高溫入模承臺大體積砼水化熱監測分析

楊勇， 彭昆

(廣東省長大公路工程有限公司， 廣東 廣州 510620)

大體積砼的水化熱較大、結構散熱困難，易導致結構物產生溫度裂縫，影響工程結構的質量及耐久性。因此，溫度控制是保證大體積砼施工質量的重要措施。研究和工程實踐表明，控制砼的入模溫度是十分有效的措施。珠海市洪鶴大橋3#主墩承臺大體積砼需在30 ℃左右的高溫季節進行施工，為確保其施工質量，避免產生溫度裂縫，對承臺大體積砼溫度進行監測，根據監測結果指導現場施工。

1 工程概況

珠海市洪鶴大橋主航道橋為雙塔雙索面疊合梁斜拉橋，跨徑布置為(73+162+500+162+73) m，全長970 m。3#主墩承臺平面尺寸為(43×17) m，高6 m(見圖1)，承臺砼澆筑量為4 386 m3，砼標號為C40。承臺砼沿高度方向分2層澆筑，每層澆筑厚度為3 m，單次澆筑量為2 193 m3。

圖1 珠海市洪鶴大橋3#主墩承臺結構示意圖(單位：cm)

砼原材料如下：水泥為廣東英德海螺P.Ⅱ42.5水泥；粉煤灰為臺山電廠的Ⅰ級粉煤灰；礦渣粉為唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司的S95；外加劑為江蘇蘇博特緩凝減縮型聚羧酸減水劑；粗骨料為5～10、10～25 mm級配碎石；細骨料為Ⅱ區中砂；拌和水采用飲用水。砼設計強度等級為C40，按海工大體積砼的相關要求進行配合比設計(見表1)。

表1 珠海市洪鶴大橋3#主墩承臺大體積砼配合比

2 大體積砼溫度監測方案

該橋3#主墩承臺大體積砼施工時間為8—9月，氣溫較高，對大體積砼施工不利。為了解砼溫度變化及高溫入模對砼溫度的影響，采用智能化數字多回路溫度巡檢儀對砼溫度進行監測，溫度傳感器采用熱敏電阻傳感器，其主要性能指標如下：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(230×130×220) mm；重量≤1.5 kg。

根據結構的對稱性和溫度變化的一般規律，在主塔中心線對稱的一側布設測點，溫度傳感器布置在每層砼中心線上，該區域基本能代表整個砼斷面的最高溫度分布。選取1/4結構布置測點，在平面內，靠近表面區域溫度梯度較大，測點布置較密，而中心區域砼溫度梯度較小，測點布置減少。承臺分次澆筑砼底面以上100 cm高度布置測溫點監測內部溫度及表面溫度，砼底面以上200及230 cm布設測溫點進行校核(見圖2)。

圖2 主墩承臺溫度監測點布置(單位：cm)

砼澆筑前，將屏蔽信號線連接到測溫儀器箱，傳感器測頭采用角鋼保護。測試在砼澆筑后立即進行，連續不斷。澆筑過程中，每2 h測量一次溫度；砼澆筑完畢后至水化熱升溫階段，每2 h測量一次；水化熱降溫階段第一周，每4 h測量一次；之后每天選取氣溫典型變化時段測量，每天測量2～4次。

3 冷卻水管布設

主墩承臺按3 m+3 m分2次澆筑，每個澆筑層布設3層水管，水管水平管間距為100 cm，垂直管間距為100 cm，距離砼表面或側面的距離不小于50 cm，承臺單層4～5套水管，每套水管長度不超過200 m。水管采用φ48×3.0 mm無縫鋼管，接頭采用“大管套小管”的方式焊接連接。安裝完成后試通水進行水密性檢查，確保冷卻水管的水密性。

4 監測結果及分析

4.1 溫度控制指標

JTG/T F50-2011《公路橋涵施工技術規范》對大體積砼的溫度評價指標主要有：1) 大體積砼熱期施工時，入模溫度不宜高于28 ℃；2) 大體積砼內部最高溫度不大于75 ℃，砼在入模溫度的基礎上實際溫升值不大于50 ℃；3) 砼內部最高溫度與同一時刻距表面50 mm處的砼最低溫度之差(內表溫差)控制在25 ℃以內；4) 砼內部降溫速率不宜大于2 ℃/d。

4.2 承臺第一層砼溫度監測結果

承臺第一層砼澆筑時間為8月5日19：00—6日15：00，歷時20 h，澆筑時氣溫為28～34 ℃，現場實測砼入模溫度為30～33 ℃。砼溫度監測于8月5日19:00開始，8月23日14:00結束，監測結果見圖3。

圖3 承臺第一層砼溫度特征值歷時曲線

由圖3可知：砼澆筑完成后8～9 h開始快速升溫，42 h左右達到溫度峰值；溫度峰值后砼溫度緩慢下降至基本穩定。砼內部最高溫度為77.9 ℃，最大內表溫差為33 ℃，溫度峰值后24 d內降溫速率為2.3～3.0 ℃/d，各項溫控指標均超過規范建議值。砼澆筑后第7～8 d，砼表面最低溫度出現33.3 ℃的極值點，同時內表溫差達到最大值33 ℃。

4.3 原因分析

為了解承臺大體積砼的溫控變化規律，利用MIDAS/FEA軟件進行模擬仿真計算，結果顯示：氣溫為25 ℃、砼入模溫度為28 ℃時，承臺第一層砼澆筑后，內部最高溫度為60.5 ℃，最大內表溫差為19 ℃，達到內部最高溫度的時間為澆筑后66 h。砼自身絕熱溫升為32.5 ℃，在規范建議值范圍內。實際施工監測的砼入模溫度為30～33 ℃，內部最高溫度為77.9 ℃，最大內表溫差為33 ℃，42 h左右達到溫度峰值。入模溫度升高約5 ℃，內部最高溫度升高17.4 ℃，內表溫差升高14 ℃，溫度峰值出現的時間提前24 h。

根據仿真計算結果，導致溫控指標超過規范建議值的原因如下：1) 施工氣溫較高導致砼入模溫度過高，過高的入模溫度加速砼的水化反應，砼提前24 h達到溫度峰值。水化熱在砼澆筑完成后的短時間內集中釋放，砼散熱時間縮短，導致溫峰值超過規范建議值。2) 承臺采用鋼模板施工，保溫性能較差，雖然施工氣溫較高，但與砼內部溫度相比，溫差較大，砼表面散熱較多，導致砼內表溫差超過規范建議值。3) 由于前期砼內部溫升較快，為增加溫控效果，采用較低溫度的冷卻水進行降溫，當砼內部達到溫度峰值后，砼水化反應基本完成，內部熱量得不到補充，而冷卻水溫度沒有及時調整，導致溫度峰值后短期內降溫速率過快。調整冷卻水溫度后，砼內部降溫速率保持在1.5～1.8 ℃/d。4) 砼外側模板拆除，使砼表面水分迅速蒸發，砼表面溫度加速降低，而砼內部降溫無法同步，導致砼澆筑后第7～8 d表面最低溫度出現極值點，同時內表溫差達到最大值。模板拆除完成后，采用黏土回填承臺側面基坑，回填土對承臺砼起到一定保溫作用，使砼表面溫度有一定回升，內表溫差值同步減小。

4.4 溫控措施調整

根據承臺第一層砼的施工經驗對溫控措施進行調整：砼澆筑前，采取措施控制砼入模溫度；砼澆筑后，重點控制砼的內表溫差，避免溫差過大產生溫度拉應力。事實上，當砼內部最高溫度難以控制時，需采取保溫措施控制砼表面溫度和降溫速率。具體措施如下：

(1) 控制原材料使用溫度，盡量降低砼入模溫度。選擇夜間氣溫相對較低的時段施工；提前幾天將水泥等膠凝材料存入儲料罐，并在罐體外灑水降溫；施工當天，提前在砂石料表面灑水，并利用大型鼓風機吹風降溫；在拌和水池中加入冰塊，降低拌和水溫度。

(2) 延遲模板拆除時間。砼澆筑完成后，即回填鋼板樁圍堰與模板之間的空隙，提高砼周邊的保溫效果，待砼內部溫度穩定后再開挖拆模。

(3) 承臺頂面覆蓋土工布，利用冷卻水出口端的熱水在承臺表面蓄水養生，蓄水深度10 cm。

(4) 及時通冷卻水并調整冷卻水進口端的水溫。砼完全覆蓋本層冷卻水管后即通水，進水溫度按常水溫度25 ℃控制，以盡量散去水化熱；砼澆筑完成36 h后開始調整冷卻水進水溫度，控制水溫比砼內部監測溫度低15 ℃，以免溫度峰值后的短期內砼內部降溫速率過快。

(5) 在確保砼配合比不變和砼施工性能的前提下，適當增加砼緩凝劑用量，延長砼水化時間。

4.5 承臺第二層砼溫度監測結果

根據承臺第一層砼施工經驗及溫控調整措施進行第二層砼澆筑，施工時間為9月6日18：00—7日17：00，澆筑時氣溫25～30 ℃，現場實測砼入模溫度為25～28 ℃。砼溫度監測于9月6日18:00開始， 9月15日16:00結束，監測結果見圖4。

圖4 承臺第二層砼溫度特征值歷時曲線

由圖4可知：砼澆筑后9～10 h開始快速升溫，48 h左右達到溫度峰值；溫度峰值后砼溫度緩慢下降至基本穩定。砼內部最高溫度為74.2 ℃，最大內表溫差為23.8 ℃，溫度峰值后砼內部降溫速率為1.3～1.7 ℃/d，滿足規范要求。

4.6 結果分析

承臺第二層砼施工時氣溫比第一層砼施工時低3 ℃，但砼入模溫度降低7 ℃，主要是因為第二次砼澆筑時降低了原材料使用溫度，說明控制原材料使用溫度能有效降低砼入模溫度。

砼內部最高溫度比第一次降低3.7 ℃，這與砼入模溫度降低有關，但并未隨入模溫度降低7 ℃。這是因為在承臺第二層砼澆筑時，第一層砼內部溫度仍有50 ℃，第二層砼入模時吸收了部分來自第一層砼的熱量；第二層砼水化反應溫度升高后，第一層砼又限制了其底面熱量的散出，從而導致第二層砼內部最高溫度降低量未與入模溫度降低量一致。

在砼結構外側采取保溫措施，利用冷卻水蓄水養生，使砼表面溫度基本穩定，減小砼內表溫差；澆筑完成后第10 d砼結構表面溫度突然降低，是由拆模導致保溫措施失效所致；降溫速率減小則與冷卻水溫度調整有關。

砼快速升溫時間延遲約1 h，砼內部溫度峰值出現時間延遲6 h，這與增用砼緩凝劑有關；28 d齡期時，對砼試塊進行強度抗壓試驗，現場進行回彈試驗，砼強度均達到設計強度；通過目測，承臺表面裂紋極少，僅在承臺長邊靠中間位置的兩側面各發現2條裂縫，裂縫寬度均在0.15 mm以下。經過持續1個多月的跟蹤觀察，裂縫長度及寬度基本穩定，隨后進行了封閉處理。

5 結論

珠海市洪鶴大橋3#主墩承臺在30 ℃左右的高溫季節施工，施工中對承臺大體積砼的溫度變化進行監測，發現承臺第一層砼施工溫控指標超過規范建議值。為此，對其原因進行分析，調整溫控措施，并在承臺第二層砼施工中采用調整后的溫控措施，達到了較好的溫控效果。主要結論如下：

(1) 高溫環境下進行大體積砼結構施工，宜在夜間氣溫相對較低的時段進行，并采取有效措施控制原材料溫度，降低砼入模溫度。

(2) 遵循“降內溫、保外溫”的原則，減小大體積砼內表溫差，避免內表溫差過大導致砼結構產生溫度拉應力。

(3) 根據砼內部溫度監測結果及時調整冷卻水通水情況，控制砼內部降溫速率。

(4) 適當增加砼緩凝劑用量，延長砼水化反應時間，避免水化熱集中釋放。

(5) 配合比設計時采取有效措施，降低砼自身絕熱溫升。