大體積混凝土無冷卻水管施工的研究與應用

柏國勝 陳 勉

( 四川公路橋梁建設集團有限公司， 四川 成都 610071)

0 引言

雅康高速公路瀘定大渡河特大橋為主跨1100m的鋼桁梁懸索橋，主塔高188m，承臺采用棱臺型，其中雅安岸承臺底面尺寸 28.8m × 28.8m，頂面尺寸為16.2m(縱)×12.0m(橫)，承臺總高 9.0m，混凝土總用量14953.7m3;康定岸承臺底面尺寸為32.8m×32.8m，頂面尺寸為16.2m(縱) ×12.0m(橫)，承臺總高9.0m，混凝土總用量18652.5m3，為C40 大體積混凝土，設計通過布置冷卻水管，控制內部溫升來降低內外溫差，避免溫度應力過大造成大體積混凝土開裂，從而降低結構的功能性。 通過在大體積混凝土內布設冷卻水管雖能有效控制混凝土內部溫度，但需要設置大量的冷卻水管，其僅能控制混凝土溫度，不能給后期結構提供任何作用，為一次性裝置，不僅增加承臺施工工期而且造成大量的鋼材浪費。本文研究通過合理的混凝土配比設計，按2.25m 分層高度進行澆筑，同時加強混凝土過程控制和外部保溫措施，使內外溫差在可控范圍內，從而取消冷卻水管，避免鋼材浪費，達到工期與成本的節約。

圖1 承臺立面圖 Fig.1 Elevation of the main tower base slab

1 混凝土配合比及性能

主塔承臺混凝土設計強度等級為C40，原材料如下：

水泥：西南兆山P.O42.5 水泥；

圖2 水泥水化放熱曲線圖 Fig.2 Diagram of heat release of Cement Hydration

水化放熱量和水化放熱速率曲線的測定采用了美國TA 公司生產的TAM Air八通道水化微量熱儀（Isothermal Calorimetry）。該儀器測試溫度范圍為5～90℃，儀器的恒溫槽是以空氣作為冷卻介質的（測試溫度高于室溫時需通過調節室溫保持實驗溫度），儀器溫度可以保持高精確度（溫度波動小于±0.02 K，量熱誤差小于±20μW）和高穩定性（散熱良好的狀態下持續測試時間可達數星期）。測試結果表明，水泥3d 水化放熱量213.47KJ/kg，7d 水化放熱量267.26KJ/kg；

粉煤灰：F 類Ⅰ級灰；

外加劑：PCA-1 聚羧酸高性能減水劑（緩凝型）；

粗骨料：5-16mm、16-31.5mm 兩級配碎石；

細骨料：機制砂，MX=2.87；

拌合水：自來水。

混凝土配合比設計與力學性能見表1、表2。

表1 C40 混凝土配合比及力學性能 Table.1 proportions mix and mechanical properties of C40 concrete

表2 C40 混凝土劈裂抗拉強度參考值 Table.2 Reference value of C40 concrete splitting tensile strength

2 有限元計算分析

2.1 通冷卻水時計算結果

（1）溫度

主塔承臺內部最高溫度及最大內表溫差結果見表3，特征點溫度時程圖見圖3，3d 齡期溫度場分布見圖4。

表3 主塔承臺仿真計算結果 Table.3 Simulation results of main tower base slab

圖3 承臺中心溫度、表層溫度、內表溫差時程圖 Fig.3 Time chart of center temperature、surface temperature and temperature difference of surface inside of the main tower base slab

圖4 承臺各層混凝土第3d 溫度場分布圖（單位：℃） Fig.4 Map of the 3d temperature field of concrete in each layer of the main tower base slab

（2）應力

主塔承臺溫度應力計算結果見表4，特征點應力時程圖見圖5。

表4 主塔承臺仿真計算結果 Table.4 Simulation results of main tower base slab

圖5 承臺中心、表層應力時程圖 Fig.5 time chart of center and surface stress of the main tower base slab

2.2 不通冷卻水時計算結果

（1）溫度

主塔承臺內部最高溫度及最大內表溫差結果見表5，相應齡期溫度場分布及發展規律基本同通冷卻水條件，圖略。

表5 主塔承臺仿真計算結果 Table.5 Simulation results of main tower base slab

承臺第三層 62.4 20.3 3d 承臺第四層 60.9 20.0 3d

（2）應力結果

主塔承臺溫度應力計算結果見表6，相應齡期應力場分布及發展規律基本同通冷卻水條件，圖略。

表6 主塔承臺仿真計算結果 Table.6 Simulation results of main tower base slab

2.3 計算結果分析

承臺各澆筑層應力發展規律為：混凝土早期膨脹，3d 應力發展較快，集中于構件上表面及側面，為內表溫差引起的拉應力；混凝土后期收縮，7d 后有部分應力向構件內部轉移并逐漸發展至穩定水平。中后期于第一層系梁變截面處產生一定應力集中。

通冷卻水承臺內部最高溫度為55.0～57.0℃；最大內表溫差為16.9～18.0℃，混凝土最高溫度與最大內外溫差均出現第3 天；3d 最大溫度應力0.85～0.96Mpa，7d最大溫度應力0.72～1.00MPa，28d 最大溫度應力0.82～2.21MPa，3d、7d、28d 溫度應力均小于同齡期的劈裂抗拉強度（劈裂抗拉強度3d 為1.5MPa、7d 為2.8MPa、28d 為3.5MPa），有較高的安全系數。

不通冷卻水管承臺內部最高溫度（第一層60.1℃，第二層61.3℃，第三層62.4℃，第四層60.9℃）；最大內表溫差（第一層20.1℃，第二層19.9℃，第三層20.3℃，第四層20.0℃）；混凝土最高溫度與最大內外溫差均出現第3 天，均符合《大體積混凝土施工規范》（GB 50496-2009）“混凝土實際溫升不超過50℃”，“內表溫差小于25℃”的規定；3d 最大溫度應力（第一層1.03Mpa，第二層1.05Mpa，第三層1.06Mpa，第四層1.04Mpa），7d 最大溫度應力（第一層1.21Mpa，第二層0.93Mpa，第三層1.02Mpa，第四層0.85Mpa），28d 最大溫度應力（第一層2.45Mpa，第二層2.13Mpa，第三層1.72Mpa，第四層1.04Mpa），3d、7d、28d 溫度應力均小于同齡期的劈裂抗拉強度（劈裂抗拉強度3d 為1.5MPa、7d 為2.8MPa、28d 為3.5MPa），3d、7d、28d 最小安全系數均大于1.5，抗開裂能力較強，在不通水條件下，可滿足施工要求

2.4 溫控措施

控制入模溫度小于28℃：①加強水泥、砂石等原材料溫度控制：嚴格控制水泥溫度，使其不超過60℃；②控制骨料溫度28℃以內，粗細骨料堆場應搭設遮陽棚，堆高并從底層取料，當溫度超過28℃時，可抽大渡河水冷卻，但必須定期準確測試石料含水率，及時調整用水量，以控制水膠比不變；③利用大渡河水控制拌和水溫低于15℃；④加大混凝土的拌合量，縮短層間澆筑時間，避免熱交換導致溫升提高；⑤延長混凝土的凝結時間，初凝時間控制在21h 以上，承臺分層澆筑，每層澆筑時分50cm 澆筑一層，在澆筑過程中，應避免中午陽光直射，造成水分蒸發，表面形成硬殼，從而引起開裂與冷縫；應注意50cm 層表面保濕，定期噴灑水霧，但不能噴水過多，以免影響混凝土水膠比；⑥澆筑完成后，在混凝土初凝前應注意表面噴水霧保濕，凝結后應立即鑿毛處理，清理干凈后蓄水20cm 養護；⑦計算澆筑間隔期為7d，應注意避免澆筑間隔期過長引起承臺約束過大；⑧每層脫模時間不得早于3～4d，以避免脫模過早而保溫保濕養護不到位造成裂縫。

3 現場施工驗證

雅康高速瀘定大渡河特大橋首幅承臺按2.25m 分層，為避免仿真計算和現場實際出現較大偏差，發生內部溫度與內表溫差過大，導致承臺結構出現無法彌補的工程質量問題，所以首幅承臺在施工過程中按設計要求布設了冷卻水管，同時考慮對承臺全過程監控，實時了解溫度變化情況，在澆筑混凝土前在內部和外部相應位置布設了溫控原件，相關數據如下：

3.1 檢測數據成果

圖6 承臺混凝土各層內部中心溫度實測時程圖 Fig.6 time chart of the center temperature inside each layer of the main tower base slab

圖7 承臺混凝土各層內外溫差實測時程圖 Fig.7 time chart of temperature difference between the inside and outside of each layer of the main tower base slab

表7 承臺混凝土各層溫度檢測綜合成果一覽表 Table.7 List of comprehensive results of temperature detection in each layer of concrete in the the main tower base slab

3.2 檢測數據分析

（1）由斷面溫度過程線可知，承臺砼溫度變化都有一個先急劇升溫后緩慢降溫的特征，直到最后達準穩定階段。升溫階段一般只有2～3 天，升溫達到峰值后，高溫峰值時間較短，一般約6～8h。

（2）不通冷卻水的情況下，承臺各層斷面最大內表溫差在17.4～20.5 之間，均低于溫度設計要求的25℃，因此承臺不會出現溫度裂縫。

（3）從斷面溫度過程線圖可知，砼峰值出現后，砼降溫速率不盡相同，這與各層砼澆筑時層厚、澆筑溫度、氣溫和澆筑位置以及保溫保濕措施有關。

4 結語

通過雅康高速瀘定大渡河特大橋承臺大體積混凝土施工的數值模擬與現場溫度實測數據分析，明確了采用合理的配合比設計、分層澆筑厚度設計以及外部溫度控制措施能夠使大體積混凝在不采用冷卻水進行內部降溫的情況下實現內部溫升和內表溫差控制在規范及設計要求的范圍，其節約了因布設冷卻水管導致的工期延長和材料的浪費，從而降低施工成本。