橋體承臺大體積混凝土溫度裂縫的控制

摘要：在橋梁承臺的大體積混凝土施工中，極易出現(xiàn)混凝土水化熱的溫度裂縫，熟悉其形成的原理和方法，使用合適的混凝土澆筑方案有利于橋梁的順利完工。本文對橋梁承臺大體積混凝土施工溫度裂縫的控制措施進(jìn)行研究，說明了混凝土水化熱的分析原理及方法，分析對比了多種不同的混凝土澆筑方案，以求得出更好地的施工方案，期望能給人們可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：橋梁承臺；大體積混凝土；溫度裂縫；控制

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，城市的基礎(chǔ)交通建設(shè)得到了很好的發(fā)展，大跨度、功能復(fù)雜的橋梁建設(shè)項(xiàng)目越來越多，這樣直接導(dǎo)致了大體積的混凝土澆筑工程數(shù)量上升。但是如果沒有對大體積的混凝土澆筑后的溫度進(jìn)行控制的話，就會產(chǎn)生溫度裂縫，對橋梁的施工質(zhì)量和安全性造成了極大的影響，如何控制混凝土溫度裂縫已成為了人們需要解決的問題。下面就此進(jìn)行討論分析。

1混凝土水化熱的分析原理及方法

大體積混凝土水化熱溫度場是有內(nèi)熱源的瞬態(tài)溫度場，在連續(xù)均勻、各向同性的介質(zhì)中，混凝土瞬態(tài)溫度場導(dǎo)熱方程為：

式中：λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；τ為混凝土的齡期；T為τ時(shí)坐標(biāo)（x，y，z）處的瞬時(shí)溫度；q為單位質(zhì)量水泥在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量；c為混凝土的比熱容；ρ為混凝土的密度。

混凝土的絕熱溫升是指混凝土由于膠凝材料的水化放熱，使得溫度逐步上升并最終達(dá)到穩(wěn)定的過程，因此絕熱溫升的速率與最終溫升值是反映混凝土絕熱溫升過程的主要參數(shù)。在絕熱條件下，混凝土導(dǎo)熱方程可以簡化為：

可見在給定水泥的水化放熱規(guī)律后，混凝土的絕熱溫升可由積分得出。

混凝土絕熱溫升數(shù)學(xué)模型的建立通常是先假設(shè)一些帶參數(shù)的函數(shù)表達(dá)式，然后依據(jù)一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用最小二乘法或其它數(shù)學(xué)方法確定參數(shù)的取值，擬合出一條優(yōu)化曲線來表達(dá)混凝土絕熱溫升過程。在齡期τ時(shí)，單位質(zhì)量水泥累計(jì)水化熱Qτ常用指數(shù)模型表達(dá)：

式中：Q0為單位質(zhì)量水泥最終水化熱；m為水化系數(shù)，隨水泥品種、比表面積及澆筑入模溫度不同而不同，m的取值具體見文獻(xiàn)。

考慮混合材影響，單位體積混凝土在單位時(shí)間內(nèi)放出的熱量q'可由下式求得：

式中：W為單位體積混凝土的水泥用量；F為混合材用量；k為不同膠凝材料摻量時(shí)的水化熱調(diào)整系數(shù)，根據(jù)大體積混凝土施工規(guī)范建議，k=k1+k2-1，k1為粉煤灰摻量對應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)，k2為礦渣粉摻量對應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)。

由式（2）～（4）可得單位體積混凝土絕熱溫升計(jì)算公式：

于是，以水化熱放熱反應(yīng)時(shí)間τ為自變量的放熱函數(shù)為：

通過求解放熱函數(shù)得到任意時(shí)刻溫度場，再將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體荷載施加到結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)上，給予模型適當(dāng)?shù)倪吔缂s束進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，即可得到應(yīng)力場。

2承臺工程實(shí)例及混凝土澆筑方案

某大型橋梁采用鉆孔灌注樁群樁基礎(chǔ)，承臺采用C30混凝土，厚3.5m，平面尺寸9.42m×10.5m，承臺頂設(shè)置1.75m×1m的倒角，承臺底設(shè)置80cm厚C20封底混凝土。

本承臺在混凝土中摻入了粉煤灰，其配合比為：水泥∶砂∶碎石∶水∶外加劑∶粉煤灰=344∶735∶1102∶172∶5.1∶47。

根據(jù)水泥生產(chǎn)商提供的資料3d累積水化熱為383kJ/kg，7d累積水化熱為478kJ/kg。將這2組數(shù)據(jù)代入式（3），利用牛頓迭代法可求得Q0=493kJ/kg，m=0.50。

粉煤灰摻量為12%，公式可知k=0.958。

混凝土密度ρ=344+735+1102+172+5.1+47=2405kg/m3，單位體積混凝土的水泥用量W=344kg/m3，混合材用量F=47kg/m3，混凝土比熱容c=0.96kJ/（kg·℃）。將各項(xiàng)參數(shù)代入式（5）求得單位體積混凝土最大絕熱溫升值為：T（∞）=0.958×（344+47）×493/（0.96×2405）=80℃。

承臺混凝土擬采用如下3種澆筑方案，對比分析后擇優(yōu)選用：

（1）方案1：不設(shè)置冷卻水管，混凝土一次性澆筑。

（2）方案2：設(shè)置層間距1.5m的雙層冷卻水管，如圖1（b）所示。冷卻水管壁厚2mm，內(nèi)徑50mm，通河水冷卻，布置2層，距承臺上下面均為1m，2層水管間距1.5m。層內(nèi)冷卻水管的間距為0.9m，迂回布置，距外邊緣約0.75m。

（3）方案3：設(shè)置層間距1.25m的雙層冷卻水管，如圖1（c）所示。此方案將方案2中的上層水管整體下降0.25m，水管距承臺上下面各為1.25m和1m，水管規(guī)格同方案2。

在混凝土澆筑到各層冷卻水管標(biāo)高后即開始通水，通水流量控制在16～20L/min。冷卻水管在停止通水后及時(shí)灌漿封孔，并將伸出混凝土頂面的管道截除。混凝土終凝后在表面灑水養(yǎng)護(hù)，同時(shí)覆蓋土工布或覆蓋塑料薄膜保溫保濕。

圖1 承臺尺寸及冷卻水管布置方案（單位：cm）

3不同方案下混凝土溫度場與應(yīng)力場對比

利用有限元分析軟件Midas對承臺水化熱進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)對稱性，取1/4承臺結(jié)構(gòu)建立模型，考慮到樁基及封底混凝土可提供較強(qiáng)的約束，承臺底部取固定邊界；混凝土入倉溫度20℃，外界環(huán)境溫度29℃；混凝土表面與大氣的對流系數(shù)取為50.2kJ/m2·h·℃。

3.1溫度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果對比

針對3種方案，計(jì)算得到的承臺混凝土的溫度及表面的最大主拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，隨時(shí)間發(fā)展的曲線見圖2～圖7。

根據(jù)大體積混凝土施工規(guī)范的規(guī)定：“混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升值不宜大于50℃；混凝土澆筑體的里表溫差（不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度）不宜大于25℃”。

方案1澆筑120h后混凝土內(nèi)部溫度最高達(dá)到89℃，比入模溫度高出69℃，且混凝土表里溫差最高達(dá)到56℃，超出規(guī)范限值。在澆筑完成后120h左右表面主拉應(yīng)力達(dá)到1.27MPa，易產(chǎn)生早期混凝土裂縫。

方案2澆筑72h后混凝土內(nèi)部溫度最高達(dá)到70℃，比入模溫度高出50℃，混凝土表里溫差最高達(dá)到27℃，略超出規(guī)范限值，混凝土表面主拉應(yīng)力最高0.67MPa。相比較方案1，溫度和應(yīng)力峰值都有大幅度降低，說明了冷卻水管在降低大體積混凝土水化熱不利影響方面的效果顯著。方案3在方案2基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整了水管的布置位置，將層間距由1.5m減小到1.25m，計(jì)算得到各峰值進(jìn)一步降低，均能滿足規(guī)范要求，但均臨近限值，說明對于此工程水管層間距1.25m已臨近最大值。

3.2溫度場及應(yīng)力場對比

圖8和圖9顯示了在不設(shè)置冷卻水管情況下的最大溫度場以及混凝土表面主拉應(yīng)力最大時(shí)的應(yīng)力場分布。可見，溫度從內(nèi)到外逐漸遞減，里表溫差大，從而導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生較大的主拉應(yīng)力。

由前述對3種方案的對比分析可知方案3最優(yōu)。圖10和圖11分別為方案3最大溫度場以及混凝土表面主拉應(yīng)力最大時(shí)的應(yīng)力場分布，可見，2層冷卻水管把承臺混凝土的溫度分布隔成從上到下的3塊區(qū)域，各區(qū)域溫度峰值相比方案1大大降低。由方案1的主應(yīng)力場（圖9）和方案3的主應(yīng)力場（圖11）可知在混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大時(shí)，整個(gè)混凝土表面幾乎全處于受拉狀態(tài)，且面上主拉應(yīng)力普遍大于棱角處主拉應(yīng)力，分析圖8及圖10的溫度場發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)部最高溫度有一定的區(qū)域，且在邊緣處呈弧形分布，高溫區(qū)域的邊緣到面的距離小于到棱角處的距離，所以高溫區(qū)域的邊緣到面之間的溫度變化更劇烈，相應(yīng)的主拉應(yīng)力更大。

4結(jié)論

通過對橋梁承臺大體積混凝土多種施工方案的水化熱仿真分析，有如下結(jié)論：

（1）承臺大體積混凝土在澆筑4～5d后溫度達(dá)到最高，其后逐漸降低，應(yīng)力變化與溫度變化基本同步，內(nèi)部受壓，外部受拉。在混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大時(shí)，整個(gè)混凝土表面基本處于受拉狀態(tài)，且面上的主拉應(yīng)力普遍大于棱角處的主拉應(yīng)力。

（2）布置冷卻水管可使混凝土最高溫度到達(dá)時(shí)間縮短至2～3d，冷卻水管的連續(xù)通水時(shí)間控制在3～4d為宜。

（3）當(dāng)采用普通硅酸鹽水泥混凝土且使用常規(guī)尺寸（內(nèi)徑50mm）的冷卻水管時(shí)，層間距一般不宜超過1.25m，否則溫升容易超出大體積混凝土施工規(guī)范的限值。

5 結(jié)語

由上文我們可以看出，橋梁承臺的大體積混凝土在施工完成后由于水化熱會形成溫度差，極易使橋體發(fā)生裂縫的現(xiàn)象，不僅會破壞混凝土的穩(wěn)定性，還會影響整個(gè)工程的質(zhì)量。我們?yōu)榱吮ＷC橋梁的施工質(zhì)量和安全性，就要采取科學(xué)合理的施工方案，結(jié)合有效的方發(fā)來防治混凝土裂縫問題。

參考文獻(xiàn)

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