冬季承臺大體積混凝土分層澆筑溫控措施分析

許崇勇

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京 100026）

0 引言

當(dāng)前我國基礎(chǔ)建設(shè)發(fā)展較為快速，大體積混凝土的應(yīng)用也隨之增加，而混凝土在冬季施工時容易出現(xiàn)一些不利的問題，此多是由于溫差而導(dǎo)致，特別是需要解決防凍和抗裂問題。目前針對冬季大體積混凝土多采取對溫度場進行預(yù)測分析，然后依據(jù)結(jié)果制定控制方案，并對現(xiàn)場進行有效的監(jiān)測，采取合理的措施確保混凝土不被溫度影響。據(jù)有關(guān)研究顯示，大體積混凝土的內(nèi)部溫度呈現(xiàn)非線性的分布，因此只有準(zhǔn)確地預(yù)測溫度場的分布，才可以采取有效的措施加以控制，避免裂縫和凍害的情況發(fā)生。下文以國內(nèi)某高寒地區(qū)修建大橋為案例進行分析，研究其在冬季承臺混凝土施工的情況，通過模擬低溫狀態(tài)下的混凝土澆筑進行分析，由此可以在施工時利用研究的結(jié)果根據(jù)溫度場的變化對溫控進行調(diào)整，進而確保施工的質(zhì)量。

1 工程概況

國內(nèi)某高寒地區(qū)新建大橋，其承臺平面見圖1，該承臺澆筑混凝土方量大約2600m3，長、寬、高分別為27m、21m、4.5m，承臺分2 層澆筑，層高2.25m。承臺混凝土配合比為水泥240kg·m-3、粉煤灰160kg·m-3、砂682kg·m-3、石1112kg·m-3、拌和水154kg·m-3、外加劑3.8kg·m-3。熱學(xué)參數(shù)為混凝土絕熱溫升42℃、最終彈性模量4.2×104MPa、熱膨脹系數(shù)8.2×10-6℃-1、比熱容0.92[kJ·（kg·℃）-1]。不同齡期劈裂抗拉強度不同，3d 為1.4MPa、7d 為2.4MPa、28d 為3.5MPa、60d 為3.8MPa。

圖1 承臺平面示意圖

2 溫控措施

為盡可能客觀地對溫控措施體系正確地進行評價，所以需要建立評價指標(biāo)的體系，而在選取中需要遵循下列原則構(gòu)建指標(biāo)體系：第一，概括性原則。選定指標(biāo)需要偹代表性，涵蓋面廣，可以應(yīng)用在不同的溫控措施中[1]。第二，層次性原則。針對較為復(fù)雜的評價對象，可以依據(jù)研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的邏輯加以分層，進而明確指標(biāo)體系的結(jié)構(gòu)。第三，定性與定量的指標(biāo)結(jié)合。溫控措施評價包括定性指標(biāo)和定量指標(biāo)，所以需要兩者結(jié)合，以此來降低只有某一指標(biāo)時缺少數(shù)據(jù)而導(dǎo)致結(jié)果有誤差。第四，客觀與主觀結(jié)合。由于溫控措施評價涉及專家的評分，所以使用層次分析法計算主觀權(quán)重和信息熵法計算客觀權(quán)重，再兩者結(jié)合則更加的科學(xué)[2]。

根據(jù)工程的實際情況可以從下述措施對溫度進行控制：第一，利用蓄熱能法來加熱混凝土拌和水來控制澆筑的溫度，以此保證澆筑時的溫度為12℃。第二，控制降溫的速率，并提高澆筑的速度，在澆筑后可以增加中心位置的通水，進而提高降溫的工作效果。上層澆筑施工之前應(yīng)當(dāng)先對下層進行再一次的通水降溫。第三，減少下層與封底間、混凝土中心與表面間、上下2 層間的溫差。在澆筑下層前預(yù)熱封底的混凝土表面，澆筑上層前對下層表面預(yù)熱，保障表層的溫度在5℃左右[3]。

3 承臺混凝土澆筑仿真

有限元軟件對溫控方案進行仿真分析，在進行施工的計算時應(yīng)當(dāng)重點考慮徐變因素，其對混凝土的應(yīng)力會產(chǎn)生較大影響，而徐變度取值則需要根據(jù)經(jīng)驗數(shù)值模型進行計算[4]，如下式所示：

式（1）中：t表示待求齡期；τ 表示加載齡期；C1=0.23/E2，C2=0.52/E2，E2表示最終彈性模量。

溫度應(yīng)力需依結(jié)構(gòu)對稱性，再擇取承臺折1/4 開展相應(yīng)的計算，如圖2 為計算模型網(wǎng)格剖分。

圖2 網(wǎng)格剖分圖

計算過程中，受封底混凝土的影響而對承臺產(chǎn)生約束作用，所以將基礎(chǔ)的彈性模量參數(shù)設(shè)置為3.5×104MPa。對承臺進行分層澆筑時需要確保上層和下層混凝土保持間隔7d 進行澆筑，然后根據(jù)初期熱工結(jié)果設(shè)定澆筑時的溫度在15℃左右，混凝土的表面散熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)分別為3642kJ/（m2·d·℃）、268kJ/（m·d·℃），側(cè)面鋼模板的等效保溫系數(shù)為1840kJ/（m2·d·℃）。結(jié)合氣候的相關(guān)資料決定風(fēng)速設(shè)定為平均風(fēng)速的2 倍（6m/s）進行計算。另外，冷卻水管降溫作用非常明顯，所以在每一層混凝土依據(jù)1m 的間距布置冷卻水管(φ32mm)，其進口溫度保持15℃左右，水流量30L/min。從承臺大體積混凝土澆筑開始計算溫度及應(yīng)力，并對之后1年內(nèi)的溫度應(yīng)力變化進行模擬[5]。

如圖3 顯示為承臺混凝土的最高溫度包絡(luò)圖，表1為不同齡期下的溫度應(yīng)力。

圖3 承臺最高溫度包絡(luò)圖

表1 承臺混凝土溫度應(yīng)力

從圖3 顯示表明，承臺混凝土的上層和下層內(nèi)部最高的溫度分別為50.1℃、48.9℃，而溫度的峰值則在2～3d 的齡期；而混凝土的內(nèi)部則在溫度升到峰值時產(chǎn)生了較高的溫度，特別是在混凝土最為中心的部位，由于混凝土散熱性較為低下，因此則需要加強通水措施，并要注意對表面開展相應(yīng)的保溫工作。從表1 的結(jié)果得知，承臺混凝土的溫度應(yīng)力表現(xiàn)為早期快速上升，后期逐漸緩慢平緩，所以早期安全系數(shù)低。而產(chǎn)生裂縫的部位則主要是下層與封底接觸部位，以及上層和下層混凝土的中部位置[6]。

溫度的標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)上述的分析得出：混凝土內(nèi)部最高溫度＜50℃，內(nèi)溫差最高需＜20℃；溫差峰值過后控制降溫速率＜3.0℃/d；養(yǎng)護水溫與表溫的差需要＜15℃；冷卻水進口溫度15℃，升溫和降溫通水流量分別控制高于45L/min、保持30L/min[7]。

4 結(jié)果分析

4.1 承臺混凝土監(jiān)測布局

采用PN 結(jié)溫度傳感器測定溫度，并通過定時自動測溫記錄儀記錄溫度。通過依據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性和溫度變化選擇在承臺的長邊方向設(shè)置兩層14 個監(jiān)測點，從外至內(nèi)的間距分別設(shè)定為45cm、100cm、200cm、300cm、400cm、320cm，如圖4所示。

圖4 承臺溫度測點圖

內(nèi)部和表面的測點產(chǎn)生的溫差設(shè)定為內(nèi)表溫差，最外測點的測量溫度設(shè)定為表面溫度，所有測點經(jīng)計算得出的平均溫度設(shè)定為斷面平均溫度。

4.2 監(jiān)測結(jié)果分析

從斷面平均溫度和表面溫度時程曲線（見圖5）表明，下層到上層的測點區(qū)域，其斷面的平均溫度發(fā)生的變化較為一致，從溫度的變化曲線可劃分為三個階段：第一階段則是升溫階段，水化放熱則容易導(dǎo)致溫度升高，而在48～60h 內(nèi)達到峰值，并持續(xù)12～24h 以后才會出現(xiàn)溫度下降。第二階段則是強制降溫階段，受冷卻水管的作用而導(dǎo)致溫度快速降低，此階段的混凝土降溫速率在2.0℃/d 左右。第三階段則自然降溫階段，此時處于平緩降溫，說明混凝逐步趨于穩(wěn)定。另外，由于上層混凝土釋放熱量的影響而導(dǎo)致下層混凝土的溫度降溫速度則隨之減緩[8]。

圖5 斷面平均溫度與表面溫度時程曲線

依據(jù)內(nèi)部測點的最高溫度和表面的溫度差監(jiān)測的內(nèi)表溫差時程曲線得出，2 層承臺內(nèi)表溫差的變化顯示前期較為相同，均是在初期時內(nèi)表溫差小，然后又快速的增長于72h 達到峰值，這是由于澆筑時的外部氣溫高和澆筑時即通冷卻水等原因?qū)е隆＿_到峰值則停止下層通水，再開始上層澆筑時則產(chǎn)生了第二個混凝土內(nèi)表溫差峰值，而通水后則又表現(xiàn)出下降的趨勢。

將監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行匯總得出表2，可以看出和數(shù)值的分析結(jié)果溫度峰值2～3d 齡期比較，實際結(jié)果較晚。而測溫結(jié)果顯示最高溫度和內(nèi)表溫差及降溫速率均達到數(shù)值分析時的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

表2 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

通過使用蓄熱能法可以增加混凝土澆筑時的溫度，并對澆筑層和基礎(chǔ)與新老混凝土的接觸面加以預(yù)熱，進而可以避免出現(xiàn)凍害的發(fā)生。對早期的升溫較快的混凝土需要增加早期的通水量，并根據(jù)現(xiàn)場的情況采取適當(dāng)降低通水溫度措施，提高混凝土升溫期的降溫作用。重視表層混凝土的溫度和濕度養(yǎng)護工作，尤其是降溫時要提高保溫的工作，避免混凝土的溫度受到較大的影響。