連續剛構橋承臺水化熱現場監測與溫度控制

代遲書

（武漢市公路工程咨詢監理公司 武漢 430051）

混凝土在硬化的過程中，水泥水化反應產生了大量的水化熱。由于混凝土導熱不良，體積過大，相對散熱較小，混凝土內部水化熱積聚不易散發，外部則散熱較快。升溫階段，混凝土表面溫度總是低于內部溫度。依據熱脹冷縮的原理，中心部分混凝土膨脹的速度要比表面混凝土快，中心部分與表面間形成相互約束，中心屬于約束膨脹，不會開裂；表面屬于約束收縮，當表面拉應力超過混凝土當前的極限抗拉強度時，混凝土表面就會產生裂縫［1－2］。

隨著水泥水化反應的減慢及混凝土的不斷散熱，大體積混凝土由升溫階段過渡到降溫階段，溫度降低，體積收縮。由于混凝土內部熱量是通過表面向外散發，降溫階段，混凝土表面溫度與中心溫度仍然存在差值，如果過大，同升溫階段一樣產生表面裂縫。降溫過程，混凝土體積收縮，同時，考慮到邊界條件和地基的約束，屬于約束收縮。但此時，混凝土齡期增長，強度過大，彈性模量增高，因此降溫收縮產生的拉應力較大，除了抵消升溫時產生的壓應力外，還在混凝土中形成了較高的拉應力，當超過混凝土當前的抗拉強度時，就引起混凝土的貫穿裂縫。

混凝土的抗拉能力非常小，按熱膨脹系數為1×10－5／℃考慮，換算成溫度梯度相當于7℃／m，當然這是完全約束條件下的結論［3］。為確保溫度應力小于抗拉強度，避免溫度裂縫產生，大體積混凝土結構在施工過程中的水化熱監控是非常必要的。

1 溫度監控的要求和方法

1.1 溫度控制指標

為了使水化熱監控規范化，我國規范《大體積混凝土施工規范》［4］規定：混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升不宜大于50℃；混凝土澆筑塊的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）不宜大于25 ℃；混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2.0℃／d；混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20 ℃；混凝土入模溫度不宜低于5 ℃，并控制在30 ℃以下。

1.2 溫度控制措施

1.2.1 混凝土配制

（1）采用低水化熱的膠凝材料體系。大體積混凝土配制采用適中水膠比，大摻量礦物摻合料（單摻粉煤灰或復摻粉煤灰和礦粉）的技術路線，盡量降低水泥用量。優選組分均勻、各項性能指標穩定的粉煤灰，注重需水量比、細度和燒失量等關鍵指標。

（2）選用優質聚羧酸類緩凝高性能減水劑。緩凝高性能聚羧酸減水劑，兼顧減水、引氣和緩凝效果，可以延緩水化熱的峰值并改善混凝土的和易性，降低水灰比以達到減少水化熱的目的。

（3）摻加優質引氣劑。控制混凝土含氣量在3%～4%，可改善混凝土和易性、均質性，提高混凝土變形性能和抗開裂能力。

（4）選用級配良好、低熱膨脹系數、低吸水率的粗集料。優質骨料體積穩定性好、用水量小，可減小混凝土的收縮變形。

1.2.2 入模溫度

降低混凝土的入模溫度應從降低混凝土出機口溫度、控制混凝土運輸途中的溫度等方面入手，具體措施有：在混凝土澆筑時間上要合理安排，大體積混凝土避開高溫季節和高溫時段；提高骨料的堆料高度，在骨料上方設置遮陽棚以及對骨料進行預冷，以降低混凝土骨料的溫度；采用加冰或加冰水拌和，以降低混凝土拌和物的出機溫度［5］；在混凝土運輸過程中，要注意對混凝土的封閉和隔熱，防止混凝土運輸過程中的溫度回升［6］。

1.2.3 冷卻水管

采用循環淡水做冷卻水。承臺設置2個容積連通的蓄水箱，一個作為供應冷卻進水用，另一個作為回收冷卻出水用，見圖1。冷卻出水在水箱自然冷卻一定時間并蓄滿時，由水泵抽取到供應蓄水箱里進行補水。可采用分水器將各層各套水管從水箱集中分出，分水器設置相應數量的獨立水閥以控制各套水管冷卻水流量；需設置一定數量的減壓閥以控制后期通水速率。

圖1 水箱連接示意圖

混凝土澆筑前確保進行不短于30 min的加壓通水試驗，查看水流量大小是否合適，發現管道漏水、阻水現象要及時修補至可正常工作。承臺混凝土通水要求見表1。

表1 承臺混凝土通水要求

待冷卻水管停止循環水冷卻并養生完成后，先用空壓機將水管內殘余水壓出并吹干冷卻水管，然后用壓漿機向水管壓注水泥漿，以封閉管路。

1.2.4 養護條件

混凝土養護包括濕度和溫度2個方面。結構表層混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取決于施工養護過程中的溫度和濕度養護，因為水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土強度和耐久性的微結構。為保證養護質量，對混凝土表面進行潮濕養護和溫度保護［7］。

養護時間根據溫度監測結果確定，混凝土內表溫差小于25 ℃且混凝土表面點溫度與日最低氣溫差小于20 ℃內方可拆模。

2 水化熱溫度監控實例

2.1 工程概況

康家河大橋主墩承臺為15.0m×10.5m×4.5m 長方體，體積為708.7m3。采用C30混凝土，配合比見表2，混凝土的最大絕熱溫升為37.1℃。采用一次性澆筑。冷卻水管布置共3層，入水口盡量布置在各層中心位置，具體布置見圖2。

表2 承臺混凝土配合比

圖2 康家河大橋承臺冷卻水管布置圖（單位：cm）

為防止承臺表面混凝土因失水造成的干縮裂縫，承臺模板側壁外包裹一層防風油布進行保溫保濕；上表面待混凝土初凝后先灑水再覆蓋一層塑料薄膜或土工布進行保濕，最后鋪設一層棉絮進行保溫養護。

2.2 測點布置

承臺混凝土溫度測點具體布置見圖3，共布置測點23個，其中承臺溫度測點20個，環境溫度測點1個，冷卻管進、出口溫度測點各1個。

圖3 承臺溫度測點布置圖（單位：cm）

2.3 溫度檢測及結果分析

在澆筑和養護期間對混凝土實時全天24h連續監量，測量時間間隔為1h。監測從澆筑開始持續了1周，直到內部最高溫度小于40 ℃，且最大內表溫差小于15 ℃。

圖4為下層橫橋向各測點隨時間的變化情況，圖5為下層順橋向各測點隨時間的變化情況，圖6為豎向各測點隨時間的變化情況。

圖4 下層橫橋向（5～8號測點）溫度曲線圖

圖5 下層順橋向（1～5號測點）溫度曲線圖

圖6 承臺豎向（10，5，9，15，19號測點）溫度曲線圖

由圖4～6可見：

（1）每條溫度變化曲線由急劇的升溫和緩慢的降溫2個階段組成，降溫速率遠低于升溫速率，溫度最終趨于穩定。

（2）表面測點（1號、8號）大約在1d后溫度達到最高峰，溫度升高了8～9 ℃。

（3）混凝土中心附近的溫度大約經過2d后達到峰值，此時溫度升高了大約20 ℃。

（4）越靠近中心點的溫度峰值越大，出現峰值的時間越長。

（5）表層的降溫速率最快，中心的降溫速率較慢，底層測點的降溫速率最慢。

3 結語

大體積混凝土的水化熱問題是施工過程中必須考慮和解決的重要問題。水化熱與混凝土的早期裂縫息息相關，并且直接影響結構的耐久性。對大體積混凝土進行溫度監控，及時掌握混凝土溫度變化情況，可以間接地反映大體積混凝土的溫度特征和變化規律，檢測結果可以為調整通水速率和養護條件提供依據。

［1］朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制［M］.北京：中國電力出版社，1998.

［2］李小祥，石雪飛，阮 欣，等.大跨徑連續剛構橋混凝土結合面收縮效應分析［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2007，33（1）：13－16.

［3］王鐵夢.工程結構裂縫控制［M］.北京：中國建筑工業出版社，1997.

［4］GB50496－2009大體積混凝土施工技術規范［S］.北京：中華計劃出版社，2009.

［5］候景鵬，熊 杰，袁 勇.大體積混凝土溫度控制與現場監測［J］.混凝土，2004（5）：56－58.

［6］李問兵.大體積混凝土的溫度裂縫及其控制技術探討［D］.成都：西南交通大學，2004.

［7］李 政.主墩承臺大體積混凝土施工溫度控制［J］.中南公路工程，2004（2）：125－127.