淺談大體積混凝土溫控技術

李祥斌 張 奇

（湖北交通職業技術學院， 湖北 武漢 430079）

0 引言

水泥在水化過程中每克可釋放高達500J 左右的熱量。在大體積混凝土施工中，因熱量聚積可使內部絕熱溫升高達70℃或更高。從而產生實體溫度梯度差，從而導致混凝土澆筑實體溫度—收縮應力劇烈變化，引起構件開裂現象不足為奇。大體積混凝土產生裂縫的主要原因有以下幾個方面：①水泥水化熱;②外界氣溫變化;③混凝土收縮。混凝土種用水量和水泥用量越高，混凝土收縮就越大。低熱水泥和粉煤灰水泥能減少收縮。混凝土內部和外部的溫差過大也會產生裂縫，初期內部產生大量水化熱，內外溫差形成的拉應力導致混凝土開裂；拆模后，若表面溫度下降過快，也會產生裂縫；混凝土溫度達到峰值后，降溫的過程也是裂縫產生的高發期。從而形成內部溫差產生裂縫;另外，水泥的安定性不合格也會引起裂縫。

如何防止大體積混凝土施工中出現使結構、構件的整體性、承載力、耐久性及影響正常使用的裂縫發生是大體積混凝土施工中的關鍵技術問題。結合赤壁長江大橋主3#塔承臺大體積混凝土的施工，對其溫控技術展開深入探討。

1 工程概況

本工程位于某省山區村鎮上，上部結構采取掛籃懸臂澆筑施工，最大施工懸臂長度為120m，基礎采用樁基礎，主墩承臺呈正方形，承臺平面尺寸23.0m×23.0m，厚度為5.5m。混凝土強度等級為C40，單個承臺方量為2910m3，為大體積混凝土結構。

2 施工方法

重點在原材料質量控制及施工及養護工藝方面改進，確保承臺大體積混凝土溫度控制在合理范圍內，監測方法采用有限元橋梁專用程序Midas 的水化熱計算模塊進行了溫度場及應力場仿真計算，該大體積混凝土承臺于2017年5～7月份施工，外界氣溫溫度分別為25℃～35℃。

3 溫控措施

3.1 施工階段的溫度控制

對于泵送混凝土而言，應當加強水灰比控制，不得超過0.6，控制好混凝土的塌落度，主要是對含砂率進行調整，或者摻入一定量的減水劑，確保塌落度問題得以解決。選用低水化熱的水泥摻加高品質的粉煤灰，是大體積混凝土溫控施工的有效措施。本工程原材料采用普通硅酸鹽PO42.5 水泥，水泥使用溫度不應超過60℃，否則必須采取措施降低水泥溫度。盡量增加粉煤灰摻量，以推遲水化熱溫峰的出現，降低砼絕熱溫升。質量應符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596-2005）的規定。并采用中粗砂。細度模數在2.7 左右，砂含泥量必須小于2%，并無泥團，其它指標應符合規范規定，石子級配必須優良，來源穩定。入場后分批檢驗，嚴格控制其含泥量不超過1.0%，其它指標必須符合規范要求。外加劑采用緩凝高效減水劑，以最大限度降低水泥用量，推遲水化熱溫峰的出現。外加劑的減水率應大于15%，其緩凝成分禁止使用糖類化合物。

在施工過程中，禁止通過隨意加水的方式使混凝土塌落度增加。在進行大體積混凝土施工前，應當做足各項準備工作，如備好物料、機械設備及相關設備。在分層澆筑過程中，倘若上層與下層澆筑時間間隔過長，就會出現泌水層，可以在分層澆筑面設置集水坑，集中多余的水分，然后用泵將水抽除。至于分層澆筑間隔的控制，應當等到上層混凝土表面溫度降至外界溫度為準。在綁扎上層鋼筋時，應在下層混凝土強度達標，且混凝土表面溫度穩定時進行。

在大體積混凝土施工中，由于模板既要承受混凝土的側壓力，也會受到振搗器的振動壓力，所以，必須要確保模板支撐體系可靠，以免施工中模板發生形變。在正式進行混凝土澆筑時，必須加強模板檢查，并對其進行濕潤處理。降溫可用冷卻水管，加強對混凝土內部溫度的監測，以此來對冷卻水管的進水量和溫度進行相應調整。

3.2 混凝土的溫度控制措施

在實際施工過程中，粗集料和水溫將直接影響混凝土的出機溫度，砂的溫度和水泥的溫度所產生的影響比較小。所以，為了降低混凝土的出機溫度，就要將粗集料的溫度降低至合理水平。夏季進行施工時，由于環境溫度比較高，那么就要用篷布對施工材料作覆蓋處理，防止太陽直射造成砂石溫度過高，在進行攪拌前，還要采取灑水降溫的措施。通常，還要用草袋遮蓋混凝土輸送泵的泵管，及時進行灑水處理，這樣做的目的是為了防止泵送過程中混凝土會吸收更多的熱量。在輸送混凝土的過程中，還要使用篷布對裝卸車作遮擋處理，以免陽光直射混凝土，使混凝土溫度進一步升高。

本工程每次混凝土開盤之前，試驗室要量測水泥、砂、石、水的溫度，專門記錄，計算其出機溫度，并估算澆筑溫度，必要時采用拌合水降溫措施，延長攪拌時間，混凝土出機溫度不得大于30℃，入模不大于35℃。混凝土分兩次澆注（每次澆筑2.75m），兩次澆筑間隔時間為7 天，冷卻水管布置四層，其水平間距為1m，冷卻水管距混凝土側面1.5m，豎向間距第1 層和第2層間距1m、第2 層和第3 層間距1.4m，第3 層和第4 層間距1m；冷卻水管進水口應集中布置，以利于統一管理；冷卻水管采用φ50mm 的黑體管（壁厚3.5mm）。

3.3 強化溫度監測控制

為及時掌握大體積混凝土的溫度變化情況，應對加強混凝土的溫度監測控制。在布置溫度測點時，應當在澆筑高度的表面、底部以及中部加以布置，控制好垂直測點的距離，以80cm 左右為宜。如果是在平面進行溫測點布置，應當在中間以及邊緣進行布置，相鄰測點間距5m。至于混凝土內部溫度的測量，可以通過預留孔洞的辦法進行，通常每個測溫孔內布置一個測點，然后使用半導體液晶顯示溫度計進行測量。如果測溫時發現溫度差大于25℃，且一直處于上升階段，就要減少覆蓋，降低其溫度。倘若處于溫度下降階段，就要增加一些保溫材料，也可以延緩拆除保溫材料。

本工程擬在承臺施工過程中，承臺內部布設38 個溫度傳感器測量承臺內部水化熱溫度變化值。承臺內豎向選擇4 個斷面，考慮到結構的對稱性，上下兩層在1/4 平面內布設9 個傳感器，共計18 個，中間兩層監測點沿對角線方向加密1個傳感器，考慮承臺混凝土的養護，即待混凝土終凝后立即進行蓄水養護。

4 監測方法

對主墩承臺大體積混凝土采用有限元橋梁專用程序Midas 的水化熱計算模塊進行了溫度場及應力場仿真計算，根據溫度傳感器的反饋，計算結果后制定了承臺不出現有害溫度裂縫的溫控標準，并制定了相應的溫控措施，各溫控指標如下：

4.1 絕熱溫升

絕熱溫升公式取雙曲線函數：

式中：θ0-最終絕熱溫升，τ-時間，n-參數。混凝土的和值分別為44 和3.5。

4.2 彈性模量

彈性模量隨時間的增長曲線采用四參數雙指數形式，即

式中： E0為初始彈模，E1為最終彈模與初始彈模之差，α,β為與彈模增長速率有關的兩個參數。其值分別取0.14 和0.17。

4.3 徐變度

根據工程經驗，取C40 混凝土徐變度如下（單位：10-6／MPa）：

4.4 材料參數

混凝土材料參數參考有關設計規范及工程試驗結果。C40 混凝土彈性模量、熱學參數見表1 和表2。

表2：C40 混凝土熱學參數

表1： C40混凝土彈性模量取值（×104 MPa）

5 計算結果及分析

5.1 網格剖分、邊界條件及荷載

根據承臺平面尺寸和冷卻水管布置的對稱性，承臺的水化熱計算模型取承臺平面的 1/4 進行分析。在對承臺混凝土的水化熱有限元仿真計算中，主要考慮了水泥絕熱溫升、 混凝土的強度和彈模增長曲線、冷卻水管等參數，以及承臺上表面及側面的對流邊界、地基固定邊界、地基固定約束等條件。網格剖分見圖1。

圖1 承臺混凝土水化熱有限元模型

5.2 計算結果

5.2.1 溫度場主要特征

5月份澆筑承臺，由于混凝土入倉溫度升高，導致混凝土內部最高溫度有所增加。第一層混凝土在澆筑3 天后，內部最高溫度約為48℃，第二層混凝土在其澆筑約3 天后，內部最高溫度約為51℃，由于混凝土多次澆筑，下層混凝土的溫度隨著上層混凝土的澆筑會出現一定程度的反彈，其中關鍵點溫度如圖2 所示。承臺混凝土中部溫度最高，四周溫度較低，靠近邊緣部分混凝土溫度梯度最大。

圖2 部分關鍵點的溫度時程曲線

5.2.2 應力場主要特征

第一層混凝土在澆筑2 天后，其內部主拉應力達到峰值1.68MPa，此時承臺內部部分產生最大主拉應力，在冷管處也出現拉應力；第二層混凝土在其澆筑約2 天后，主拉應力達到峰值2.43MPa，在冷水管附近出現較大的拉應力。部分關鍵點的溫度如圖3 所示

圖3 部分關鍵點處的主拉應力時程圖

5.2.3 結果分析

根據上述分析結果易知，承臺混凝土在澆筑后大概第三天內部溫度達到峰值，承臺邊緣溫度較低，溫度梯度較大，越靠近混凝土核心位置，溫度越高；冷水管的降溫作用非常明顯，可以有效降低承臺內部的水化熱溫度。澆筑第二層承臺會導致第一次澆筑的承臺內部溫度輕微上升。承臺內部溫度應力呈現出四周邊緣應力大，中間應力小的特征；拉應力主要集中在承臺邊緣和冷水管附近。從計算結果來看，混凝土各齡期抗裂安全系數均大于1.3，故在施工期承臺不會產生有害溫度裂縫。

6 結束語

大體積混凝土施工中裂縫控制是質量把控關鍵，采用信息化施工手段，準確檢測各層混凝土澆筑工后真實溫度變化，通過冷卻水管循環為大體積混凝土降溫，確保混凝土內部抗拉力滿足或者大于溫度應力抵抗要求，控制混凝土裂縫發展，杜絕水化熱在澆筑過程中產生有害裂紋，提高混凝土澆筑質量，為建筑提高基礎保障。