斜拉橋承臺大體積混凝土水化熱及溫度控制

馬凡尹

(四川公路橋梁建設集團有限公司大橋工程分公司, 四川成都 610000)

大體積混凝土的裂縫控制問題是一項國際性的技術難題。大體積混凝土常常由于內外溫差過大產生的溫度應力，導致其表面開裂。為保證大體積混凝土施工質量，避免產生溫差裂縫，確保橋梁的使用壽命和安全，必須制定切實可行的溫度控制方案以確保施工質量[1-5]。本文結合鹽坪壩長江大橋南岸5#承臺的施工，提出了一系列的溫度控制措施，并結合Midas Civil對其的水化熱分析結果，進行了優化。

1 工程概況

鹽坪壩長江大橋主橋為主跨480 m雙塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋，采用“江魚”拱形混凝土橋塔，塔高181.5 m，跨徑布置為45+51+97+480+97+51+45=866m。大橋上跨北岸規劃濱江大道、南岸規劃麗雅大道；跨中橋面寬度40 m，邊跨橋寬最大約60 m。圖1為鹽坪壩長江大橋效果圖。

該橋南岸5#墩承臺為矩形，承臺順橋向長度25.6 m，橫橋向長度42.6 m，高度6 m，承臺四角為半徑2 m的圓弧倒角，總計澆筑C40混凝土6 600 m3。該承臺屬于大體積混凝土工程，體積超大，溫度控制難度極大，擬采用一系列溫度控制措施保證施工質量。

2 溫度控制指標

根據JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術規范》的相關規定，綜合參考其他相關規范及類似工程的施工經驗，該工程對混凝土入模溫度的控制為：大于等于5 ℃且小于等于28 ℃，混凝土在入模溫度基礎上實際溫升值不大于50 ℃，且內部最高溫度不應超過75 ℃，內表溫差控制在25 ℃以內。

3 溫度控制方案

大體積混凝土溫控是對混凝土質量的全面控制。為達到溫控標準的要求，采取了一系列溫控措施進行有效監控，落實到混凝土的質量控制，澆筑溫度的控制，混凝土拌和、運輸、澆筑、振搗到通水、養護及保溫每一施工環節[6-8]。

3.1 原材料選擇

根據最大限度降低混凝土水化熱量及釋放速度的原則，在混凝土的原材料選用方面，采取了以下措施：選用中低水化熱品種的水泥、降低水泥的用量、摻加I級粉煤灰、優選粗細骨料及摻入超緩凝型聚羧酸高性能減水劑、控制拌合水溫等措施，最終確定如表1的配合比。

表1 混凝土配合比 kg/m3

3.2 施工措施

3.2.1 分層澆筑

南岸5#墩承臺分成3 m+3 m兩次澆筑。每層澆筑時采用整體式水平分層連續澆筑，每層澆筑厚度控制在30～50 cm范圍。并在施工中，根據拌合站生產能力和現場泵送、澆筑能力，確定每層混凝土的最適宜澆筑層厚，以盡量縮短層間間隔時間，確保在下層混凝土能充分塑化之前完成上層混凝土的覆蓋澆筑完成。

3.2.2 布置冷卻水管

按照分2層的澆筑方案，采用Midas Civil 軟件的混凝土水化熱分析模塊進行無冷卻水管溫度應力場分析后，發現承臺第一澆筑層和第二澆筑層均在澆筑后2 d的時候結構內部的溫度達到最高溫(圖2和圖3)，并在2～7 d始終保持在54～56 ℃，而表面最低溫度保持在20 ℃，結構內表最大溫差達到了36 ℃，大于25 ℃，不滿足溫度控制指標的要求，需設置冷卻水管。

圖2 第一澆筑層澆筑后2d時溫度云圖

圖3 第二澆筑層澆筑后2d時溫度云圖

參照以往類似工程及實際施工經驗，在滿足溫度控制要求的前提下盡量少設冷卻水管數量，初步擬定每一澆筑層設置3層冷卻水管，水平及豎直間距均為100 cm。每根冷卻水管長度不超過200 m，冷卻水溫18 ℃，流量3.0 m3/h，擬定在混凝土澆筑后12 h開始通以冷卻水。采用Midas Civil 軟件對擬定的冷卻水管方案進行分析，混凝土內部最高溫度云圖如圖4和圖7，各層混凝土澆筑中心點、表面點溫度及應力時程曲線如圖5、圖8和圖6、圖9，各層混凝土內部最高溫度和最大內表溫差見表2。通過分析可以發現，添加三層冷卻水管，混凝土內部最高溫度降低了10 ℃左右，最大內表溫差為22.2 ℃，小于25 ℃，符合規范要求，該方案可行，同時也發現后期混凝土內部溫度下降速度過快，在施工過程中應根據溫度監測結果，降低冷卻水的速率或停止部分冷卻水管。

圖4 第一澆筑層冷卻水管下最高溫度云圖

圖5 第一層混凝土澆筑中心點、表面點溫度時程曲線

圖6 第一層混凝土澆筑中心點、表面點應力時程曲線

圖7 第二澆筑層冷卻水管下最高溫度云圖

圖8 第二層混凝土澆筑中心點、表面點溫度時程曲線

圖9 第二層混凝土澆筑中心點、表面點應力時程曲線

表2 各層混凝土內部最高溫度和最大內表溫差

3.3 養護措施

對于結構側面，拆模前，帶模養護，并覆蓋保溫層+防雨布，拆模后有條件回填的情況下盡快回填，不能及時回填的拆模后覆蓋塑料薄膜保濕，并覆蓋保溫層保溫，養護時間不小于14 d。對于分層面，鑿毛后覆蓋薄膜+保溫層，養護至上層澆筑為止。對于永久暴露的表面，邊收面邊覆蓋塑料薄膜，初凝后覆蓋保溫層，養護時間不小于14 d。

4 溫度監測

為檢驗施工質量和溫控效果，掌握溫控信息，以便及時調整和改進溫控措施，做到信息化施工，需對混凝土進行溫度監測。溫度檢測儀采用智能化數字多回路溫度巡檢儀，溫度傳感器為熱敏電阻傳感器。每層測點的布置如圖10。

圖10 溫度監控測點布置

5 施工效果

鹽坪壩長江大橋南岸5#承臺混凝土澆筑情況見表3，溫度監測于2018年1月28日8:00開始，截至2月28日12:00時，監測數據如表4所示。鑒于篇幅有限，僅圖示了第一層混凝土溫度特征值發展歷時曲線如圖11所示。

表3 南岸5#墩承臺混凝土澆筑情況

表4 南岸5#墩承臺混凝土溫度監控結果

由圖11和表4可以看出，內部最高溫度45.5～50.9 ℃，各層混凝土最高溫度符合小于等于60 ℃的溫控標準。混凝土內表溫差前期隨內部溫度增加而增加，后期隨表面溫度波動而波動，最大內表溫差為23.8～24.9 ℃，第一澆筑層最大內表溫差為23.8 ℃，第二澆筑層最大內表溫差為24 ℃，均符合小于等于25 ℃的溫控標準；溫峰過后通過調節冷卻水控制降溫速率約為0.3～1.4 ℃/d，均符合小于等于2.0 ℃/d的溫控標準。但混凝土溫度峰值的時間卻比數值模擬分析時延遲了近24 h，經分析后確定應屬于混凝土澆筑溫度較低和外加劑的緩凝成分兩種原因推遲了混凝土溫峰出現的時間，而外加劑的緩凝作用在數值模擬分析時無法考慮。

圖11 第一澆筑層溫度時程

6 結論

本文針對鹽坪壩長江大橋南岸5#墩承臺大體積混凝土水化熱問題提出了相應的溫度控制方案，并采用有限元軟件對溫度控制中冷卻水管的布置進行了理論分析，對比了采取溫控措施后混凝土內表溫度的變化，并在施工過程中進行了監控實測，以驗證方案的合理性。

最終施工成果表明，采用優選低中熱類硅酸鹽水泥、優化配合比、分層施工、布置冷卻水管及正確的養護措施的聯合溫控措施，并結合有限元軟件模擬實際施工情況，是能夠確保超大體積的混凝土施工結果合規的有效途徑。