大體積承臺冬季一次澆筑成型溫度控制研究

基金項目：

廣西高校中青年教師科研基礎提升能力提升項目“基于數據驅動的鋼筋混凝土空心墩抗震性能研究”（編號：2023KY1161）

作者簡介：

李 成（1989—），碩士，講師，研究方向：橋梁養護與加固。

摘要：文章以某連續剛構橋大體積承臺為工程背景，從設計承臺混凝土合理配合比、合理布置混凝土內冷卻管、控制混凝土內冷卻管水流速度等方面，介紹了大體積承臺一次澆筑成型溫度控制措施，并對承臺混凝土溫度進行模擬計算與監測分析。結果表明：大體積承臺冬季一次澆筑成型采用溫控技術措施，其內部最高溫度未超過規范限值，內外溫差基本滿足要求，混凝土外觀光滑未出現溫度裂縫，控制效果較好，為大體積承臺冬季一次澆筑成型提供了技術保障。

關鍵詞：大體積承臺；混凝土；一次澆筑成型；溫度控制

中圖分類號：U443.25文獻標識碼：A 25 081 4

0 引言

橋梁承臺冬季施工因混凝土內外溫差引起的裂縫不是單純的結構理論問題，而是涉及材料學、構造設計、控制理論和施工工藝等方面的綜合科學問題。因此，必須對大體積混凝土的內外溫差進行有效的控制，使之不出現有害溫度裂縫來確保大體積混凝土的施工質量。以往，橋梁承臺這種大體積混凝土在冬季施工往往采用C30或C35進行分層澆筑，且每一層都設置冷卻管，再通過溫控措施控制其內外溫差［1］，但分層澆筑施工繁瑣，影響工期；隨著我國工業技術的發展，考慮到結構的耐久性，大體積混凝土采用高標號混凝土的情況越來越普遍。橋梁承臺作為一種常見的大體積混凝土構筑物，需要在冬季澆筑全過程實施溫度控制，防止承臺產生溫度裂縫，對保障大體積承臺冬季一次澆筑成型質量具有重要的意義。

1 工程概況

某跨鐵路特大橋主橋上部結構為65 m+120 m+65 m雙幅連續剛構橋，主橋上部結構采用單箱三室變截面箱梁連續剛構。控制斷面梁高：中間支點處為7.5 m，邊跨直線段及主跨跨中處為3.0 m，其高跨比為1∶16.0。其中4#、5#橋墩為主墩，采用雙薄壁結構，橋墩以下為承臺和樁基。承臺橫橋向×順橋向×厚度尺寸為25.6 m×11.6 m×4.0 m，單個承臺混凝土方量為1 187.84 m3，采用C40混凝土一次澆筑成型。該橋承臺的布置見圖1。

2 承臺混凝土溫控技術設計

承臺大體積混凝土在硬化過程中，由于水泥的化學反應，其內部會產生大量的熱量，通常會經歷升溫、降溫、穩定三個階段。因此，混凝土的體積會根據熱脹冷縮原理隨之產生變化，而因冬季氣候原因，內部和外表面溫差加大，內外混凝土體積變化會不均勻，就會產生溫度拉應力。而混凝土的抗拉應強度極小，如果該溫度應力大于其混凝土的抗拉強度，在混凝土表面就會出現明顯的裂紋，工程上稱之為溫度裂縫，溫度裂縫會影響承臺的耐久性。針對此類問題，必須對大體積混凝土進行溫控設計，本文從優化混凝土配合比設計以及合理設置冷卻管這兩方面來進行溫控技術設計。

2.1 混凝土配合比設計

該橋承臺施工期為南方的冬季，采用C40混凝土一次澆筑成型。混凝土標號高且一次澆筑混凝土體積大，極易因承臺澆筑后內外溫差過大而導致混凝土開裂，所以通過設計混凝土配合比減少混凝土水化熱，降低內部溫度顯得尤為重要［2-3］。

粉煤灰是一種廉價建筑材料，且和混凝土混合后不影響混凝土的強度，在保證該承臺混凝土強度的情況下，可通過摻入一定比例粉煤灰［4］，適當減少水泥用量，達到減少水化熱的效果，所以通過現場對比調試確定該承臺采用C40礦渣硅酸鹽水泥，經現場實驗確定的該橋承臺所用混凝土配合比如表1所示。

2.2 冷卻管設置

大體積混凝土硬化過程中會在內部聚集大量水化熱，增大內外溫差，所以大體積混凝土澆筑除了優化混凝土配合比設計來降低混凝土的水化熱外，還需降低承臺內部溫度。工程上常采用設置冷卻管，在混凝土澆筑過程中和澆筑后通過持續通水來降低混凝土內部溫度，縮小大體積混凝土內外溫差，減少混凝土體積不均勻變化引起的混凝土外表面開裂可能。傳統上是設置一根管彎曲布置在混凝土內側，一個進水口、一個出水口，而該橋主承臺體積大，且高度達到4 m，為了達到降溫效果，將冷卻管分4層進行單獨設置，層間距為1 m，共設4個進水口，8個出水口，這樣可以加快水通過冷卻管的效率，冷卻管采用外徑40 mm、壁厚2.5 mm的鋼管。該承臺的冷卻管布置詳見圖2。

3 模擬仿真分析

本文章采用Midas Civil軟件對承臺大體積混凝土進行水化熱模擬計算。大體積混凝土澆筑后混凝土內的溫度變化與混凝土配合比、混凝土的入模溫度、混凝土與外部的熱交換、內部冷卻水管的布置等多種因素有關。此工程為對稱的立方體結構，承臺平面尺寸為25.6 m×11.6 m，厚度為4.0 m，擬一次澆筑成型。為節約計算時間，提高計算效率，承臺按照1/2模型進行計算。為了準確模擬承臺向地基熱傳導過程，模型包括承臺部分以及包括地基部分，其中地基向承臺外拓展3 m的長度，厚3 m，本文分別建了設置冷卻管和未設置冷卻管兩個模型進行分析計算，來對比設置冷卻管對承臺溫度的降溫效果。承臺數值分析模型見圖3。

3.1 模型邊界及參數設置

承臺頂板和側面施加相應的對流邊界，對流系數大小和風速、保溫層以及模板有關。側面木模加泡沫板的對流系數采用8.8 kJ/（m2·h·℃），頂面塑料薄膜加30 cm厚溫水對流系數采用10.7 kJ/（m2·h·℃）。大氣溫度采用實測數據，根據最近氣溫情況取固定值20 ℃。地基上側面、底面以及除了和承臺接觸部分的頂面施加固定溫度，固定溫度取與大氣平均溫度一致，為20 ℃。承臺冷卻管水流速度以0.5 m/s進行計算。其他模型參數見表2。

3.2 承臺一次澆筑水化熱分析計算

承臺一次性澆筑尺寸為25.6 m×11.6 m×4 m，通過Midas Civil軟件分析結果對比采取溫控措施和未采取溫控措施這兩種情況在1 000 h內，各時間段混凝土溫度分布情況和應力分布情況（見圖4、圖5），分析總結其水化熱溫度與應力的關系，及其引起溫度裂紋的原因，為后期溫度監控措施提供理論數據依據。

計算結果表明，未采取內部冷卻管通水降溫措施，在第二、第三天，混凝土中心最高溫度將達到73.7 ℃，而后溫度逐漸降低，雖然最高溫度未超過規范規定值（規范要求＜75 ℃），但混凝土澆筑時間剛好在11月，大氣溫度平均為15 ℃，如果不采取溫控措施，里表溫差肯定超過規范值（規范要求＜25 ℃），進而有可能會因內外溫差過大導致混凝土開裂等問題。采取溫控措施后，同樣也是在第2～3 d，混凝土中心的溫度最高達到60 ℃，相比于前者最高溫度下降了13.7 ℃，降溫效果良好。采取溫控措施后，承臺頂面拉應力最大達到1.3 MPa，未超過混凝土的抗拉強度標準值。

由模型分析可見：該大體積承臺一次澆筑采用“內降外保”溫控措施后承臺中心處混凝土溫度可降低13 ℃，溫峰過后6 d的降溫速度約為2.09 ℃/d，前15 d的降溫平均速度約為1.17 ℃/d（規范要求＜2 ℃/d），且混凝土表面主拉應力未超過抗拉強度標準值，滿足規范要求。為了進一步驗證模型分析結果，接下來將對承臺混凝土一次澆筑進行監控。

4 承臺溫度監控措施

4.1 溫度監測測點布置

主墩承臺共布置28個測點：進水口1個測點；出水口2個測點；承臺內25個測點。承臺內部測點水平及豎向布置示意圖見圖6、圖7。安裝溫度傳感器時，可根據實際情況適當調整安裝位置，避免溫度傳感器太靠近冷卻管。

4.2 混凝土溫度控制及構造措施

參照《大體積混凝土施工規范》（GB 50496-2009）并結合施工圖的要求，確定本承臺溫度控制指標如下：

（1）混凝土澆筑塊體在澆筑入模溫度基礎上溫升值應≤50 ℃；

（2）混凝土澆筑塊體的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）應≤25 ℃；

（3）混凝土澆筑塊體的降溫速率應≤2.0 ℃/d；

（4）混凝土澆筑塊體表面與大氣溫差應≤20 ℃；

（5）內部最高溫度宜≤75 ℃；

（6）冷卻管進、出水溫差控制在＜15 ℃。

冬季大體積混凝土澆筑溫度控制要嚴格遵守“內降外保”原則［5］，對該橋承臺混凝土澆筑采取以下構造措施：側壁采用鋼模板、泡沫板保溫保濕外，還需要在承臺4個側面鋪墊棉被，這樣可以防止表面混凝土因冬季大風造成表面干縮裂縫，同時還可以提升承臺結構側面保溫效果；上表面待混凝土初凝后，覆蓋棉質材料，同時在上表面覆蓋塑料薄膜，為防止表面溫度下降過快導致內外溫差過大，需在上表面灌注一定厚度且溫度≥35 ℃的熱水，進行保濕保溫養護。承臺外部保溫措施見下頁圖8。

5 溫控結果分析

根據各組測點15 d的監測結果繪制承臺內5組測點溫度隨時間的變化曲線，因文章版面有限，只列出承臺中心部位P1測位處的溫度變化曲線以及該測點內外溫差隨時間變化曲線。

由圖9、圖10可知：

（1）承臺中心P1測位的5個測點最高溫度在澆筑混凝土后的第2 d達到71 ℃，與模型理論計算的73.7 ℃相差2.7 ℃，這主要是因為現場施工環境有限，冷卻管通水采用水泵通水，通水速率不易控制。

（2）混凝土內溫度最大升限為30 ℃，滿足規范要求的≤50 ℃。混凝土內溫度在第3 d開始下降，第3～7 d降溫速率＞2 ℃/d，主要是因為混凝土體積大，且現場通水條件有限，第7 d以后降溫速率＜2 ℃/d，滿足規范要求。承臺最大里表溫差為24.5 ℃，滿足規范要求（里表溫差應≤25 ℃），這主要是因為混凝土澆筑后，現場采用了“內降外保”措施，混凝土內保持通水15 d。

（3）根據現場觀測，混凝土外表面未發現有裂紋，達到了控制效果。這是因為混凝土外側面采用泡沫板保溫，混凝土頂采用棉被和溫水覆蓋防止熱量快速流失，這一措施保證了該承臺澆筑后里表溫差保持在一定范圍內，防止溫差過大引起混凝土外表面開裂。

經過現場15 d針對承臺的溫度監測和溫度控制，該橋承臺內最高溫度、最大里表溫差滿足規范要求，其他各項指標基本滿足規范要求，承臺上表面和側面未發現裂紋，達到了控制效果，為主橋結構安全提供了技術保障。

6 結語

該跨鐵路連續剛構橋大體積承臺冬季施工，具有一次澆筑體積大、承臺混凝土標號高、現場條件有限等特點，通過事前合理布置冷卻管、模型分析對比［6］，事中控制混凝土的入模溫度、冷卻管水流速以及采用網絡監控技術和溫度調控技術，遵循大體積混凝土“內降外保”原則，采用輔助措施，并在監控過程中實時反饋、調整、養護，事后根據現場情況和監控數據分析對比得出以下結論：

（1）大體積承臺冬季一次澆筑成型采用溫控措施，混凝土外觀質量良好，未產生裂縫；混凝土內部溫度在澆筑完第二天最大達到71 ℃（規范規定≤75 ℃）；承臺最大里表溫差為24.5 ℃（規范規定應≤25 ℃），滿足要求。

（2）大體積承臺冬季一次澆筑成型溫控措施不能僅依靠單一的控制措施，澆筑前需要合理調整混凝土配合比，養護過程中要嚴格踐行“內降外保”原則，現場承臺冷卻管持續通水，承臺側邊和上表面做好保溫措施。

參考文獻

［1］陳 龍.大體積承臺混凝土施工溫度場及溫控技術研究［J］.中外公路，2021（3）：83-88.

［2］郭宇明，王 帆.大體積混凝土承臺溫度應變觀測與分析［J］.施工技術，2020（S1）：417-419.

［3］姚 瑞.橋梁結構承臺大體積混凝土水化熱溫度效應研究［D］.西安：長安大學，2020.

［4］龔 遠.中高溫C40大體積混凝土承臺配合比設計及溫度控制［D］.西安：西安建筑科技大學，2019.

［5］鐵留江，俊軍曼.橋梁大體積承臺混凝土溫度裂縫控制分析［J］.西部交通科技，2019（11）：106-108.

［6］劉海峰，邵志向，馮海玉.大體積承臺混凝土水化熱溫度場分析［J］.公路，2017（7）：176-181.