不同材質冷卻水管在大體積砼溫度監控中的應用

段武兵， 翁學新， 侯云江， 蔣正武

(1.貴州省公路工程集團有限公司， 貴州 貴陽 550008；2.同濟大學， 上海 200092)

大體積砼裂縫控制長期以來是工程界關注的問題。大體積砼溫度裂縫產生原因為約束條件下砼內部溫度應力超過大體積砼相應齡期的抗拉強度，控制大體積砼結構內部因溫度變化引起的拉應力能避免溫度裂縫的產生。目前，大體積砼裂縫控制途徑分為兩類，一是通過優選原材料、優化配合比提高砼本身的抗裂性能，二是采取水管冷卻、原材料控溫等措施降低大體積砼施工、養護過程(主要是砼的降溫過程)中內部及表面的溫度拉應力，其中水管冷卻由于可控性強及溫控效果顯著而得到大量使用。由于鋼管導熱性能較好，加上其熱膨脹系數與砼相近，能與砼協同工作，對砼有增強作用，國內冷卻水管仍以鋼管為主，國外有的工程采用鋁管。雖然塑料管與鋼管、鋁管相比導熱性較差，但其成本低，施工方便，近年來塑料管作為冷卻水管的應用也有報道。

峰林特大橋是貴州興義環城高速公路上的一座特大橋，為主跨555 m懸索橋。該橋二標段5#墩左右兩幅承臺的尺寸均為8.2 m×8.2 m×3 m，砼強度等級為C30，砼設計總量為200 m3，屬于大體積砼。施工季節為3月下旬，日最高氣溫29 ℃、最低12 ℃，平均最高氣溫24 ℃、最低氣溫14 ℃，晝夜溫差大。對5#墩承臺采用水管冷卻控溫，左右兩幅承臺冷卻水管分別采用PVC管和鋼管，分析比較PVC管、鋼管作為冷卻水管對大體積砼內部溫度場的影響，并對溫控效果進行評價。

1 原材料

采用C30泵送砼，砂率為50%，水膠比為0.43。設計坍落度160～180 mm，實測坍落度為180 mm。砼配合比見表1。

表1 砼施工配合比kg/m3

2 溫控方案

2.1 冷卻水管材質與性能

PVC管與鋼管的性能參數見表2，冷卻水管外徑為50 mm，壁厚2 mm。

表2 冷卻水管的物理性能參數

2.2 冷卻水管布置

該橋5#墩承臺共設3層冷卻水管，豎直間距為0.75 m，距砼上下面0.75 m，水平間距為1.2 m，相鄰兩層水管交錯布置(見圖1)。進水口設一個進水箱，保證兩幅承臺進水口水溫、流量一致。左右兩幅承臺分別布置PVC管、鋼管作為冷卻水管。

2.3 砼澆筑與養護

砼連續分層澆筑，為避免環境因素的影響，兩幅承臺砼澆筑同步進行。在砼澆筑成型后、砼終凝前，對砼表面覆蓋土工布，并定期灑水保持土工布濕潤。此外，砼帶模養護，以減少砼表面熱量散失及水分蒸發(見圖2)。

圖1 冷卻水管布置示意圖(單位：cm)

圖2 承臺的養護

3 溫度監測方案

3.1 測溫元件及測試布點

采用JMZX-3001L型綜合測試儀進行溫度監測，溫度傳感器采用JMT-36B型半導體溫度傳感器，量程為-30～120 ℃，靈敏度為0.1 ℃，精度為±0.5 ℃。

根據承臺的對稱性，選擇承臺的1/4進行溫度場測定。埋入承臺的溫度傳感器共分為4層，每層設置5個測點，承臺中共埋入20個溫度傳感器(見圖3)。

3.2 溫度監測方法

從砼開始澆筑至砼澆筑完成后14 d對承臺澆筑進行監測。根據砼的溫度觀測值采取不同的測量頻率：大部分水化熱在砼澆筑后前3 d釋放，故澆筑完成后前3 d采取高密度監測，每2 h進行一次溫度采集；砼溫升升到最大值后，每4 h進行一次溫度采集；溫度下降均勻后，每8 h進行一次溫度采集。采集的溫度數據主要包括進出水口的溫度、砼內部溫度傳感器的溫度、環境溫度。

5-3-1表示5#墩3號測點的第1層溫度傳感器，其他類似

4 監測結果與分析

4.1 大體積砼溫度場分布對比

圖4為左右兩幅承臺1號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。從圖4可看出：冷卻水管為PVC管、鋼管時的砼溫度變化趨勢相似，距離砼中心更近的2、3層溫度明顯高于1、4層。第4層砼溫度增長速率在澆筑完成4 h后開始下降，早于其余3層砼，這可能是因為低層砼最先完成澆筑，且1號測點位于砼邊緣，熱量散失更快。靠近砼表面第1層砼和靠近砼底部的第4層砼的溫度首先達到峰值，且其溫度變化比中間兩層更大。

圖5為2號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。從圖5可看出：冷卻水管為PVC管、鋼管時砼溫度變化趨勢相似，靠近底部的第4層砼溫度增長速率仍然比其他層砼先減小，靠近砼表面的第1層砼溫度明顯低于其余位置的溫度。這是因為達到溫峰后，受環境溫度影響，靠近砼表面位置處溫度下降速率最快且波動較大，其余位置溫度變化較平緩。冷卻水管為PVC管時，各層砼峰值溫度略高于冷卻水管為鋼管時砼峰值溫度。

圖4 1號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖5 2號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖6為3號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。因為3號測點位于砼中心，其溫度遠高于其余測點。從圖6可看出：第4層砼溫度增長速率最先下降，達到峰值后，溫度下降速率較低，曲線較平緩。最靠近砼幾何中心的2、3層溫度上升較快，且最后達到峰值，達到峰值后溫度下降速率較低，曲線較平緩。靠近砼表面處溫度最先達到峰值，且達到峰值后下降速率高于其他位置。冷卻水管為PVC管時，在溫度下降階段，第2～4層砼溫度差低于冷卻管為鋼管時。

圖6 3號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖7為4號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。4號測點位于承臺對角線上。從圖7可看出：第2、3層砼達到溫度峰值的時間長于靠近砼底面及表面的第1、4層砼。達到峰值后，第4層砼溫度變化很小，第1層砼溫度變化最大。在降溫階段，采用鋼管作為冷卻水管的右幅承臺砼溫度變化比左幅承臺大，靠近中心的兩個位置達到溫峰后溫度先快速降低然后逐漸回升。

圖7 4號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖8 5號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化

圖8為5號測點不同深度處砼溫度隨時間的變化。從圖8可看出： 5號測點所有深度處砼達到溫峰后穩定4 h左右，之后溫度均明顯下降。5號測點距離砼中心最遠，溫度降低速率明顯高于其余測點同層砼。采用PVC管作為冷卻水管時，第4層砼的溫度最早達到溫峰，達到溫峰后溫度大幅降低，砼澆筑完成12 h后，該位置的溫度低于其余位置；隨著齡期的增長，靠近上下面處溫度與中心處溫差逐漸減小，砼澆筑完成10 d后，不同位置處溫度差異明顯減小。以鋼管作為冷卻水管時，砼達到溫峰后溫度下降明顯，靠近上下面處溫度與中心處溫差有減小趨勢但高于同條件下采用PVC管作為冷卻水管的左幅承臺。

4.2 溫控效果對比與評價

圖9為砼內部極值溫度隨時間的變化。從圖9可看出：無論冷卻水管采用PVC管還是鋼管，砼澆筑完成16 h時，砼內部最高溫度增長趨勢均明顯放緩，且兩承臺的砼內部最高溫度發展趨勢基本一致；采用PVC管作為冷卻水管的左幅承臺砼內部最低溫度逐漸下降，而采用鋼管作為冷卻水管的右幅承臺砼內部最低溫度繼續上升直到澆筑完成后24 h才開始下降；采用PVC管作為冷卻水管時砼內部最高溫度略高于采用鋼管時的最高溫度。冷卻水管采用PVC管的溫控效果與鋼管相當。

圖9 砼內部溫度發展曲線

圖10為砼內部最大溫差隨時間的變化。從圖10可看出：砼澆筑完成24 h內，兩承臺砼內部最大溫差呈現先上升后下降的趨勢，這是因為砼夜間澆筑完成，夜晚環境溫度較低，砼水化速率較低；砼齡期為44 h時，砼內部最大溫差增長趨勢放緩；齡期56 h時，砼內部最大溫差增長速率很低，溫差基本保持穩定；齡期84 h后溫差又開始以較高速率上升，且采用鋼管作為冷卻水管的承臺溫差出現跳躍式增長，主要是因為砼達到溫峰后，采樣間隔增加，氣溫降低，但未采取外保溫措施導致砼邊緣熱量散失較快。采用PVC管作為冷卻水管時，齡期84 h前砼內部最大溫差明顯高于鋼管作為冷卻水管時，但84 h后最大溫差相差不大。PVC管、鋼管作為冷卻水管時砼內部最大溫差的發展趨勢一致。

圖10 砼內部最大溫差發展曲線

圖11為砼內部最高溫度隨時間的變化速率。由圖11可知：冷卻水管采用PVC管和鋼管時，承臺砼內部最高溫度變化速率發展趨勢基本一致，但采用PVC管作為冷卻水管時砼內部最高溫度變化速率波動小于采用鋼管作為冷卻水管時，表明PVC管作為冷卻水管更有利于穩定控制砼內部最高溫度。

圖11 砼內部最高溫度變化速率

5 結論

(1) PVC管及鋼管作為冷卻水管均能控制砼內部中心最高溫度，且PVC管作為冷卻水管時砼內部最高溫度變化速率波動較小，更有利于穩定控制砼內部最高溫度。

(2) 采用PVC管作為冷卻水管時，在升溫階段，承臺砼內部最大溫差與采用鋼管作為冷卻水管時相比更大，但在降溫階段承臺砼內部溫差比鋼管更小，在使用冷卻水管控制砼內部溫差時，除控制冷卻水進水溫度、流量外，還應根據冷卻水管材質在不同階段采取保溫措施。