公路大體積混凝土的溫度監(jiān)測及施工控制

姚利郎

（山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司，山西 太原 030012）

1 工程概況

晉蒙黃河大橋主橋采用（82.68 m+4×152 m+82.8 m）+（82.8 m+3×152 m+82.72 m）預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)組合體系，主墩承臺為整體式結(jié)構(gòu)，橫橋向長29.85 m，順橋向?qū)?8.6 m，高5 m，體積為2 776 m3，基礎(chǔ)為24根直徑2 m的摩擦樁。依據(jù)GB50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范，通過對11號主墩承臺混凝土澆筑、養(yǎng)護施工過程溫度進行監(jiān)測，根據(jù)溫度目標(biāo)，完善裂縫控制施工方案，制定溫差控制技術(shù)措施，確保施工質(zhì)量，并指導(dǎo)后續(xù)承臺施工。

2 溫度控制目標(biāo)

混凝土內(nèi)部最高溫度小于等于75℃，內(nèi)部與表面溫差小于等于25℃，表面與大氣溫差小于等于20℃；混凝土內(nèi)部溫度與冷卻水溫差小于等于30℃，冷卻水進出溫差小于等于10℃；混凝土降溫速率小于等于2℃/d[1]。

3 混凝土溫度控制措施

降低原材料溫度，控制混凝土出機溫度；優(yōu)化配合比設(shè)計，降低混凝土內(nèi)部水化熱絕熱溫升，延緩最高溫度出現(xiàn)時間；內(nèi)部布設(shè)冷卻水管，降低最高溫度；外部覆蓋保溫材料，控制表面溫度，延長溫度下降時間，降低降溫速率[2]。

3.1 原材料選擇

a）集料級配5～31.5 mm連續(xù)級配；

b）膠凝材料P.O42.5水泥+粉煤灰組合；

c）外加劑聚羧類高性能減水劑；

d）高溫天氣砂石材料入棚降溫；

e）高溫天拌合水加冰降溫。

3.2 配合比優(yōu)化

a）控制富裕強度，試驗齡期用56 d；

b）選擇優(yōu)質(zhì)Ⅰ級粉煤灰，加大粉煤灰對水泥替代量；

c）充分發(fā)揮減水劑效能，單方用水量下限控制；

d）采用最大振實密度，最小孔隙率優(yōu)化集料級配；

e）設(shè)計塌落度 160～200 mm，水膠比 0.44，生產(chǎn)攪拌時間不小于60 s；

f）C30 泵送混凝土配合比確定為 mc∶mf∶ms∶mg∶mw∶ma=230∶111∶791∶1 138∶150∶3.58.

3.3 冷卻水管埋設(shè)

a）水管采用φ50×2.5 mm鋼管；

b）每層冷卻管間間距1 m，左右幅分別布設(shè)，厚度方向距上下面各50 cm，中間間距1 m，共布設(shè)5層；

c）進出管口集中，便于通水控制，層間鋼管相互垂直設(shè)置，利于降溫均勻；

d）管道加水試壓，保證管路通暢；

e）混凝土覆蓋冷卻鋼管，即行通水，降低最高溫升，控制通水流量15～30 L/min，流速0.6 m/s，保證降溫效果；

f）調(diào)節(jié)進水溫度，控制與混凝土內(nèi)部溫差不大于30℃，減小混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力。

3.4 混凝土成型養(yǎng)護

a）終凝前二次抹壓收面，消除表面收縮裂縫；

b）表面蓄水隔熱10～30 cm，控制散熱；

c）夜間加設(shè)土工布覆蓋保溫，降低表層降溫速率；

d）延長帶模保溫養(yǎng)生，必要時模板外側(cè)加掛土工布保溫，控制混凝土內(nèi)外溫差；

e）最上層冷卻水管宜間斷通水，白天通，夜間停，減小承臺上層降溫速率波動。

4 熱工計算

配合比已知參數(shù) 水泥：天浩P.O42.5；比表面積 ：As：331 m2/kg；水化熱 Q3：240 kJ/kg，水化 熱 Q7：281 kJ/kg；混凝土密度ρ：2 370 kg/m3；粉煤灰摻量βf：32.5%；κ1粉煤灰對水化熱調(diào)整系數(shù)；標(biāo)準(zhǔn)抗壓強度：R2832.4 MPa，R5638.5 MPa;混凝土比熱容 c：取0.92～1.0 kJ/kg·℃；混凝土線膨脹系數(shù) α：1.0×105；混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λc：2.3 W/m·k；混凝土傳熱系數(shù)修正值 Kb：取 1.3～2.3。

4.1 水化熱計算[1]

天浩 P.O42.5水泥 Q0=4/(7/Q7-3/Q3)=4/(7/281-3/240)=322.3 kJ/kg；

膠凝材 Q=κ1×Q0=0.90×322.3=290 kJ/kg.

4.2 最大絕熱升溫值（Tr）計算[1]

T(t)=W×Q(1-е-mt)/C×ρ（水泥、澆注溫度相關(guān)系數(shù) m：0.3～0.5 d-1）。

計算得 3 d水化熱溫升T3=30.69℃，7 d水化熱溫升 T7=41.25℃，最大絕熱溫升Tr=（230+111）×290/0.95×237=43.9℃.

4.3 混凝土中心最高溫度（Tmax）[3]

Tmax=Tj+T(t)×ξ=23+43.9×0.7=53.7 ℃（Tj入模溫度，ξ與厚度、入模溫度相關(guān)系數(shù)，取0.6～0.72）。

4.4 蓄水隔熱保溫層厚度計算（δ）[3]

δ=0.5 hλ（Tb-Ta）Kb/λc（Tmax-Tb）=0.5×5×0.60×20×1.3/2.3×25=0.68 m，即68 cm。土工布導(dǎo)熱系數(shù)0.06 W/m·k；水的導(dǎo)熱系數(shù) λ：0.6 W/m·k，二者聯(lián)合使用，夜間可起到良好的保溫效果。

5 監(jiān)測結(jié)果匯總

表1 各層測點極值溫度匯總 ℃

表2 各層極值溫度差匯總 ℃

表3 各層混凝土斷面降溫速率匯總 ℃/d

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

大體積承臺在厚度方向（縱向剖面），按50 cm間隔分10個施工層，9個溫度監(jiān)測層設(shè)置，在第1、第5、第9層，橫向剖面在對稱長軸和短軸上等間距布設(shè) 5個測點，計 27點；在第 2、第 3、第 4、第 6、第7、第8層，橫向剖面在短軸中心和邊沿布設(shè)2個測點，計12點；在承臺上方100 cm處，布設(shè)1個環(huán)境溫度測點。

6.1 統(tǒng)計周期（7 d）內(nèi)各層混凝土

內(nèi)部最高溫度范圍41.5℃～52.7℃，第6層混凝土澆筑48 h后，第5檢測層測點內(nèi)部溫度達到最高值52.7℃；表面（距邊部5～10 cm）最高溫度范圍30.7℃～39.6℃，最高溫度同樣出現(xiàn)在第5檢測層；表面最低溫度范圍16.2℃～20.2℃，最低溫度出現(xiàn)在第9檢測層（承臺表面層），環(huán)境氣溫最低為10℃的時間段。混凝土內(nèi)部最高溫度52.7℃，滿足最高溫度控制要求。

6.2 最大溫差各層混凝土

中心與表面最大溫差范圍11.5℃～23.3℃，最大溫差出現(xiàn)在第6檢測層，滿足不大于25℃要求；表面與大氣環(huán)境最大溫差范圍12.5℃～18.6℃，最大溫差出現(xiàn)在第6檢測層，滿足不大于20℃控制要求。

6.3 降溫速率各層混凝土

內(nèi)部降溫速率范圍0.9℃/d～2.9℃/d，最大降溫速率2.9℃/d，出現(xiàn)在第9檢測層，即承臺表面層，超出2.0℃/d的控制目標(biāo)；表面降溫速率范圍1.4℃/d～3.3℃/d，最大降溫速率3.3℃/d，出現(xiàn)在第9檢測層，超出2.0℃/d的控制目標(biāo)；各斷面平均降溫速率范圍1.3℃/d～3.1℃/d，最大降溫速率3.1℃/d，出現(xiàn)在第9檢測層，超出2.0℃/d的控制目標(biāo)。混凝土表面層容易出現(xiàn)溫度應(yīng)力裂縫。

7 結(jié)論（施工控制建議）

a）承臺施工采用的配合比，冷卻降溫措施，可以滿足大體積混凝土施工規(guī)范的內(nèi)部最高溫度，內(nèi)部與表面溫差，表面與環(huán)境溫差等技術(shù)指標(biāo)要求。一般情況，環(huán)境氣溫不低于10℃時，承臺四周不需要對鋼模附加保溫。

b）混凝土表面與環(huán)境溫差，一般出現(xiàn)在混凝土澆筑后48 h時間段之內(nèi)，此時環(huán)境最低氣溫如果低于15℃，容易造成混凝土表面與環(huán)境溫差大于20℃，導(dǎo)致表面應(yīng)力裂縫風(fēng)險增大，應(yīng)對承臺四周帶模混凝土采取附加保溫措施。

c）該C30承臺混凝土的水化熱最大絕熱溫升43.9℃，容許混凝土入模溫度75℃-43.9℃=31.1℃，加上冷卻水及散熱對混凝土內(nèi)部最高溫升的折減，正常施工條件下，不需要對原材料采取特別降溫措施。

d）承臺大體積混凝土頂層的內(nèi)部降溫速率，表面降溫速率，平均降溫速率均大于控制目標(biāo)值2.0℃/d，達到控制值150%左右，說明表面保溫措施存在缺陷，上層冷卻水降溫控制需要進一步精細(xì)化。

e）大體積承臺混凝土表面保溫結(jié)合養(yǎng)生需要，建議采用30～50 cm蓄水隔熱，土工布夜間覆蓋保溫，上層冷卻水白天通水，夜間停水等綜合措施，有效降低混凝土表面降溫速率，減小溫度應(yīng)力裂縫風(fēng)險。

f）后續(xù)施工考慮控制的有效性和經(jīng)濟性，對承臺幾何對稱結(jié)構(gòu)，建議選擇短軸和對角線2個豎向半剖面，進行溫度測點布控。在短軸半剖面的橫截面中心、邊部各布設(shè)1個檢測點，在對角線豎剖面，距離混凝土頂面50～70 cm橫截面，離中心1/3處、角部各布設(shè)1個檢測點。測孔采用預(yù)埋φ50封底鋼管，內(nèi)灌20～30 cm清水介質(zhì)，頂部高出混凝土表面50 cm，軟木塞隔熱。測溫采用分辨率0.1℃數(shù)顯式溫度傳感器。

主要監(jiān)測中心測點最高溫度，內(nèi)外測點之間溫差，混凝土表面與環(huán)境溫差，混凝土頂面降溫速率。