冬季承臺大體積混凝土分層澆筑溫控措施研究

金書成，徐文遠，黃云涌

（1.東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040；2.黑龍江大橋開發建設有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040）

橋梁承臺結構需要使用高強度等級混凝土澆筑，往往導致混凝土水化硬結過程中產生大量的水化熱，使內部混凝土溫度在最初的幾天顯著上升，達到最高溫度后才開始下降。混凝土是一種極為不良的導熱材料，任由內部熱量自然散發需要很長時間。對于大體積混凝土，如果依靠天然冷卻達到穩定溫度甚至需要幾十年。因此，大體積混凝土水化熱一直是人們研究的熱點，特別是冬季大體積混凝土施工中外部較低的溫度更加劇了混凝土內表溫差。為了減小內表溫差和基礎溫差，混凝土的澆筑溫度越低越有利，一般為5～10℃，但較低的澆筑溫度可能使混凝土表面的溫度迅速降至0 ℃以下，進而發生早期凍害。因此，冬季大體積混凝土須要解決的問題就是防凍和抗裂。現有的冬季大體積混凝土施工控制主要思路是對大體積混凝土溫度場進行分析預測，依靠分析結果制定有針對性的溫控方案，提出溫控標準，并對澆筑和養護過程進行監測，根據監測結果及時調整冷卻和養護措施，保證混凝土不發生表層凍害和有害的溫度裂縫。溫度控制的原則是：①控制混凝土澆筑溫度；②盡量降低混凝土內部最高溫度，并延緩最高溫度出現時間；③控制混凝土降溫速率；④降低混凝土內部和表面之間、新老混凝土之間的溫差，并控制混凝土表面和施工環境的溫差。根據現有研究結果可知，大體積混凝土內部溫度是非線性分布的，只有科學預測混凝土的溫度場分布形式才能有針對性地制定溫控方案。同時，必須根據溫度場監測結果隨時調整優化溫控措施，才能有效防止溫度裂縫的產生以及表層混凝土發生凍害［1］。

目前，黑河公路大橋已進入建設尾聲，俄方正式提出建設黑河至布拉戈維申斯克鐵路大橋的建議，研究黑河這一高寒地區冬季大體積混凝土施工對未來鐵路大橋的建設具有重要意義。為此，本文以黑河大橋冬季承臺混凝土施工為背景，通過模擬低溫環境下承臺混凝土澆筑過程，分析混凝土溫度場和應力場，提出溫控標準和溫控措施，并根據現場溫度場監測結果驗證數值分析結論，獲得施工過程中科學準確的溫度場變化規律，通過及時調整溫控方案，保證大體積混凝土澆筑質量。

1 承臺混凝土澆筑過程仿真計算

黑河大橋承臺平面見圖1。承臺混凝土高4.5 m，長27.4 m，寬21.7 m，混凝土方量2 675.6 m3。承臺分2層澆筑，分層高度為2.25 m。

承臺混凝土配合比、劈裂抗拉強度以及熱學參數分別見表1—表3。

計算時考慮徐變對混凝土應力的影響，混凝土的徐變度取值按經驗數值模型計算［2］，即

式中：t為待求齡期；τ為加載齡期；C1＝0.23/E2，C2＝0.52/E2，E2為最終彈性模量。

根據結構對稱性，取承臺1/4 進行溫度應力計算，計算模型網格剖分見圖2。承臺混凝土受封底C30 混凝土約束，計算時基礎彈性模量取3.5×104MPa。承臺2層混凝土澆注時間間隔7 d，根據前期熱工計算暫定混凝土澆筑溫度為15 ℃，側面鋼模板等效保溫系數為 1 841 kJ/（m2·d·℃），混凝土表面散熱系數為3 642 kJ/（m2·d·℃），混凝土導熱系數估算為268 kJ/（m·d·℃）。參考氣候資料，風速取2 倍的平均風速，即按6 m/s 計算［3-4］。分析時考慮冷卻水管降溫效果，每層混凝土按照1 m管間距布置φ32 mm的冷卻水管，冷卻水進口溫度為15 ℃，通水流量為30 L/min。溫度及應力計算從澆筑開始，模擬之后1年內的溫度應力發展趨勢。

圖1 大橋承臺平面（單位：cm）

表1 承臺混凝土配合比 kg·m-3

表2 不同齡期劈裂抗拉強度 MPa

表3 熱力學參數

圖2 承臺網格剖分

承臺最高溫度包絡圖見圖3，不同齡期承臺混凝土溫度應力見表4。

由圖3可知：承臺下層混凝土內部最高溫度為48.9 ℃，上層內部最高溫度為50.1 ℃，溫度峰值出現時間為2～3 d 齡期；溫度峰值時混凝土內部溫度較高，特別是中心區域散熱慢，應加強通水，同時還應注意表面保溫。由表4可知，該承臺混凝土溫度應力發展的趨勢是早期上升速度較快，后期應力發展趨緩，承臺的早期安全系數偏低。承臺可能出現裂縫的位置包括下層混凝土與封底混凝土的接觸位置以及上下2層混凝土的中部。

結合工程實際施工環境，建議從以下幾個方面控制混凝土溫度：①控制混凝土澆筑溫度，采用蓄熱能法加熱混凝土拌和水，使混凝土澆筑溫度在12 ℃左右，考慮上層混凝土澆筑時正值中午，可以適當降低澆筑溫度。②控制降溫速率，加快澆筑速度，縮短澆筑時間，澆筑后加強中心區混凝土通水降溫，在上層混凝土澆筑開始前對下層混凝土進行二次通水降溫。③降低下層混凝土與封底混凝土之間、混凝土中心和表面之間、上下2 層混凝土之間的溫差。下層混凝土澆筑前對封底混凝土上表面進行預熱，在上層混凝土澆筑前對下層混凝土上表面進行預熱，使其表層溫度均達到5 ℃。

根據以上分析，本工程的溫控標準為：承臺內部最高溫度小于等于50 ℃；混凝土最大內表溫差小于等于20 ℃；養護過程中，混凝土表面養護水溫度與混凝土表面溫度差小于等于15 ℃；溫差峰值過后混凝土緩慢降溫，通過保溫控制最大降溫速率小于等于3.0 ℃/d；冷卻水進口溫度取15 ℃，升溫時段通水流量控制在45 L/min以上，降溫時段通水流量控制在30 L/min左右［5-7］。

圖3 承臺最高溫度包絡圖（單位：℃）

表4 不同齡期承臺混凝土溫度應力

2 現場溫度監測結果分析

本工程溫度監測采用PN 結溫度傳感器，溫度檢測采用現場定時自動測溫記錄儀。根據結構的對稱性和溫度變化的一般規律，在承臺長邊方向中心軸布設2 層共14 個測點，由外向內測點間距依次為45，100，200，300，400，320 cm，見圖4。

圖4 承臺溫度測點布置（單位：cm）

以最外側測點溫度為表面溫度，各測點平均溫度為斷面平均溫度，內部測點最高溫度與表面溫度的差值為內表溫差。斷面平均溫度與表面溫度時程曲線見圖5。

圖5 斷面平均溫度與表面溫度時程曲線

由圖5可知，承臺混凝土下層至上層測點區斷面平均溫度隨時間的變化規律基本一致，其溫度變化曲線可以看作快速升溫、強制降溫和自然降溫至穩態3個階段。第1 階段是升溫段，由于水化放熱會使溫度持續升高，在 48～60 h 接近峰值，再持續 12～24 h 后溫度開始下降。第2 階段是強制降溫段，在冷卻水管的持續作用下，混凝土溫度快速下降，這段時間混凝土降溫速率約為2.0 ℃/d。第3階段是自然降溫段，曲線平緩下降趨向水平，表明該時間段混凝土降溫平緩，趨于穩定狀態。此外，受上層混凝土放熱影響，上層混凝土澆筑后，下層混凝土溫度的下降速度明顯減緩。同時，因上層混凝土養護后期氣溫持續較高，其溫度下降趨勢更加平緩。

根據監測的混凝土內部測點最高溫度與表面溫度的差值，得到混凝土內表溫差時程曲線，見圖6。可見，2 層承臺混凝土內表溫差隨時間變化規律前期相似，均呈現出初期內表溫差較小而后快速增大的趨勢，在72 h 左右達到溫差峰值，這是因為混凝土澆筑時外部氣溫均較高，且澆筑開始即通冷卻水。在達到溫差峰值后，下層混凝土因為停止通水而上層混凝土開始澆筑，內表溫差在240 h 左右出現第2 個峰值，再次通水后，其內表溫差又呈下降趨勢。上層混凝土因保溫養護和持續通水冷卻，受外界氣溫影響很小，內表溫差變化不大。

匯總實際監測得到的承臺混凝土溫度數據，得到表5。可見，與數值分析得到的混凝土溫度峰值出現時間為2～3 d 齡期相比，實際監測到的溫度峰值出現時間相對較晚。從測溫結果來看，2 層混凝土的最高溫度、內表溫差以及降溫速率均滿足數值分析確定的溫控標準。

圖6 內表溫差時程曲線

表5 承臺混凝土溫度監測數據

3 結論與建議

1）以蓄熱能法適當提高混凝土澆筑溫度，并對澆筑層與基礎的接觸面、新老混凝土的接觸面進行預熱處理，可以有效防止表層混凝土溫度下降過快和凍害發生。在實際施工中，還應結合氣溫變化設定不同混凝土澆筑層的澆筑溫度。

2）對于早期升溫迅速的大體積混凝土應加大早期通水流量，適當降低通水溫度，增強混凝土升溫期的降溫效果。在上層混凝土澆筑后及時對下層混凝土進行二次通水冷卻，防止其因散熱條件變差和疊加上層混凝土水化熱出現過大的二次內表溫差峰值。

3）注重表層混凝土的溫度和濕度養護，根據氣溫和混凝土水化熱發展階段靈活采用保溫和散熱措施。特別是在降溫階段要加強表面保溫覆蓋，防止表層混凝土溫度受氣溫影響過大。同時，要避免表層混凝土暴露在大風環境中，避免在混凝土內部溫度較高時拆模，有效控制表層混凝土降溫速率。