝土施工進行仿真計算?？紤]混凝土澆注過程中的分層、溫度、施工間歇，結合混凝土內部水化反應的放熱規律、冷卻水管布置方式、混凝土養護方法、不利環境因素、樁基約束、混凝土物理力學性能變化等影響因素[12-14]，對大體積承臺混凝土的溫控提出了相應的原則和標準，如表4所示。

表3 11#、12#承臺混凝土澆注情況

表4 各構件溫控標準

(1)控制混凝土澆注溫度。

(2)盡可能讓混凝土升溫的速率降低，并延緩混凝土內部溫度峰值出現的時間[15]。

(3)控制溫峰過后混凝土的降溫速率。

(4)通過內部降溫、外部保溫的相關措施，盡可能降低混凝土內表溫差及混凝土表面與外部環境的溫差。

3.4 冷卻水管管理

冷卻水管采用Φ42×2.5 mm的鋼管制作。11#承臺水管之間通過黑橡膠管連接，12#承臺水管間通過兩通絲扣連接，如圖1所示。

依據溫控標準給出的混凝土內部最高溫度及混凝土內部溫度的分布特征，擬定11#承臺布設6層冷卻水管，3個澆注層各布設2層。水管的水平與垂直管距均為1 m，冷卻管與各層混凝土上下面的距離均為0.5 m，距離承臺側面1 m。其中，奇數層為8套冷卻水管，偶數層為10套冷卻水管，每套管長不超過150 m，上下層交錯布置[16-17]。

圖1 冷卻水管彎頭和接頭

12#承臺共布設4層冷卻水管，其中第一澆注層布設3層，3層水管分別距封底混凝土1、2、3 m。水管垂直管間距為1 m，水平間距為1 m，距混凝土側面1 m。其中第一層和第三層采用8套水管，第二層采用10套水管，每套管長不超過150 m，上下層交錯布置。第二澆注層布設1層，水管距上層混凝土1 m。水管水平間距和與混凝土側面的距離均為1 m。第二層承臺共設10套冷卻管，每套長度不超過150 m[18-19]。

冷卻水采用黃河邊的井水，利用混凝土側面與圍堰間的空隙作為蓄水池進行冷卻水循環。冷卻水經由離心泵(圖2)抽取進入分水器(圖3)，再由分水器各出口輸入承臺冷卻水進水管。承臺冷卻水出水直接排入蓄水池。冷卻水系統由現場專人管理，保障蓄水池內冷卻水的供給和水泵的正常工作。承臺冷卻水循環情況良好，出水口水流量(圖4)可以滿足溫控要求。

圖2 冷卻水供水用離心泵

圖3 分水器

圖4 冷卻水流量

3.5 混凝土養護

11#承臺第一層和第二層混凝土澆注完畢后，上表面采取灑水養護，側面采取帶模養護，拆模后側面部分回填并蓄水養護。承臺第三層混凝土側面帶模養護，拆模后回填，上表面采取覆蓋塑料薄膜和土工布后灑水養護，如圖5所示。

圖5 11#承臺上表面養護

圖6 12#承臺上表面養護棚

12#承臺2層混凝土均在冬季澆注，環境溫度較低，為保障混凝土養護溫度不大于5 ℃，現場搭建保溫棚，棚內灑水養護。保溫棚內配置約50盞碘鎢燈加溫，棚內白天溫度在15 ℃左右，夜晚最低溫度保持在5 ℃以上。承臺上表面采取覆蓋塑料薄膜加彩條布養護(圖6)，側面帶模養護，拆模后回填沙土。

4 現場監控

4.1 監測實施方案

在承臺混凝土澆注前完成各個位置傳感器的布設工作，利用角鋼等型材對傳感器測頭進行保護；混凝土澆注后，立即組織監控人員進行各項監測，監測過程保持連續不間斷[20-22]。峰值出現之前，每2 h測量一次混凝土的溫度；峰值出現之后，每4 h測量一次混凝土溫度。保持此量測頻次5 d，然后變為每天2次，當溫度變化趨于穩定時，方可停止監測。

4.2 儀器設備

溫度檢測使用智能化數字多回路溫度巡檢儀，溫度傳感器使用PN溫度傳感器。

溫度巡檢儀的測溫范圍為-50 ℃～150 ℃，工作誤差為±1 ℃，分辨率為0.1 ℃，巡檢點數為32點，顯示方式為LCD(240×128)，功耗為15 W，外形尺寸為230 mm×130 mm×220 mm，質量不大于1.5 kg。

4.3 測溫元件布置

選取矩形承臺的1/4部分布置測點，監測承臺內部溫度的分布規律，為施工過程中溫度控制措施的選擇及設置提供依據[23]。

11#承臺分3層澆注，每層布設1層13個測點，共計39個(圖7)。12#承臺分2層澆注，每層布設2層測點，1層13個測點，共計52個(圖8)。

5 監控成果分析

5.1 監測數據

禹門口黃河大橋主橋承臺施工過程中混凝土溫度監測數據如表5所示。

圖7 主橋11#承臺溫控元件布設

圖8 主橋12#承臺溫控元件布設

11#、12#承臺各澆注層溫度特征值歷時曲線如圖9～15所示。

表5 溫控監測數據

圖9 11#承臺第一層溫度特征值歷時曲線

圖10 11#承臺第二層溫度特征值歷時曲線

圖11 11#承臺第三層溫度特征值歷時曲線

圖12 12#承臺第一層1.5 m測點溫度歷時曲線

圖13 12#承臺第一層3.5 m測點溫度歷時曲線

圖14 12#承臺第二層0.5 m測點溫度歷時曲線

圖15 12#承臺第二層1.5 m測點溫度歷時曲線

5.2 結果分析

對照表4、5可知承臺混凝土的內部最高溫度，除11#承臺第一層符合仿真計算得出的溫控標準外，其余各層承臺混凝土的內部溫度均略高于溫控標準；其他控制標準均在要求范圍內。

5.2.1 主橋11#承臺第一層混凝土

(1)內部最高溫度變化規律。由表5及圖9可知，11#承臺第一層混凝土內部最高溫度呈先快速上升后緩慢下降的趨勢?；炷粮采w測點后的前20 h升溫速度緩慢；20 h之后，混凝土內部升溫速率加快，說明冷卻水降溫速率遠小于此過程中水化反應產生熱量的速率；70～108 h混凝土水化熱產生速率逐漸降低，升溫速率也逐漸減小，并于108 h達到溫峰46.8 ℃；溫峰過后混凝土初期降溫速率為0.1～0.2 ℃·h-1，170 h后降溫速率降低至0.05 ℃·h-1；至220 h承臺第一層混凝土受第二層混凝土水化熱影響，開始緩慢升溫[24]；至370 h最高溫的變化趨于平穩。

(2)內表溫差變化規律。由圖9可以看出，混凝土表面溫度變化和混凝土最高溫變化趨勢基本一致，且受環境溫度的影響較小。混凝土最大內表溫差為17.5 ℃，出現在366 h，處于混凝土第二層升溫時期。

5.2.2 主橋11#承臺第二層混凝土

(1)內部最高溫度變化規律。由表5和圖10可知，11#承臺第二層混凝土內部最高溫度呈先快速上升后緩慢下降的趨勢。混凝土覆蓋測點后就開始迅速升溫，0～30 h混凝土升溫速率為0.4～1.2 ℃·h-1；30 h后混凝土升溫速率略微降低，至64 h混凝土抵達溫峰56.8 ℃；溫峰過后混凝土緩慢降溫，降溫速率小于0.1 ℃·h-1；284 h混凝土停止通冷卻水后，溫度有小幅回升，至330 h重新開始降溫，此后降溫速率小于0.05 ℃·h-1。

(2)內表溫差變化規律。由圖10可以看出，混凝土表面溫度變化和混凝土最高溫變化趨勢基本一致，且受環境溫度的影響較小。190 h時受承臺回填影響，表面點溫度降溫速度減慢，此時混凝土內表溫差也由最大值19.2 ℃開始減小。282 h后混凝土內表溫差受最高溫度上升的影響再度增大，但并未超過之前的19.2 ℃。

5.2.3 主橋11#承臺第三層混凝土

(1)內部最高溫度變化規律。由表5和圖11可知：12 h前混凝土溫度變化緩慢，12 h后隨著混凝土水化熱反應加劇，混凝土內部溫度迅速上升；至60 h達到溫峰54.5℃；此后混凝土受冷卻水影響開始降溫，初期降溫速率為0.2～0.3 ℃·h-1，此后降溫速率逐漸減小，134 h后降溫速率小于0.1 ℃·h-1，混凝土內部降溫逐漸趨于平穩；至280 h冷卻水停止通水后，混凝土內部最高溫度有1 ℃的小幅升溫。

(2)內表溫差變化規律。由圖11可以看出，混凝土表面測點溫度呈現先迅速上升、溫峰后緩慢下降的趨勢。承臺圍堰回填之前，混凝土表面溫度受晝夜溫差影響而產生一定波動[25]；承臺回填后表面測點溫度的變化較平緩，混凝土內表溫差也逐漸減小?；炷羶缺碜畲鬁夭?1.5 ℃出現在44 h，此時處于混凝土升溫期，混凝土內部升溫速率高于表面測點。

5.2.4 主橋12#承臺第一層混凝土

(1)內部最高溫度變化規律。由圖12、13和表5可知：測點被混凝土覆蓋后初期溫度略有下降，這是由于混凝土受緩凝劑影響后初期水化熱反應較為緩慢且環境溫度較低所致[25]；14 h后隨著混凝土的水化熱反應加快，混凝土內部開始迅速升溫；至96 h混凝土1.5 m測點抵達內部最高溫46.2 ℃；此后混凝土水化熱反應逐漸減弱，受冷卻水影響開始緩慢降溫，此時降溫速率為0.1～0.2 ℃·h-1；1月28日22:00之后，受冷卻水管流速減緩影響，降溫速率不大于0.1 ℃·h-1；1月31日冷卻水停止通水，混凝土內部未出現明顯升溫。

(2)內表溫差變化規律。由圖12、13可以看出，混凝土表面測點溫度隨著內部最高溫變化呈現先迅速上升、溫峰后緩慢下降的趨勢?；炷磷畲髢缺頊夭?3.8 ℃出現在1月25日12:00時的3.5 m測點處，處于該層測點溫峰附近，此時混凝土部分區域溫度上升較快，而混凝土表面點溫度升溫緩慢。溫峰過后，混凝土內表溫差開始減小。

5.2.5 主橋12#承臺第二層混凝土

(1)內部最高溫度變化規律。由圖14、15和表5可知：測點被混凝土覆蓋后初期溫度略有下降，這是由于混凝土受緩凝劑影響后初期水化熱反應較為緩慢、環境溫度較低所致；18 h后隨著混凝土的水化熱反應加快，混凝土內部開始迅速升溫；至72 h混凝土1.5 m測點抵達混凝土內部最高溫46.6 ℃；此后混凝土水化熱反應逐漸減弱，受冷卻水影響開始降溫；溫峰過后，混凝土初期降溫速率為0.2 ℃·h-1左右；150 h后減小冷卻水流量，混凝土降溫速率減小至0.1 ℃·h-1；214 h冷卻水停止通水后混凝土內部未出現明顯升溫。

(2)內表溫差變化規律。由圖14、15可以看出，混凝土表面測點溫度隨著內部最高溫變化呈現先迅速上升、溫峰后緩慢下降的走勢?；炷磷畲髢缺頊夭?4.1 ℃出現在3月5日12:00時的1.5 m測點處，處于該層測點降溫初期。這是由于側表面混凝土先達到溫峰，降溫早于中心混凝土。此后隨著混凝土內部降溫加快，混凝土內表溫差逐漸減小。3月10日冷卻水停止通水后，混凝土內表溫差未出現明顯增大趨勢。

6 結 語

禹門口黃河公路大橋主橋承臺大體積混凝土按照溫控方案進行施工，實施情況較為理想。根據監測數據，混凝土入模溫度、內表溫差和降溫速率均在要求范圍內，內部最高溫度稍高于仿真計算值。施工結束后，承臺未出現有害裂縫，達到了起初設定的目標。禹門口黃河公路大橋主橋大體積承臺混凝土施工溫控經驗總結如下。

(1)根據承臺大體積混凝土的結構特點，制定了相應的溫控標準及有效、可行的措施。

(2)根據先澆注的12#承臺的反饋信息，11#承臺C40混凝土通過優化配比減少了水泥等膠凝材料的用量，降低了混凝土的水化熱。

(3)給冷卻水管設置水流集分器、水表閘，通過專人管控，極大提高了冷卻水的降溫效果。

(4)利用混凝土側面與圍堰間的空隙作為蓄水池，優化了冷卻水進出水線路，并且在混凝土拆模后可以直接蓄水養護。

(5)混凝土澆注完畢后積極養護，承臺上表面未出現干縮裂縫，側表面拆模后及時進行蓄水養護和回填工作，有效降低了混凝土的內表溫差。

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