橋臺基礎大體積混凝土溫縮裂縫控制探究

韓偉華

（山西黎霍高速公路有限公司，山西 長治 046000）

一、數值模型的建立

此次模擬的目的在于，確定橋首與橋尾的大體積U型橋臺在澆筑過程中與養護過程中，不產生高于20℃的內外溫差。當溫差大于20℃時，由于內外的收縮不均勻，將直接導致混凝土產生收縮裂縫，內外收縮不均勻產生的裂縫將直接導致鋼筋的外保護層喪失保護功能，承臺的使用耐久時間會大幅度縮短。

此次模擬試驗為某橋體橋首墩臺與橋尾墩臺混凝土水化熱表里溫度控制工程校驗試驗。混凝土材料選取C40混凝土，橋首墩臺長9m、寬7.885m、高8.25m，中間U型空洞尺寸為3.7m×2m，總體積為524.411m3。橋尾墩臺長10.3m、寬7.8m、高7.92m，中間分別有5.2m×1m、5.2m×1.2m的兩處U型構架空洞，總體積為545.688m3。

圖1 混凝土模型

二、數值模擬結果分析

此次模擬共設計混凝土養護時長14天，因為混凝土通常在第2天至第4天內達到水化熱產生溫度的峰值，模擬過程中在橋臺混凝土中心至混凝土結構表層等間距設置4處溫度監測點，模擬溫度云圖如圖2所示，其中A、B、C、D4點分別對應圖3溫度變化圖中的4個測點。

圖2 模擬溫度云圖

圖3 溫度監測圖

模擬的溫度監測圖如圖3所示，可明顯看出在混凝土澆筑完成后的第3天，橋臺中心溫度達到了峰值，即60.986℃，而此時混凝土外表面溫度已經降低到了32.921℃，內外溫差明顯超出規范要求的20℃。因此，如果不采取保護措施或處理措施，橋臺混凝土必然會產生溫度裂縫。

由于澆筑前，工程已經考慮到混凝土的水化熱問題，降低了混凝土水泥的用量，并摻入粉煤灰、添加劑等降低水化熱產生量的合成材料。同時選擇澆筑時間為錯過早高峰與晚高峰的交通通暢的時間，即在22時至次日6時的區段內開展混凝土澆筑，使混凝土在炎熱的8月中旬不會受到更多的暴曬，同時能夠讓混凝土在一天之中溫度最低的區段內攪拌制成。這樣可有效地降低混凝土的初始溫度。

但是，如圖3所示，在以日本JSCE 2012標準為參照，利用混凝土絕熱升溫函數計算后發現，對混凝土內外溫差起決定性作用的并不是混凝土澆筑時的初始溫度，而是混凝土終凝后的養護措施。其中，結構接觸的河床等急速吸收熱量的地基土體，使得混凝土內外溫差的控制難度再次增大。要控制混凝土結構的內外溫差，必須解決外表面散熱過快的問題。

三、加設保溫層方案的提出

通過模擬試驗結果分析可知，在絕熱升溫環境下混凝土內部最高溫度達到60℃以上，但是并沒有超出混凝土結構內部最高溫度70℃的閾值。因此，通過綜合設計方案，結合施工過程中的工期要求、進度要求，以及成本要求等多條件、多維度考慮，在成本增加有限的情況下，設置保溫層結構不僅能夠保證工期，同時技術要求較低，不需要對操作工人開展更多的繼續教育培訓，降低了管理成本。

加設外保溫層結構的數值模擬模型如圖4所示，考慮到混凝土橋臺上層仍需要繼續施工，無法安裝保溫層，因此對上表面設置了空氣對流換熱；考慮到施工時所選的時間為晴天，因此設計風速較低；由于空氣溫度不高，因此設置空氣對流換熱邊界，換熱速率為50W/m2·k。施加了保溫層的結構和下部結構增設混凝土墊層，支模時，環繞部分可以添加泡沫板、塑料薄膜、土工布，還可以在邊界線上封堵阻燃發泡膠以防出現漏風、跑風或浸水等現象。在設置換熱速率時，應參考工程材料指標規范提供的數據，泡沫板與土工布結合結構保溫參數設置為0.06W/m2·k。

圖4 加設保溫層結構圖

同時，數值模擬過程中要結合實際工程考慮，由于施工環境較為惡劣容易造成塑料薄膜微量破損，而土工布受潮或濕潤會大幅度降低其保暖特性，泡沫板由于相對較低的抗彎強度容易產生破壞裂縫等問題，最終設置結構下臥層的混凝土墊層熱交換速度為10W/m2·k，保溫保濕的塑料膜與土工布及泡沫板的熱交換速率為3W/m2·k。

四、優化方案結果分析

通過設置保溫層，保障了混凝土結構的內外溫差最大值控制在20℃以內，使混凝土結構溫縮裂縫得到有效控制。而且，使用保溫層對總體積分別為524.411m3、545.688m3的橋首墩臺與橋尾墩臺進行保溫，材料均價成本不超過每立方米10元。其中人工費用也能夠在施工過程中均攤至支模費用中，在保障了工程質量的同時最大程度地縮短了附加工期與相關工序的成本投入。

添加保溫層后，混凝土結構整體溫度云圖如圖5 所示，通過對比可以看出，不論是混凝土水化熱反應的初始階段還是混凝土養護階段即將結束時，混凝土整體溫度的一致性得到了明顯提升，加設了保溫層結構的混凝土溫度得到了明顯提升。同時也發現了一個新的問題，即難以施加保溫結構的上表面的溫度仍然過低，該問題可以通過后續鋪設保溫層或及時覆蓋塑料薄膜、復合保溫被、土工布等結構控制。

圖5 添加保溫結構后溫度云圖

溫度對比折線圖如圖6所示，添加了保溫結構的混凝土橋臺，峰值溫度得到了明顯提高，達到了65℃以上，混凝土結構中心溫度測點1在達到了峰值之后，有明顯的驟降現象，其原因在于混凝土結構與周圍環境的溫差過大，造成了更明顯的降溫。而縱觀整個混凝土結構養護過程可以發現，相比沒有保溫層結構的溫度折線圖，添加保溫層結構后，4條曲線的接近程度有了明顯的提升，間距更小，雖然隨著時間的推移，溫差逐漸拉大。但是，由此數值模擬驗算的估值可以采取相應的控制措施。

圖6 添加保溫層監測點溫度圖

如圖6所示，從第4天起，4個測點的溫度開始拉開梯度，此時如果及時在混凝土橋臺上部結構上鋪設保溫層，那么就能夠有效地提升表面溫度，使得溫度差值得到控制，最終混凝土結構的溫縮裂縫會得到有效控制。

五、結語

結合實際施工計劃流程進行相應的施工技術手段控制，最終得出3項結論。

第一，常規的混凝土澆筑施工，由于U型電梯壁的整體體積巨大，會產生大額度水化熱熱量，使得結構中心溫度在第3天達到峰值，而由于表層結構散熱過快，最終內外差值過大會產生溫度收縮不均勻裂縫。

第二，如果在電梯壁基礎上設置保溫層，那么由于表層結構散熱速度變慢，熱能積攢，混凝土中心會產生更高的峰值溫度，但是并不會超出標準規定的70℃。而外表面由于保溫層的設置，會保持更高的溫度，最終整體結構不會產生溫度裂縫。

第三，在有限的成本投入狀態下，土工布與塑料薄膜是最佳的保溫層材料，能夠保證混凝土結構內外溫差相差不大，同時安裝技術要求低，可以用較少的人力快速安裝，是低成本、低工期、快速度的優良水化熱溫控措施。

綜上所述，在大體積混凝土橋梁墩臺的澆筑工程中，由于河水下淤泥質土的快速吸熱，以及橋洞形成的較快速度的風流，都會使得混凝土內外溫差超過標準值，進而導致混凝土不均勻溫縮裂縫的產生。而通過計算模擬數值，在投入較低的緊急工期環境下，設置保溫層，不僅成本低、安裝快，而且效果顯著。