水冷管法在大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制中的應(yīng)用研究

（福建路發(fā)工程勘察設(shè)計有限公司， 福建 泉州 362000）

0 概述

近年來，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，我國大型、特大型橋梁日益增多。由于構(gòu)造需要，橋梁承臺、懸索橋錨碇及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)采用大幾何尺寸的設(shè)計方案，混凝土體積多達(dá)幾百至幾萬立方米。大體積混凝土結(jié)構(gòu)厚實、混凝土體積大、工程條件復(fù)雜（一般都是現(xiàn)澆且多為地下或半地下建筑）、施工技術(shù)要求高，水泥水化熱易使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度和收縮變形。橋梁施工過程中已出現(xiàn)多起大體積混凝土工程質(zhì)量問題，對結(jié)構(gòu)正常使用和耐久性帶來不同程度的危害。因此，從設(shè)計、施工、質(zhì)量管理角度研究提高大體積混凝土結(jié)構(gòu)的防裂措施工程意義明顯。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)是指混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸大于 1 m的大體量混凝土結(jié)構(gòu)，或會因混凝土中膠凝材料（水泥）水化熱引起溫度升高，引起混凝土收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土結(jié)構(gòu)[1]。水泥水化過程會散發(fā)熱量，而混凝土自身導(dǎo)熱性能低，表面與內(nèi)部散熱條件不同形成結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部溫度梯度，導(dǎo)致混凝土應(yīng)力分布不均勻，使混凝土的內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力（稱為內(nèi)部約束應(yīng)力）[2]。混凝土表面所受到的拉應(yīng)力過大所產(chǎn)生溫度裂縫將影響結(jié)構(gòu)的使用安全及耐久性。因此，采取適宜的溫控技術(shù)措施以減小里表溫差成為減少大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的關(guān)鍵。目前國內(nèi)外廣泛采用在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管的方法（水冷管法）來控制混凝土內(nèi)部溫度，進而減少溫度應(yīng)力。根據(jù)大量工程實踐，采用水冷管法可以有效降低混凝土內(nèi)外溫差，滿足施工要求[3]。

1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度場特征

大體積混凝土一般采用分層澆筑法，每一澆筑層在垂直方向溫度分布表現(xiàn)為上表層溫度要低于中心層和底表層，中心層溫度最高。上表層與空氣接觸，熱量易擴散，中心層熱量逐步累積，周圍被混凝土包裹因而熱量較難散發(fā)；底表層因有混凝土墊層或基礎(chǔ)，熱量散發(fā)難易度居中。因此，混凝土結(jié)構(gòu)中心層熱量的有效散失是水冷管法的關(guān)鍵點。

圖1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度分布特征

余建杰[4]以某高層建筑大體積混凝土樁基承臺為例，對考慮冷卻水管作用下的承臺內(nèi)部溫度進行了研究。結(jié)果表明，混凝土在達(dá)到最高溫度值之前，溫度急劇上升；達(dá)到最高溫度后，溫度下降速度較慢，距離表面最近的測點降溫速率最快，越靠近承臺形心降溫速率越慢，各測點變化規(guī)律如圖2所示，圖中N63540及N61843點為承臺中心附近溫度測點。

從各測點形成的溫度場分布圖可以看出，溫度的等值線成圈狀分布；隨著混凝土中水泥水化程度的衰減，最終在混凝土內(nèi)部形成較為明顯的高溫集中區(qū)，與圖1分析相吻合。各控制點的最高溫度一般出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后48～72h這個時間段內(nèi)，混凝土的內(nèi)部最高溫度可以達(dá)到60℃以上。

圖2 大體積承臺不同位置溫度時程曲線

2 水冷管法施工關(guān)鍵點

《大體積混凝土施工規(guī)范》要求混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫度升值不宜大于50℃，大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不超過65 ℃，混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20℃[1]。

2.1 工程概況

龍浦大橋及連接線工程位于福建省漳州市華安縣豐山鎮(zhèn)龍徑村，跨越九龍江北溪。橋梁全長為427m，主跨跨徑為70m變截面連續(xù)箱梁。中墩采用矩形實體墩加承臺，基礎(chǔ)采用群樁。中墩承臺尺寸為15.6×9.0×3.0m，采用C35砼，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。

2.2 砼溫度監(jiān)測及控制

（1）測溫設(shè)備的選擇

測溫孔采用直徑16 mm鐵管布設(shè)。在測溫點處采用預(yù)埋50 歐姆銅熱電阻的測溫元件，測溫設(shè)備選用XQCJ-300 型溫度自動平衡記錄儀。

（2）混凝土內(nèi)部測溫點布置

測溫點按三維方向布置，以混凝土澆筑體平面對稱軸線的半邊為測試區(qū)。監(jiān)測點以混凝土結(jié)構(gòu)中心為原點，中心點布設(shè)1個測溫點，沿幾何形狀的縱、橫向軸線每隔2m設(shè)置1組測溫孔，沿承臺高度方向每組布設(shè)3個測溫點。頂部及底部測溫點距承臺混凝土表面為20cm。外露的測溫孔用棉紗填塞，以防止水泥漿及雜物落入測溫孔。

（3）混凝土溫度監(jiān)測及控制

混凝土初凝后，前5 天升溫逐步上升，峰值維持 1 天左右后開始出現(xiàn)溫度下降。升溫階段間隔2小時測溫一次，降溫階段間隔4小時測溫一次，第8天開始間隔8小時測溫一次，繪制各測點的溫度變化曲線。

2.3 冷卻系統(tǒng)布設(shè)方式

根據(jù)混凝土水化熱測試結(jié)果，對水冷管布置形式進行合理優(yōu)化以實現(xiàn)經(jīng)濟效益。

（1）冷卻管布設(shè)方式

承臺冷卻管采用導(dǎo)熱性好并有一定強度的黑鐵管，公稱直徑32mm（φ42.3×3.25mm）。水管進、出水口按照由熱中心區(qū)流向邊緣區(qū)的原則進行布設(shè)。承臺混凝土根據(jù)共布設(shè)2層冷卻水管，上下層豎直方向間距為 1.0m。每層澆筑體按水平1 m間距布置水管，設(shè)置“3進3出”。上下層分別按縱、橫方向交錯布置以增加降溫效果。結(jié)構(gòu)中心位置附近由于溫度較高，通水管路長度較小以加快水體循環(huán)。冷卻水管布置見圖3。

圖3 大體積混凝土結(jié)構(gòu)冷卻管平面布置方式（單位：m）

冷卻管施工時，完成承臺鋼筋骨架，沿承臺長、寬兩個方向水平布設(shè)冷卻管，兩端各超出承臺輪廓線不少于20cm。承臺鋼筋與冷卻管采用點焊或綁扎固定，固定點間距不超過2 m。在混凝土澆筑前，需要對水冷管進行密閉性試驗，保證水冷管在通水過程中的密閉性。相鄰兩根鐵管在承臺外采用柔性軟管連接，彎轉(zhuǎn)施工簡便，容易拆除，且便于后期管內(nèi)填充。

（2）冷卻系統(tǒng)

由水泵、蓄水箱、冷卻水管、控制閥以及流量計等形成冷卻系統(tǒng)，冷卻水采用江水。管路運行中通過調(diào)控水的流量來控制澆筑體內(nèi)、外溫差。混凝土硬化過程中使用水循環(huán)，可以吸收澆筑體中的熱量，有效降低結(jié)構(gòu)中心處溫度峰值。

2.4 水冷管法施工注意事項

（1）水冷管的通水時機需要根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度確定，在混凝土初凝前不宜通水，通水會造成管路震動，而此時混凝土尚未形成足夠強度，會造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部不利影響。混凝土初凝時水化熱引起發(fā)熱量迅速增加，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度也隨之增加。監(jiān)測過程中發(fā)現(xiàn)內(nèi)部溫度開始升高時即立即通水。

（2）通水時間間隔根據(jù)混凝土溫度回升情況而定，并控制混凝土降溫速率小于2.0℃/d，同時要經(jīng)常調(diào)換進出水口。

（3）在通水過程中，加強監(jiān)測砼內(nèi)部溫度及環(huán)境溫度，要注意邊緣保溫措施，防止內(nèi)外溫差過大。訂立溫控指標(biāo)，以此決定隨時加厚或減薄保溫層，以達(dá)到調(diào)控砼溫差的目的。

（4）混凝土溫度穩(wěn)定后，在冷卻管中注入微膨脹砂漿進行填充。

3 結(jié)論

（1）溫度測試結(jié)果顯示，承臺幾何邊緣散熱快，因而溫度峰值低，中心部位熱量不易散失，溫度峰值高。

（2）從混凝土溫度場的分布圖可以看出，溫度的等值線成圈狀分布，溫度從中心向邊緣逐漸降低。混凝土中水泥水化程度開始較快，然后逐漸衰減，明顯的高溫集中區(qū)位于混凝土結(jié)構(gòu)中心部位。混凝土在達(dá)到最高溫度值之前，溫度急劇上升，溫度上升工程的持續(xù)時間為5天左右；在降溫階段，降溫速率最快的為承臺混凝土表面，承臺形心位置降溫速率最慢。

（3）水冷管法降低大體積混凝土內(nèi)部溫度的效果較為顯著，可以有效達(dá)到降溫防裂的效果。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.大體積混凝土施工規(guī)范（GB 50496-2012）[S]，2012.

[2]楊勝利，覃佩彬，張北斗.承臺大體積混凝土冬季自然養(yǎng)生法[J]. 市政技術(shù)，2011.9.

[3]俞亞南，張巍，申永剛. 大體積承臺混凝土早期表面開裂控制措施[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2010，44(8)：1621-1628．

[4]余建杰，宋固全，吳浪. 基于MIDAS的大體積混凝土樁承臺溫度場有限元分析[J]. 混凝土與水泥制品，2012.5:34-37.