龙底江大桥大体积混凝土浇筑时温度应力控制技术研究

摘要：在思南至剑河高速公路龙底江大桥主墩承台大体积混凝土施工时，首先综合分析计算了承台的水化热温升情况。根据温升分析结果，在原材料选用，配合比优化，添加外加剂，加强浇筑质量及保温养护等各环节上采取了有效的控制措施。并对承台结构内各部位的温度情况进行了严格监测，根据温度监测反馈的实际情况采取针对性措施，确保将承台混凝土温度控制在合理范围内，以防止承台产生裂缝。

Abstract： In the construction of mass concrete for the main pier platform of the Longdijiang Bridge on the Sinan-Jianhe Expressway， the temperature of the hydration heat of the platform was first comprehensively calculated. According to the result of temperature rise analysis， effective control measures were taken in various links such as selection of raw materials， optimization of mix ratio， addition of additives， strengthening of pouring quality， and maintenance of insulation. The temperature of all parts of the platform structure is strictly monitored， and specific measures are taken according to the actual conditions of temperature monitoring feedback to ensure that the concrete temperature of the platform is controlled within a reasonable range to prevent cracks in the platform.

關键词：大体混凝土；水化热；温升分析；温差控制措施；温度监测

Key words： rough concrete；hydration heat；temperature rise analysis；temperature difference control measures；temperature monitoring

中图分类号：U445.57 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）20-0148-03

0 引言

随着全国的现代建筑物向着大型化方向的发展，大体积混凝土浇筑时的温度应力引起结构物裂缝，严重影响了结构物正常及安全地使用的问题，成为工程建设者需处理的重要难题。

国内外的建设经验表明，大体积混凝土由于结构内外大幅度的温差效应导致结构物出现各种裂缝病害的现象广泛存在，而结构物的破坏和地下结构物的渗漏通常缘于混凝土出现的有害裂缝。所以，有效控制大体积混凝土出现温度裂缝成为工程建设领域最为关键的问题之一，故对大体积混凝土的温升情况进行进行计算及分析，并采取针对性的防范和控制措施对工程建设者而言，且有重大的现实工程意义。

1 工程概况

思南至剑河高速公路龙底江大桥上部结构设计为（70+130+70）m预应力混凝土刚构+2×30m预应力混凝土T梁，主桥下部主墩采用双薄壁空心墩，最高墩身51.2m，采用钻孔桩基础。其承台尺寸如表1所示。

从表1可看出，主跨承台不仅尺寸大，一次浇注的混凝土数量多，且混凝土强度标号高，单位体积混凝土使用的水泥量大。大尺寸的承台混凝土中水泥水化热大量集聚在内部无法及时散发，导致混凝土各部位间出现很大温并，在外界条件及内部各种约束的作用下，温度应力将导致承台混凝土出现温差裂缝。因此，计算、分析承台混凝土浇筑后温度应力情况，根据分析结果，采用针对性的有效温度控制措施，并精心组织施工，防止承台结构出现裂缝是本工程需解决的重要课题。

2 承中大体积混凝土浇筑时的温度及温度应力计算

2.1 混凝土的浇筑温度

混凝土的浇筑温度为承台混凝土历经搅拌、运输、泵送入模及振捣等工序后的温度，本项目在没采取对集料及搅拌用水预冷措施的情况下，经对实际各种影响因素进行分析研究并进行模拟测定，得出混凝土浇筑温度比施工期间环境平均气温高约5℃，本项目拟浇筑承台混凝土时的外界平均气温为23℃，故混凝土浇筑温度Tj按28℃计。

2.2 承台中心最高绝热温度计算

2.2.1 承台中心部位的绝热温升

绝热温升为假定承台内混凝土水泥水化热在没有任何散失的情况下，水化热使承台混凝土达到的最高温度。绝热温升计算式为：

（1）

式中：Wc—单位体积承台混凝土使用水泥量（kg/m3），按初始配合比的水泥使用量为392kg/m3；

Q—每kg水泥完全水化所释放的热量（kJ/kg）本项目按375kJ/kg；

C—混凝土比热，本项目取值0.97（kJ/（kg·K））；

ρ—混凝土结构的容重，本项目按2400kg/m3；

m—受温度变化速度影响的系数，本项目取值0.406；

t—承台浇筑后的天数（d）；

е—常数2.718。

当（1）式的t→∞时，即得的承台内部最高绝热温升。

2.2.2 混凝土中心计算温度

式（1）为理想绝热状况下承台内部的温升值，现实情况下承台的水化热是在持续散失中，水化热在各龄期使得承台混凝土达到温度的计算式为：

Tt=Tj+Th·ξt （2）

式中Tt—龄期为t时承台温升值（℃）；Tj—承台混凝土的浇筑温度；Th—承台最大计算绝热温升；ξt—降温系数，取值按表2。

把本项目的各项参数值代入式（1）、（2）中，计算得到承台各龄期理论计算温升值，列于表3。

由表3计算结果可知，在承台浇筑后3d时，承台内部温度达到峰值，3m厚承台温度峰值为73.43℃，4m厚承台为77.44℃。

2.2.3 混凝土温度应力

大体积混凝土本身的凝固收缩对裂缝的影响是明显的，其对温度裂缝的产生和发展起到叠加促进作用。所以，在承台大体积温度裂缝控制时混凝土收缩产生的影响不可忽视。

在温度应力计算分析时，将收缩产生的变形值换算成当量的温差值后，与混凝土温升值相加，综合计算混凝土的温度应力值，从而更为精确地进行温差裂缝控制，防止承臺混凝土产生裂缝。因受各种复杂因素及条件的影响，混凝土的不同龄期的收缩变形值呈差异性变化，采用下列指数函数式进行计算：

ε=ε（1-e-0.01t）×M1×M2×…×M11 （3）

式中：ε为标准环境下混凝土收缩变形最终值，取值为3.2410-4；M1～M11为根据水泥细度、水胶比、胶浆量等与标准环境不同时而取的各项修正系数。

3d龄期时，查《大体积混凝土施工规范及条文说明》（GB 50496-2009）得式（3）的各项修正系数：M1=1.0，M2=1.35，M3=1.21，M4=1.45，M5=1.09，M6=1.1，M7=1，M8=0.76，M9=1.0，M10=0.89，M11=1.02。

承台混凝土收缩变形的当量温差采用下式进行计算：

（4）

式中：T—承台t龄期时的收缩当量温差；α—承台混凝土的线膨胀系数，按1.0×10-5。

各参数值代入式（4），得承台3d龄期时混凝土收缩变形的当量温差：

T=ε/α=（0.188×10-4）/1.0×10-5=1.88℃

2.2.4 承台最高综合温升

由上述计算分析可知，承台在3d龄期时达到中心部位的最高温升，混凝土入模温度Tj=28℃，施工时环境温度Th按23℃，则有，3m厚、4m厚承台3d龄期时的综合温度为：

3m厚承台：ΔT=T+T=28+73.43+1.88-23=80.31℃

4m厚承台：ΔT=T+T=28+77.44+1.88-23=84.32℃

由计算结果可得，当龄期3d时，承台中心混凝土达到最高温度，内外温差远超过规范要求的25℃值，故需采取有效技术措施进行温差控制，防止承台混凝土出现裂缝。

3 施工方法和施工控制

3.1 减少水化热及降低混凝土入模温度

①所用水泥。

要求符合现行的国家标准的相关规定及要求。本项目采用P-C32.5的矿渣硅酸盐水泥。在水泥使用前，先进行水化热测定，测定按现行国家标准《水泥水化热试验方法（直接法）》进行，其测定值7天的水化热不宜大于250kJ/g。

②骨料的选择。

粗集料按要求确定骨料种类，要级配良好，其质量符合《普通混凝土所用碎石或卵石质量标准及检验方法》规定，含泥量要求小于1.5%。

细骨料要求符合现行标准《普通混凝土用砂质量标准及检验方法》的规定。

3.2 减少水化热及降低混凝土入模温度

①使用水化热低的水泥品种，以减少水化热的释放。选用了水化热较低的矿渣32.5号水泥。

②配合比采用了高效LFS缓凝型减水剂，其减少用水量约18%。不仅改善了混凝土的泵送性能，且延缓水化热的峰值出现时间及降低了数值。

③掺入适量粉煤灰。粉煤灰具有火山灰的活性，掺入粉煤灰的混凝土初期水化热低，和易性好，变形收缩少，有一定的减水作用，且能增强混凝土的后期强度，显著改善承台混凝土的抗渗性能和耐久性指标。本项目采用I级粉煤灰，掺量为20%。最终施工配合比的水泥使用量为336kg/m3，比始初配合比减少了56kg。

④控制出机温度对减少大体积混凝土总温升和内外温差是很重要的。本项目采取在砂、石子堆场上搭设遮阳棚，向骨料喷射水雾降温，缩短混凝土运输时间，泵管覆盖，混凝土运输设置隔热、遮阳措施等。

3.3 设置冷却管对承台进行降温

为排出水化热，降低承台中心部位的温度，在承台内设置冷却管。

冷却管采用Φ=100mm钢管，水平层间的钢管间距按1.5m布设。4m厚承台按1m的层间距布置4层冷却管。厚度为3m的承台按间距为1.0m设置3层冷却管，相邻层的冷却管布置方向呈90度垂直。本项目2、3号墩的13.2m×29.7m×4m承台散热管设置如图1、图2所示。

在进行承台钢筋绑扎的同时按设计要求埋入冷却管，并于承台混凝土浇筑前进行闭水试压，出现渗漏水时妥善处理。

为避免承台混凝土浇筑时，在冷却管附近的混凝土出现过大温度梯度，增加承台混凝土的收缩，在承台混凝土浇筑前1～2d前启动水系统，向冷却管内灌注水，经过一段时间静置使管内水温与环境温度接近。

冷却水就近抽取河水，承台附近设立蓄水池供水，为了控制承台混凝土与供水间的温差不超过25℃，蓄水池内安装加热设备，必要时对供水进行加热。

承台混凝土龄期达到28d后，压入与承台同强度等级混凝土把冷却管填塞密实。

3.4 在承台外表采取覆盖保温措施

本项目还实施了在承台外表面采取保温的技术措施，以确保承台表面与承台内部的温差，从而避免承台产生温差裂缝。

承台施工时，采用浆砌片石作为承台的侧模，其厚度为30cm，漿砌片石侧模不仅相当于在承台四周设置一道保温层，且对承台起到了变形约束的作用，有效提高了承台混凝土的抗裂性能。

本项目的4个台承台均于高温的夏季浇筑，冷却管排水口的水温较高，初期超过60℃。本项目在承台面边缘处设置砂浆堤坝作养护池，当浇筑的承台混凝土终凝后，在承台表面的堤坝内注入冷却管排出的热水，养护池的热水厚度约20cm，不仅作为承台养生，同样也提高了承台表面温度，控制了承台内部与表面的温差不超过规定值。

4 对承台混凝土温度的监控量测

4.1 承台大体积混凝土温度控制要求

根据大体积混凝土施工的相关规范及文件的要求，结合承台施工时的实际情况，确定了承台混凝土浇筑时温度控制指标如下：①冷却管供水口与排水口的水温温差≤10℃；②供水口与承台中心混凝土最高温的温差≯20℃；③降温速率≯2℃/h；④承台顶面蓄水池的水温与表面混凝土的温差≯15℃。

4.2 混凝土结构测温点设置

本工程采用预埋测温线测温。对于厚度为4m的承台，设置3层共13个温度量测监控点。第1层即底层测温点高于承台底0.5m，第2层即中间层距承台底面为2.2m，第3层即面层距承台底面为3.9m。本项目2、3号墩的13.2m×29.7m×4m承台测温点布置如图3所示。

对于厚度为3m的承台，同样设置3层共13个温度量测监控点。第1层即底层测温点高于承台底0.5m，第2层即中间层距承台底面为1.7m，第3层即面层距承台底面为2.9m。

4.3 测温频率及温度控制措施

承台混凝土龄期3d内测温频率1次/2h；龄期4d～7d内测温频率1次/4h；龄期8d～15d内测温频率1次/8h，龄期超过15d测温频率1次/12h。

测温时，当某项指标的温差超过或是接近控制指标值时，及时采取加热蓄水池的供水、提高或减缓冷却管的流速、承台表面设置保温覆盖物等措施，确保温差及降温速度满足要求。

5 结束语

本项目通过采取使用低水化热水泥，掺入粉煤灰代替部分水泥用量、掺加高效LFS缓凝型减水剂延迟缓凝时间及提高混凝土性能、设置冷却管降温、承台顶面设置热水养护及保温池等技术措施。混凝土浇筑后，设置温度监测点进行测温，根据温测结果对冷却管的供水水温进行调整，改变冷却水流速及改变承台顶蓄水池水温等控制手段，有效控制了承台大体积混凝土产生裂缝。通过采取如上技术及管理措施，龙底江大桥全部4个承台混凝土浇筑时没有产生任何开裂现象，达到了预期的效果。

参考文献：

[1]GB 50496-2009，大体积混凝土施工规范及条文说明[S].

[2]黄子春.大体积混凝土温度裂缝分析与防治实例[J].混凝土，2010，1（1）.

[3]谈新文.建筑工程大体积混凝土浇筑的特点与施工技术[J].科技创新导报，2012，6（19）.

[4]梁永科.大体积混凝土施工裂缝成因及防治措施[J].施工技术，2012，3（3）.