基于廣西沿海地區極端環境下的大體積混凝土澆筑溫控策略研究

摘要 廣西沿海地區持續高溫降雨且雨水中富含氯離子，因此在廣西沿海地區澆筑大體積混凝土具有更高的要求，澆筑過程中的水化熱反應將導致溫度快速升高，形成顯著的內外溫度差，致使混凝土產生裂紋，甚至會發展成明顯的裂縫。裂縫的存在使得結構物易受富含氯離子雨水的侵蝕，導致其服役壽命大幅縮短。為了提升結構物的服役性能，該文基于郁江特大橋大體積承臺的施工實例，研究極端高溫環境下大體積混凝土澆筑全過程的溫度控制策略，分析原材料的降溫要求及降溫措施、溫度場發展模擬及冷凝管的布設。研究結果表明，通過對原材料主動降溫的方式可將混凝土的入模溫度準確控制在規范要求內，模擬分析是研究澆筑后溫度場變化規律的一種有效方法；在自然環境下大體積混凝土澆筑后的溫度場發展無法確保后續實體質量的有效受控，通過合理布設冷凝管主動降低溫度峰值及內外溫差可以有效控制實體澆筑質量。

關鍵詞 高溫環境；大體積混凝土；溫控策略；溫度場模擬

中圖分類號 U445.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0127-07

0 引言

隨著國家基礎設施建設的快速發展，一般體積結構物已不能滿足實際需求，大體積混凝土構筑物由此孕育而生并運用于實際工程建設中[1]。然而隨著體積的不斷擴大，所需的水泥總量也隨之不斷增加[2]。眾所周知，混凝土在強度形成的過程中溫度的升高主要源于水泥遇水后的水化反應所釋放出來的熱量[3]，因此大體積混凝土構筑物澆筑過程中的溫度將會顯著攀升。特別是處于結構物內部密閉空間中的混凝土，由于無法像混凝土表面靠氣流流動以降低溫度，使得大體積結構物澆筑后，在短時間內混凝土的內部溫度顯著高于表面溫度。這種內外溫差的變化不可避免會產生溫度應力，內外溫差越大，則溫度應力越明顯，結構物由此產生裂紋，甚至發展成明顯的裂縫，顯著影響結構物的外觀及質量。此外，由于結構物存在較大的裂縫，經長期降雨沖刷的侵蝕作用，進一步加速了結構物性能的衰變過程，導致其使用壽命大幅縮短。

目前，越來越多的學者研究大體積混凝土澆筑溫度的控制措施，以期在持續高溫的惡劣環境下可順利澆筑出滿足規范及設計要求的高質量混凝土結構物。劉愛軍[4]研究了基礎大體積混凝土澆筑的溫控技術，研究表明為了避免大體積混凝土水化熱溫度過高，應盡可能降低混凝土的入模溫度；郭海生[5]研究了橋梁大體積承臺澆筑的溫控方案，研究表明混凝土的溫度應力是施工控制的關鍵，通過科學合理的配合比、延長初凝時間、布置冷水管散熱等措施可以有效降低內外溫差；饒明[6]認為應從設計數學模型方面優化大體積混凝土溫控措施，有效降低溫控成本；蘇駿等[7]認為將大體積混凝土的熱工計算作為溫度控制的理論，可有效降低裂縫產生的概率。

綜上所述，目前大體積混凝土澆筑的研究已取得顯著成效，然而基于持續高溫環境下的大體積混凝土澆筑鮮有研究，更沒有研究如何準確控制混凝土的入模溫度。基于此，該文依托位于夏季炎熱高溫多雨的廣西地區的郁江特大橋大體積承臺澆筑施工工程，研究極端高溫環境下大體積混凝土澆筑的溫控措施。郁江特大橋位于廣西南部沿海地區，夏季高溫多雨。夏季絕大部分時間氣溫可超30℃[8]，輻射至混凝土實體結構物的溫度可超60℃。降雨量大，年最大降雨量達2 100～2 755 mm[9]。持續時間長，每年4月至9月為集中降雨期[10]。由于臨近海洋，雨水中富含侵蝕性強的氯離子[11]，高溫環境對于大體積混凝土的順利澆筑提出了更高要求，加之持續的降雨對于存在裂縫的結構物的侵蝕作用不容忽視，因此選擇郁江特大橋承臺作為該文的研究對象具有實際的指導意義。

1 工程概況

郁江特大橋索塔承臺為長26.6 m、寬19 m、高4 m

的帶圓弧倒角矩形截面實體構筑物，混凝土體積達

2 011.08 m3。為確保承臺整體性，整個承臺應一次連續澆筑完成，根據最佳資源配置，澆筑時長達28 h，夏季白天的高溫暴曬及夜晚的氣溫降低帶來的混凝土內外溫差變得尤為明顯，因此有必要采取有效措施對其內外溫差進行精準控制。

2 溫度控制要求

根據相關標準規范及學者們的研究[12-13]，大體積混凝土澆筑溫度控制需要從澆筑時的入模溫度、升溫速率、溫升峰值及內外溫差等方面進行全面分析，因此該工程重點通過表1所示的溫度控制指標對該承臺的實際澆筑進行控制。

3 理論推導

基于混凝土入模時溫度不超過30℃進行考慮，為了有效控制混凝土的入模溫度，應從原材料考慮，分析拌和前原材料的初始溫度及拌和后入模溫度的變化規律，探索水泥、水、集料及外加劑等原材料與混凝土之間的溫度傳遞關系。早在18世紀，Joseph Black通過研究發現溫度變化主要源于物質之間熱能的傳遞[14]，如式（1）所示。

（1）

式中：Q——熱量（J）；c——物質的比熱容（J/kg·℃）；

m——物質的質量（kg）；?T——物質混合前后的溫度之差（℃）。

當不同物質在不同溫度下混合后，由于溫度差的存在，將導致較低溫度的物質吸收周邊物質的熱量而升溫，如式（2）；而較高溫度的物質則會釋放熱量而降溫，如式（3）。

（2）

（3）

式中：Q吸、Q放——吸收、放出的熱量（J）；c1、c2——物質1和物質2的比熱容（J/kg·℃）；m1、m2——物質1和物質2的質量（kg）；T1、T2——混合前物質1和物質2的溫度（℃）；T——物質1和物質2混合后的溫度（℃）。

根據能量守恒定律可知，在數值上吸收的熱量等于放出的熱量，如式（4）所示：

Q吸=Q放 （4）

由式（2）～（4）推導可得式（5），即存在溫差的不同物質在物理混合后的最終溫度可表示為式（6）。

（5）

（6）

式中：ci——物質的比熱容（J/kg·℃）；mi——物質的質量（kg）；Ti——混合前各物質的初始溫度（℃）。

基于此，為了確定拌和后混凝土的入模溫度，需考慮拌和前水、水泥、細集料、粗集料、減水劑、礦渣及粉煤灰的初始溫度對拌和后混凝土溫度的影響。因拌和過程耗時較短，可認為并未正式產生水化熱，只是物質之間的物理混合。由式（6）可得式（7）：

式中：C水、C水泥、C細、C粗、C減、C礦、C粉——水、水泥、細集料、粗集料、減水劑、礦渣及粉煤灰的比熱容；m水、m水泥、m細、m粗、m減、m礦、m粉——水、水泥、細集料、粗集料、減水劑、礦渣及粉煤灰的質量；T水、T水泥、

T細、T粗、T減、T礦、T粉——混合前水、水泥、細集料、粗集料、減水劑、礦渣及粉煤灰的初始溫度；T——混合后混凝土的最終溫度。

根據式（7）可知，在水、水泥、細集料、粗集料、減水劑、礦渣及粉煤灰的種類及質量一定的情況下，其初始溫度決定著拌和后的混凝土溫度。為了研究溫度變化的規律，根據配合比設計結果確定各原材料的配比如表2所示，并對原材料進行送樣檢測其比熱容，檢測結果如表3所示：

按照表2配合比計算該承臺澆筑所需原材料的用量如表4所示：

為了確保承臺一次性澆筑順利完成，所需原材料用量配備至少滿足表4要求。此外，混凝土拌和后的實際溫度與一次性可以拌和的量關系最為密切。經實際測量，該拌和站的拌和設備一次性可拌和4 888.5 kg混凝土，因此該文統計了一次性拌和4 888.5 kg混凝土所需的各原材料用量如表5所示：

由于該文重點研究高溫環境下大體積混凝土澆筑的溫控策略，因此需對最不利條件下的拌和過程進行分析，即以夏日正午時刻測量水、水泥、砂、石的溫度為最高溫度，測得的數據如表6所示：

將表6測得的數據結合表2和表5通過式（7）計算可知，在不加干預的狀態下混凝土的拌和后的溫度為34.6℃，無法滿足表1中所要求的大體積澆筑的溫度控制標準。因此，有必要對原材料進行調控，以確保混凝土的入模溫度滿足規范要求，從而保障大體積混凝土的施工質量。為確保承臺強度達到設計要求，由于原材料種類及質量配比已是最佳配比，因此控制原材料初始溫度為該工程最有效的控溫方式。

4 溫度控制

4.1 水泥及外加劑溫度控制

對于水泥而言，大體積承臺澆筑所需用量較大，拌和站現有配置罐體無法進行一次性儲存，需廠家備量。由于水泥剛生產的成品溫度較高，大量的水泥所需降溫時間較長，因此需要提前聯系廠家生產足夠的水泥噸量，并預留足夠的時間進行降溫處理。此外，由于拌和站的罐體暴曬于烈日下，其內部密閉空間的氣流無法正常流通，將導致其中存放的水泥溫度飆升，實測溫度達56.7℃，溫度遠高于30℃，因此需對其采取降溫措施。由于罐體龐大，無法通過遮蔽烈日直射的方式進行降溫，且遮蔽方式的降溫效果并不明顯，因此該文通過改造罐體構造，為罐體增設動態噴淋裝置（見圖1所示）。該裝置可自動檢測罐體內水泥，以及噴淋用水的實時溫度。通過實測發現，由于罐體較大且內外隔絕，難以通過噴淋的方式將罐體內的水泥降溫至噴淋用水的溫度，降溫要求越高則所需的用水量及噴淋時長越大。因此，該文設定當罐體內部溫度超出噴淋用水溫度10℃時，罐體外部周圍的噴淋裝置會對罐體進行自動噴淋降溫，直至兩者溫度差小于5℃。在夏日暴曬環境下，噴淋系統會多次反復啟停以達到目標降溫效果，因此所需噴淋用水量較大，但考慮該工程為跨郁江所建造的大體積承臺，所涉及的噴淋用水可從郁江水流中實時抽取。經實測，夏日正午的江水溫度為28.2℃。因此，可利用江水將罐體內部的水泥降溫至低于33.2℃。對于減水劑、粉煤灰及礦渣等外加劑而言，也可采用噴淋裝置進行降溫處理，溫度可控制在33.2℃以內。

4.2 集料溫度控制

在集料方面，拌和站配置的儲料倉已設置遮陰頂棚。集料需確保穩定的干燥狀態，故無法通過噴淋等措施進行降溫處理。由于骨料堆積較厚，內部骨料的溫度均低于表面，故該文重點研究對骨料表面溫度的控制措施。通過采用鼓風機加快儲料倉內骨料表面的空氣流動速度，并在儲料倉四周增設通風孔數量，充分利用沿海地區季風環境對集料進行降溫。采用鼓風機并增設通風孔后的實測集料表面溫度相較于未采取措施而言有所降低，穩定狀態下可降低至30.6℃左右。

4.3 拌和用水溫度控制

在拌和用水方面，蓄水池儲存量可達200 t，足以用于承臺澆筑混凝土拌和。夏季正午實測溫度為28.2℃，由于混凝土入模溫度需低于30℃，而由拌和站運輸至施工現場進行澆筑的過程中，混凝土本身會產生水化反應升溫，其次運輸車經受高溫暴曬后，其內的混凝土也會明顯升溫。為了確保入模溫度達到要求，經實測可知，在不采取任何溫控措施的情況下，運輸及正常澆筑等待過程中，混凝土可升溫至2～3℃，按最不利狀態考慮，需將混凝土拌和后的溫度控制在27℃以內。基于此項考慮，江水溫度不足以滿足要求，有必要對其進行降溫處理。根據熱量傳遞規律，為了確保拌和后的混凝土溫度在27℃以內，在水泥、集料及外加劑溫度一定的情況下，根據式（7）計算可知，所需的拌和用水溫度為13.7℃。現場實際過程中可能存在溫度損失現象，故該文通過采用一次拌和的量驗證了溫度提升的補償程度。經過試驗可知，實際拌和過程中由于水泥存在水化熱反應及受高溫環境的影響，按照理論計算拌和用水的初始溫度不足以使得拌和后的混凝土溫度低于27℃，經試驗測出需將水溫降至13.9℃，方可補足水化熱反應及高溫環境所帶來的溫度升高的影響，使得拌和后的混凝土溫度低

于27℃。

該文采用加冰塊的方式對抽入蓄水池的拌和用水進行主動降溫處理。其中，蓄水池尺寸為10 m×8 m×2.5 m，最多可容納200 t水。由于冰塊規格為冰廠統一定制的相同規格冰種，尺寸為20 cm×20 cm×5 cm，采用保溫運輸車運輸至拌和站，確保冰塊溫度維持在-18℃，故運輸過程中的溫度損失可忽略不計。由于冰融化過程及融化后的水升溫過程均存在吸熱現象，而融化階段可認為溫度維持在0℃不變，研究發現冰的熔化熱Q為3.35×105 J/kg[15-17]。根據熱量傳遞規律Q放熱=Q融化+Q吸熱，為了確保將28.2℃的拌和用水降至13.7℃，需投放冰塊共計87.1 t。

綜上所述，在極端不利環境下，為確保入模溫度滿足規范要求，需采取主動降溫措施對原材料進行溫度控制。經計算，水泥、集料及外加劑的溫度控制在表7所示的溫度以內，可確保拌和后的混凝土溫度不超過27℃。

4.4 溫控驗證

對采用以上溫控后的原材料進行試拌，以驗證最終溫控效果，試拌結果如圖2所示：

由圖2可知，在采取原材溫控措施下拌和的混凝土出機溫度在27℃以內，符合理論推理和入模溫度的要求。因此，通過調控原材料溫度控制混凝土出機溫度是可行的，采取罐體動態噴淋、集料通風處理及投入冰塊等降低水溫的措施進而控制原材料的溫度是有效的。

由于拌和站與承臺澆筑現場相距一定路程，運輸車在運輸和泵送的過程中經受高溫暴曬后，其內的混凝土也會明顯升溫。為了減緩混凝土在這一過程中溫度升高的幅度，該文對采用吸水效果良好的布料作為罐衣包裹凝土罐體，并對罐衣進行定期灑水。利用罐衣吸收的大量水分在高溫環境下的蒸發吸熱效應，對罐體進行主動降溫以減緩其內混凝土在運輸及泵送的過程中溫度升高。經實測數據，在正午最高氣溫環境下，每趟運輸車在裝運混凝土前灑一次水至罐衣濕透，可確保運送至現場澆筑的混凝土入模溫度在30℃以內。

5 澆筑溫度控制

Midas Civil常用于結構熱力場分布的模擬研究[18-20]。基于以上分析得出的各原材料溫度，該文以30℃的入模溫度作為澆筑后正式進行水化熱的初始溫度，正式施工前利用Midas Civil進行水化熱模擬分析，以估算溫控措施的預期效果。考慮混凝土熱量傳遞至地基的情況，分析建模過程中需將地基模擬為具有一定比熱和熱傳導率的結構。其中，承臺尺寸為26.6 m×19 m×4 m，地基尺寸為33 m×23.8m×2.4 m。分析模型如圖3所示，模型的材料及熱特性方面的指標見表8所示。

根據表7可知，對承臺澆筑后的水化熱模擬分析，以預測在外界高溫環境且入模溫度為30℃的環境下不采取溫控措施時，該大體積承臺澆筑后自然水化熱反應所形成的內外部溫度是否滿足要求。水化熱模擬結果見圖4所示：

通過建立不含冷卻措施的仿真模型模擬發現，在一次性連續澆筑的情況下，該承臺受高溫環境及自身水化熱的影響，內部溫度預計在170 h達到高溫峰值79.8℃，升溫49.8℃（超過升溫峰值45℃）。在內部溫度為79.8℃時，如外界處于夜間且降雨降溫的環境時，內外溫差將遠超25℃，可見由于承臺體積過大，所需水泥用量增多，由此產生的水化熱反應十分顯著。經過1 000 h，其內部溫度仍維持在73.1℃。可見升溫后的承臺無法通過自然散熱在短時間內形成有效降溫。該情況下，若外界天氣出現劇烈變化，如突降暴雨等，混凝土內外溫差將進一步拉大，大大增加了因溫差過大而導致的裂縫形成概率。綜上所述，在廣西高溫環境下，大體積承臺澆筑的混凝土入模溫度控制在30℃時，由水化熱及環境溫度導致的內外溫差已不能滿足要求，采取有效的冷卻溫控措施進行主動降溫，以控制因溫差過大而導致的承臺裂縫的形成勢在必行。

6 澆筑后水化熱控制

基于自然水化熱過程的模擬分析結果，為了有效控制承臺澆筑后的水化熱溫度，該研究采用水冷卻工藝控制混凝土降溫過程。為了確保快速有效地實現傳導降溫，冷凝管采用φ42.5 mm×3.5 mm的鐵管，通過模擬冷凝管的布置情況及冷卻效果為實際澆筑提供指導，冷凝管布設分析模型見圖5所示：

通過建立水冷卻的仿真模擬發現，按水平間距1 m、豎向間距1 m呈蛇形縱橫交錯布設四層，在冷卻水進水平均溫度為32.9℃、最小流量控制在0.8 m/s時，混凝土自澆筑開始80 h內部溫度將達到最高73.2℃，溫升峰值為43.2℃，表里溫差最大為22.7℃，滿足溫控標準要求，起到了控制水化熱的作用，因此可按照圖6所示布設冷凝管。

7 溫度監測與數據分析

為有效反映承臺溫度的實時情況，測線在平面位置上沿承臺縱橋向和橫橋向均選取對稱軸的一半進行布設，高度方向上每組測線布置3個監測點，分別位于底層、中間和頂層位置，其中底層、頂層的監測點距混凝土表面距離均為50 mm，并在進出水口和外界共布置3個監測點，分別監測進出水溫度和環境溫度。

為有效避免烈日導致的溫度累積升高，承臺選擇在晚上20：30開始澆筑，自第二天早上10：00開始進行動態溫度監測，直至溫度持續穩定下降且內外部溫度差可忽略不計為止，溫度監測結果如圖7所示：

由動態溫度監測結果可知，在布設冷凝管冷卻條件下，混凝土開始澆筑后42.5 h，內部溫度達到峰值72.6℃，該數據與理論模擬80 h達到峰值73.2℃存在一定差異，其主要原因可能在于有限元模擬時混凝土強度變化曲線是根據試驗室室內數據輸入形成固定的強度發展趨勢。但實際上受混凝土內部溫度升高、外界溫度變化及模板、鋼筋溫度等影響，其初凝時間在一定程度上會進一步縮短，實際強度較理論發展較快，致使整體水化熱釋放完成時間會較理論提前。就峰值溫度而言，過程溫度控制策略及仿真模擬計算結果具有一定的指導意義。尤其在夏季高溫環境下，澆筑前原材料溫度控制、澆筑過程中空間環境溫度控制及澆筑后水化反應散熱控制，并結合模擬分析其溫度發展趨勢，這對于大體積混凝土澆筑施工的溫度控制具有實質性的指導價值。

承臺養護結束后，對承臺表觀質量進行了觀測分析，其觀測結果見圖8所示：

由圖8可知，采取該文溫度控制下澆筑的大體積承臺，其表觀質量平滑具有光澤，表面無裂紋形成，從而避免了富含氯離子的雨水浸入而導致構造物內部形成侵蝕。由此可見，該文的溫控研究對于該承臺澆筑過程的指導切實可行，澆筑后的實體質量得到了有效保障。

8 結論

裂縫產生作為大體積混凝土結構物的主要病害之一，對結構物整體性、耐久性均有極大的危害。該文通過研究大體積混凝土澆筑全過程的溫度控制策略，采用數值模擬承臺溫度場變化，并對混凝土入模溫度及過程中的降溫措施加以控制及改進，從根源上解決了裂縫的形成，避免因溫度控制不到位而導致對大體積混凝土結構產生不可修復性的損害，由此得出以下結論：

（1）澆筑前通過控制原材料的初始溫度，可確保混凝土的入模溫度滿足要求。

（2）澆筑后合理布設冷凝管，可以避免因水化熱產生而導致結構物裂縫的形成。

（3）施工前模擬溫度變化的規律，對于研究大體積混凝土澆筑的質量控制具有現實意義。

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