大體積混凝土錨塞體水化熱溫度監控與分析

李之達, 黃勇哲, 蘭晴朋, 龔 磊, 鄧業逵, 羅 實

(1.武漢理工大學 交通學院,湖北 武漢 430063；2.中建三局第三建設工程有限責任公司，湖北 武漢 430074)

0 引 言

隨著我國生產力和人民生活水平不斷提高，我國橋梁建設也越來越往大跨徑方向發展，大體積混凝土在橋梁建設方面也運用的越來越多。如橋梁支墩承臺、懸索橋重力式錨碇和隧道錨錨碇等方面。大體積混凝土與普通鋼筋混泥土相比具有體積大、截面大、鋼筋比率小、性價比高等特點。混凝土中的水泥屬于膠凝材料，在與水拌合時會發生水化作用產生大量的水化熱，而混凝土本身又是導熱性較差的材料。在大體積混凝土中心部位的水化熱不易散發，累積在混凝土內部導致中心溫度越來越高，而表層混凝土本來累積的水化熱就比較小并且與空氣接觸容易散熱，最終導致中心溫度與表面溫度差越來越大。這種溫度差會使得混凝土表面產生拉應力，而混凝土在硬化的過程中彈性模量小，在拉應力作用下極容易產生裂縫。因此在澆筑大體積混凝土時除了控制混凝土的強度、剛度和耐腐蝕性等要求外還要注意控制混凝土的溫度發展。

一般的大體積混凝土都是露天澆筑，如橋梁承臺、房屋地基、水壩等，少有在半封閉條件下的。而懸索橋的隧道錨中的錨塞體澆筑是在土體中，除混凝土上表面能與隧道內的空氣交換熱量其余各面均與巖體或混凝土接觸無法與大氣交換熱量。本文就結合宜昌市伍家崗長江大橋北岸隧道錨中錨塞體溫控項目研究在半封閉條件下的大體積混凝土水化熱。

1 工程概況

伍家崗長江大橋位于宜昌長江公路大橋上游約6.1 km處，南起江南一路，并設置互通立交，線路跨越長江后，與伍臨路設置互通立交，向北與花溪路對接，主線全長2 813 m，其中橋長1 845 m。大橋北岸為隧道式錨碇，錨體軸線的傾斜角度為40°，錨塞體范圍為前小后大的楔形，前錨面尺寸為9.04 m×11.44 m，后錨面尺寸為16 m×20 m。上下游隧道錨中心距離37.50 m，最小凈距約23.42 m。

根據施工方案，左、右兩個錨塞體混凝土方量為16 494.92 m3。為防止錨塞體混凝土出現有害溫度裂縫，每個錨塞體水平分 12 層，除第 1 層高為6 m及第12層高為 4.554 m外，其他層高均為 3 m，如圖1所示。分層后，最大澆筑方量為第4層，約為1 025 m3。

圖1 錨塞體三維分層示意圖

2 參數選取

2.1 材料選擇與物理參數

施工現場的混凝土拌合材料的配合比(kg/m3)為：水泥∶粉煤灰∶砂∶碎石∶水∶合成纖維∶膨脹劑∶外加劑=245∶135∶800∶1 000∶170∶0.9∶35∶10.64。其進行有限元計算時的熱工參數見表1。

表1 有限元計算時的熱工參數

2.2 冷水管布置

第二層至第十一層單層澆筑厚度3 m，共計厚度30 m，單層布設2層冷卻水管，每層設置2個進水口2個出水口，下層冷卻水管距澆筑底面0.75 m，頂層冷卻水管距離澆筑頂面0.75 m，水平間距均為1 m。第一層澆筑厚度6 m，布設3層冷卻水管；第十二層澆筑厚度4.554 m，單層布設3層水管。根據工程實際取管冷參數，冷卻水入水溫度20 ℃，冷卻水流速為2.0 m3/h，水管直徑為32 mm。

3 錨塞體溫度場分析

根據錨塞體實際尺寸建立有限元模型，混凝土的入模溫度為20 ℃。選取有限元模型選取澆筑量最大的第四層來詳細分析錨塞體溫度場變化,如圖2～圖4所示。

圖2 第1d溫度場

圖3 第3d溫度場

圖4 第7d溫度場

提取錨塞體澆筑后的中心溫度與表面溫度，做出溫度隨齡期的變化曲線，并通過提取的溫度數據計算出里、表溫隨時間變化曲線，如圖5所示。

圖5 錨塞體溫度曲線變化圖

通過有限元模型計算得，混凝土中心溫度先快速上升到達溫峰，然后在冷卻水管的作用下中心溫度開始有規律的下降。中心溫最高溫度為51.5 ℃，溫峰時間出現在第60 h。里表溫差最大值為12.7 ℃。中心最高溫度與里表最大溫差均低于國家規范值[1]。

4 溫度監控與分析

4.1 溫度監控目的與意義

大體積混凝土在完成現場澆筑之后，由于自身特點(導熱性差、水化收縮、抗拉強度增加緩慢等)、外界因素(溫度變化、風速、濕度等)和現場的各種施工工藝及在環境因素的相互影響下，可能會直接使整體混凝土結構產生大量的基層表面裂縫、深層次的裂縫以及具有貫穿性的裂縫。為保證工程施工質量，在大體積混凝土澆筑之后，必須能夠得到并預測混凝土內部及表面溫度，以此分析整體應力分布規律。根據分析預測合理安排施工工藝，以及實施溫控措施，確保工程質量防止裂縫出現。

對混凝土進行溫控的主要目的就是使大體積混凝土內部的溫度場變化按照人們預想的溫控目標發展，具體表示為：

(1)控制混凝土中心最高溫度不超過規范要求。

(2)控制里表溫差，防止溫差過大在混凝土表面產生較大的拉應力。

(3)控制混凝土降溫速率，以防止溫度劇烈變化導致產生內應力。

4.2 傳感器的選擇與布置

本次伍家崗大橋大體積混凝土水化熱溫度監控采用由四川金馬科技有限公司生產的自動化綜合測試系統進行，元器件埋設后連接到系統，測試人員可遠程實時監測混凝土內部溫度變化情況，實現控制及時性，可大大提高工作效率。

傳感器根據設計文件及要求埋設，各測位布置混凝土內部中心點和表層溫度監測點，滿足最高溫度測試及里表溫差測試需求，另單獨布置測點對進出口水溫進行溫度監測。

第一層(厚度6 m)：共計布置3個測點，布置位置為澆筑面與隧道底板接觸面、澆筑層中心點、澆筑邊緣頂面。

第二至十一層(每層厚度3 m)：每層布置2個測點，布置位置為澆筑層中心點、澆筑邊緣頂面，共計布置20個測點。

第十二層(厚度4.554 m)：共計布置3個測點，布置位置為澆筑層中心點、澆筑面與隧道頂接觸面、澆筑層與空氣接觸面。

溫度傳感器須在混凝土澆筑之前布置。在錨塞體內部鋼筋綁扎完成之后，由專業人員根據設計方案在測溫點布置溫度傳感器。

4.3 實測結果與理論結果對比

錨塞體里表溫度的實測結果與計算結果，如圖6所示。

圖6 實測溫度與計算溫度對比

由圖6可得，有限元計算值中心溫度最高值為51.5℃，監測的中心最高溫度為53.4℃，中心最高溫度的計算值與實測值的相對誤差為3.6%，表面最高溫度的相對誤差為5.3%，相對誤差較小在允許范圍內。說明有限元計算能很好地預測工程上的溫度變化趨勢，并為之后的混凝土澆筑提供溫控指導。

5 結束語

本文基于宜昌市伍家崗長江大橋北側隧道錨為工程背景，采用工程實際與有限元計算相結合的方法研究隧道錨內錨塞體澆筑時溫度場，得到如下結論：

(1)通過分析錨塞體水化熱溫度場發現埋設冷管之后錨塞體最大溫度為51.5℃，里表最大溫差為12.8℃，證明冷管對錨塞體的溫控效果是非常有效的，錨塞體的中心最高溫度與里表最大溫差均在可控范圍內。

(2)對比分析計算數據與實測數據發現，理論值與實測值變化趨勢大致相同。雖然理論值與實測值的中心最高溫度、溫峰時間和曲線的光滑程度略有差異，但理論與實測中心最高溫度的誤差在10%內，說明數值模型比較符合工程實際。這樣數值模型可以提前預測錨塞體溫度場的發展，并為工程提供指導與建議。

(3)隧道錨內屬于半封閉環境，錨塞體澆筑時表面對流系數小，還有利于控制里表溫差，若在室外環境澆筑的混凝土里表溫差將會更大。