港航工程大體積混凝土底板施工溫度控制

喻 龍

（江西省贛西航道事務中心,江西 宜春 336000）

0 引言

混凝土水化熱溫度場會產生溫度梯度和溫度應力，在混凝土收縮受到約束后引發拉應力，一旦超出混凝土極限抗拉強度，便會造成混凝土溫度裂縫，嚴重影響結構承載力、防水性和耐久性。溫度控制是港航工程大體積混凝土施工控制的關鍵，大體積混凝土溫度裂縫的發生較為隱蔽，且破壞性巨大，常規的經驗公式分時間點計算大體積混凝土內部溫升，無法考慮溫度變化的連續性，計算過程復雜，結果缺乏可靠性。為此，該文采用有限元法展開港航工程大體積混凝土底板溫度場模擬分析，通過研究溫升規律，為溫度控制提供有效措施。

1 工程概況

某港口航道工程所處環境特殊，地區多年平均氣溫為32.3 ℃，最高氣溫一般出現在6—8月份。為避開航運高峰，將底板施工對航道運行的擾動降至最低，底板大體積混凝土施工安排在2020年11月—次年7月進行，施工過程涉及冬、春、夏三季，存在一定的溫度控制難度。考慮到該底板大體積混凝土截面尺寸大，混凝土澆筑及硬化過程中的水化熱必將引起溫度變化，造成混凝土收縮。在與外界約束條件共同作用后，溫縮應力增大，引發大體積混凝土溫度裂縫的可能性也較大。

2 大體積混凝土底板有限元分析

2.1 模型構建

應用Midas有限元軟件展開大體積混凝土溫度場分布及變化規律模擬分析時，應用有限單元法在空間域和時間域展開結構離散[1]。在熱傳導分析時，主要考慮水泥水化反應過程中產生的熱量、傳導、對流等因素隨時間變化的過程。

采用大體積混凝土和地基實體模型展開計算，底板混凝土長46 m，寬44 m，厚1.7 m；地基長72 m，寬65 m，厚2.6 m。考慮到底板結構的對稱性，為簡化分析，取1/4展開模型構建和分析，并通過對稱邊界條件查看底板內部溫度分布。模型共包括8 697個單元和10 581個節點，具體見圖1。

圖1 模型簡圖

混凝土入模溫度為23.5 ℃，澆筑施工時環境溫度為25 ℃。結合混凝土配合比設計確定水泥用量，進而得到混凝土絕熱溫升[2]，公式如下：

式中，Th——混凝土最大絕熱溫升（℃）；mc——水泥實際用量（kg/m3）；K——摻合料折減系數，取0.30；F——活性摻合料用量（kg/m3）；Q——水泥28 d水化熱（kJ/kg）；C——混凝土比熱[kJ/(kg·℃)]；ρ——混凝土密度（kg/m3）。將相關參數值代入后求得混凝土最大絕熱溫升為47.6 ℃。

其余熱學參數取值情況見表1。

表1 材料熱學參數取值

2.2 模擬結果分析

根據所得到的大體積混凝土底板中心上層、中層和下層溫度變化曲線（圖2）可知，中心處水化熱最高，溫度峰值也最大，等溫區范圍內溫度變化層次均較直觀[3]。大體積混凝土內部各點溫度變化趨勢基本一致，即升溫階段頂面溫升迅速，中心溫升緩慢，底部溫升時間更長；降溫階段頂面溫降迅速，中心及底部溫降緩慢，并以散熱降溫為主要特征。

圖2 大體積混凝土底板中心溫度計算曲線

上下表面和中間溫度在24 h內相差不大，底板溫度場也較均勻。隨著齡期增大，溫度曲線逐漸右凸，頂面和中間溫度差增大，并表現出一定的溫度梯度，即臨近頂面的溫度梯度大，中心內部溫度梯度小，在外界環境的影響下從中心向頂面溫度梯度越來越大。

上表面具備較好的散熱條件，故在10 d后基本與大氣溫度接近，但混凝土筏基深厚，平面尺寸大，中部混凝土散熱較難，故中心溫度最高，隨著水化熱的持續累積，中心最高溫度表現出相對滯后性。

3 底板施工溫度控制

造成港航工程大體積混凝土施工裂縫的原因主要有混凝土內部應力、收縮力度等方面。

（1）從混凝土內部應力角度看，大體積混凝土施工質量受溫度的影響較大，若缺乏有效的溫控措施，必然出現不同程度施工裂縫。大體積混凝土制備過程中將產生大量熱量，混凝土澆筑后內層散熱緩慢，造成內外溫度差。過大的溫差會使混凝土內部出現應力，引發結構裂縫。

（2）從收縮力度角度看，大體積混凝土澆筑結束后，應預留出混凝土散熱時間，但港航工程施工環境特殊，此期間必然有水分浸入混凝土結構，引發結構收縮。當混凝土收縮力度超出材料可承受范圍時，同樣引發結構裂縫。該文在深入分析港航工程大體積混凝土施工裂縫原因的基礎上，有針對性地提出溫控措施。

3.1 改善混凝土抗裂性能

該港航工程混凝土底板采用P.O32.5級普通硅酸鹽水泥，其7 d水化熱為253 kJ/kg，比42.5級硅酸鹽水泥水化熱低20 kJ/kg。為增強水泥材料補償收縮特性，其MgO含量為2.8%，燒失量較低。按照膠材用量的20%在水泥中摻加Ⅱ級粉煤灰，使膠材7 d水化熱降至222 kJ/kg。此外，摻加緩凝高效減水劑能降低混凝土拌和用水量和水泥用量，改善和易性，并能降低混凝土內部溫升，提升混凝土材料失水收縮性能。

優化混凝土配合比設計，根據試驗確定最佳集料級配，提升混凝土和易性、黏結性及均勻密實性。二級配混凝土砂料細度模數為2.8時的最優砂率為33.9%，中石與小石比為55∶45。石料含泥量應不超出1.0%。

在配合比設計階段，主要進行了粉煤灰摻量為0%、15%、20%以及摻加增密劑、緩凝劑、膨脹劑下混凝土性能試驗，并檢測出齡期為3 d、7 d、14 d、28 d、90 d的抗壓強度、抗滲強度、劈裂抗拉強度、彈性模量等值。在混凝土抗滲、抗壓、強度指標均滿足設計的基礎上，選擇極限拉伸大、軸心抗拉強度高、體積呈微膨脹變形的配合比，展開混凝土制備，以便從材料特性上增強混凝土抗裂性能。

配合比試驗成果顯示，該港航工程大體積混凝土底板施工時C30混凝土中水泥、粉煤灰用量分別為272 kg/m3和68 kg/m3，28 d抗拉強度為3.22 MPa，極限拉伸值為0.87×10-4；7 d體積變形量為20.5×10-6；水膠比為0.5時，摻加20%粉煤灰后混凝土16 d絕熱溫升僅為22.7 ℃，對加強底板施工大體積混凝土溫度控制十分有利；混凝土各項性能指標均高出同等級常規混凝土。

3.2 優化約束條件

底板混凝土斷面突變結合部位為應力集中區，因應力集中引發結構裂縫的可能性也較大。為此，應同時進行底板與底部混凝土澆筑施工，以分散和改善應力條件。此外，應加強底板混凝土澆筑施工間歇期控制，降低底板混凝土對后澆混凝土的約束[4]。間歇期一般為14 d左右。

3.3 控制內部溫升

考慮到該港航工程底板施工工期長，跨越冬、春、夏三季，必須針對不同季節展開混凝土內部溫升控制。冬季施工時，應用鍋爐加熱拌和水，罐車保溫，倉面設置暖棚；夜間溫度較低的情況下摻加防凍劑或停止施工，將混凝土入倉溫度嚴格控制在8 ℃以上，避免混凝土遭受低溫凍害。

夏季施工時，應搭設集料遮陽棚，并適當增大料堆高度，以降低料堆中下部溫度；拌和用水采用加冰措施，并在倉面搭設遮陽棚，混凝土澆筑施工盡可能避開高溫時段；將混凝土入倉溫度嚴格控制在28 ℃以下。

3.4 加強機械化施工

該港航工程底板施工時采用自動化程度較高的4 m3拌和站生產混凝土，罐車配合運輸，確保澆筑過程連續進行。拌和站內必須配備專職質檢員，結合集料含水量、超遜徑變化調整配合比，確保混凝土均勻，并將混凝土出機塌落度和入倉塌落度控制在5~7 cm和4~6 cm以內。根據實測結果，混凝土最大、最小塌落度分別為7.9 cm和4.1 cm，均值為5.0 cm。較低的塌落度對混凝土收縮裂縫控制十分有利。

底板混凝土采用吊罐和胎帶機配合的入倉方式，因胎帶機具備自動布倉功能，能減少人工翻倉平倉工作量，并能提升混凝土均質性和施工工效。澆筑結束后實測底板混凝土抗壓強度為29.8 MPa，均方差1.84 MPa，強度保證率達到99.6%。根據統計結果，混凝土均質性及溫度控制效果均較好。

3.5 布設冷卻水管

結合溫控驗算結果，應在該港航工程底板大體積混凝土結構中布設1層冷卻水管，間距為1.0 m，與周邊相距1.5~2.0 m，以有效降低混凝土內部溫升，避免因溫度應力過大而引發結構裂縫。布設好冷卻水管后，應合理控制通水時間，在水管處混凝土澆筑振搗結束后立即通水，并根據內外溫差靈活調整通水時間。具體而言，第1 d按照4 h間隔調整1次水流方向；第2~3 d按6 h間隔調整1次水流方向；第4~5 d按12 h間隔調整1次水流方向。初始通水流量為0.9 m3/h，此后則根據通水時間和內外溫差調整通水流量，增強冷卻效果。

3.6 加強保溫保濕養護

該港航工程大體積混凝土底板冬季澆筑施工時采用蓄熱法保溫，夏季則通過流水保濕降溫，以控制內外溫差。冬季氣溫較低，澆筑過程中在模板外部粘貼2 cm厚的苯板保溫材料，澆筑結束后覆蓋土工布保溫，并將拆模時間延長至14 d。拆模過程應安排在溫度較高時進行，拆模后及時用塑料布裹覆保溫，最外層包裹一層土工布。如遇氣溫驟降，應加蓋草簾棉被，控制表面熱量散失過快；待來年氣溫回升且混凝土內外溫差降至允許范圍內后再將保溫材料完全拆除。

夏季溫度較高，待底板混凝土初凝后表面覆蓋塑料膜保濕，終凝后覆蓋土工布并灑水降溫；拆模后繼續覆蓋土工布養生14 d。在混凝土內外溫差過大的情況下，必須降低冷卻水管進水溫度、提升水流流速[5]。

3.7 加強溫度測控

在底板大體積混凝土內不同部位埋設30支溫度計，展開溫度監測，實時采集混凝土內外溫度及環境溫度值；將混凝土結構內外溫差嚴格控制在20 ℃以內，降溫速率不超出1.5~3.0 ℃/h。如果超出以上要求，必須立即采取控制措施。混凝土澆筑初期每隔2 h展開1次溫度監測，澆筑后期則每隔6 d進行1次溫度監測。根據監測結果，底板大體積混凝土內外溫差最大不超出15 ℃。該港航工程大體積混凝土底板施工期間，混凝土最大絕熱溫度為48.8 ℃，表面溫度33.3 ℃，根據式（1）可以計算出大體積混凝土內外溫差為15.5 ℃，計算值與監測結果基本一致，表明該港航工程大體積混凝土溫控措施切實有效。

4 結論

綜上所述，通過有限元分析，提前確定出大體積混凝土底板在混凝土澆筑施工全過程中溫度場分布及變化趨勢，并得出不同澆筑時刻和養護齡期溫度計算值、溫度梯度，對可能發生溫度裂縫的部位展開預測，結合計算溫差和降溫速率提前采取可行的防控措施。在應用該文所提出的溫控措施后，該港航工程底板大體積混凝土內外溫差、結構抗裂性能、施工質量均得到較好控制，有效避免了混凝土內外溫差引起的應力集中現象，底板混凝土性能得以保證。底板混凝土于2020年10月2日拆模，此后持續觀測6個月，并未發現任何結構裂縫和溫度裂縫，取得了較好的大體積混凝土溫控效果，也為類似工程提供了成功經驗。