连续刚构桥承台水化热现场监测与温度控制

代迟书

（武汉市公路工程咨询监理公司 武汉 430051）

混凝土在硬化的过程中，水泥水化反应产生了大量的水化热。由于混凝土导热不良，体积过大，相对散热较小，混凝土内部水化热积聚不易散发，外部则散热较快。升温阶段，混凝土表面温度总是低于内部温度。依据热胀冷缩的原理，中心部分混凝土膨胀的速度要比表面混凝土快，中心部分与表面间形成相互约束，中心属于约束膨胀，不会开裂；表面属于约束收缩，当表面拉应力超过混凝土当前的极限抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝［1－2］。

随着水泥水化反应的减慢及混凝土的不断散热，大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段，温度降低，体积收缩。由于混凝土内部热量是通过表面向外散发，降温阶段，混凝土表面温度与中心温度仍然存在差值，如果过大，同升温阶段一样产生表面裂缝。降温过程，混凝土体积收缩，同时，考虑到边界条件和地基的约束，属于约束收缩。但此时，混凝土龄期增长，强度过大，弹性模量增高，因此降温收缩产生的拉应力较大，除了抵消升温时产生的压应力外，还在混凝土中形成了较高的拉应力，当超过混凝土当前的抗拉强度时，就引起混凝土的贯穿裂缝。

混凝土的抗拉能力非常小，按热膨胀系数为1×10－5／℃考虑，换算成温度梯度相当于7℃／m，当然这是完全约束条件下的结论［3］。为确保温度应力小于抗拉强度，避免温度裂缝产生，大体积混凝土结构在施工过程中的水化热监控是非常必要的。

1 温度监控的要求和方法

1.1 温度控制指标

为了使水化热监控规范化，我国规范《大体积混凝土施工规范》［4］规定：混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升不宜大于50℃；混凝土浇筑块的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不宜大于25 ℃；混凝土浇筑体的降温速率不宜大于2.0℃／d；混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20 ℃；混凝土入模温度不宜低于5 ℃，并控制在30 ℃以下。

1.2 温度控制措施

1.2.1 混凝土配制

（1）采用低水化热的胶凝材料体系。大体积混凝土配制采用适中水胶比，大掺量矿物掺合料（单掺粉煤灰或复掺粉煤灰和矿粉）的技术路线，尽量降低水泥用量。优选组分均匀、各项性能指标稳定的粉煤灰，注重需水量比、细度和烧失量等关键指标。

（2）选用优质聚羧酸类缓凝高性能减水剂。缓凝高性能聚羧酸减水剂，兼顾减水、引气和缓凝效果，可以延缓水化热的峰值并改善混凝土的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的。

（3）掺加优质引气剂。控制混凝土含气量在3%～4%，可改善混凝土和易性、均质性，提高混凝土变形性能和抗开裂能力。

（4）选用级配良好、低热膨胀系数、低吸水率的粗集料。优质骨料体积稳定性好、用水量小，可减小混凝土的收缩变形。

1.2.2 入模温度

降低混凝土的入模温度应从降低混凝土出机口温度、控制混凝土运输途中的温度等方面入手，具体措施有：在混凝土浇筑时间上要合理安排，大体积混凝土避开高温季节和高温时段；提高骨料的堆料高度，在骨料上方设置遮阳棚以及对骨料进行预冷，以降低混凝土骨料的温度；采用加冰或加冰水拌和，以降低混凝土拌和物的出机温度［5］；在混凝土运输过程中，要注意对混凝土的封闭和隔热，防止混凝土运输过程中的温度回升［6］。

1.2.3 冷却水管

采用循环淡水做冷却水。承台设置2个容积连通的蓄水箱，一个作为供应冷却进水用，另一个作为回收冷却出水用，见图1。冷却出水在水箱自然冷却一定时间并蓄满时，由水泵抽取到供应蓄水箱里进行补水。可采用分水器将各层各套水管从水箱集中分出，分水器设置相应数量的独立水阀以控制各套水管冷却水流量；需设置一定数量的减压阀以控制后期通水速率。

图1 水箱连接示意图

混凝土浇筑前确保进行不短于30 min的加压通水试验，查看水流量大小是否合适，发现管道漏水、阻水现象要及时修补至可正常工作。承台混凝土通水要求见表1。

表1 承台混凝土通水要求

待冷却水管停止循环水冷却并养生完成后，先用空压机将水管内残余水压出并吹干冷却水管，然后用压浆机向水管压注水泥浆，以封闭管路。

1.2.4 养护条件

混凝土养护包括湿度和温度2个方面。结构表层混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度养护，因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微结构。为保证养护质量，对混凝土表面进行潮湿养护和温度保护［7］。

养护时间根据温度监测结果确定，混凝土内表温差小于25 ℃且混凝土表面点温度与日最低气温差小于20 ℃内方可拆模。

2 水化热温度监控实例

2.1 工程概况

康家河大桥主墩承台为15.0m×10.5m×4.5m 长方体，体积为708.7m3。采用C30混凝土，配合比见表2，混凝土的最大绝热温升为37.1℃。采用一次性浇筑。冷却水管布置共3层，入水口尽量布置在各层中心位置，具体布置见图2。

表2 承台混凝土配合比

图2 康家河大桥承台冷却水管布置图（单位：cm）

为防止承台表面混凝土因失水造成的干缩裂缝，承台模板侧壁外包裹一层防风油布进行保温保湿；上表面待混凝土初凝后先洒水再覆盖一层塑料薄膜或土工布进行保湿，最后铺设一层棉絮进行保温养护。

2.2 测点布置

承台混凝土温度测点具体布置见图3，共布置测点23个，其中承台温度测点20个，环境温度测点1个，冷却管进、出口温度测点各1个。

图3 承台温度测点布置图（单位：cm）

2.3 温度检测及结果分析

在浇筑和养护期间对混凝土实时全天24h连续监量，测量时间间隔为1h。监测从浇筑开始持续了1周，直到内部最高温度小于40 ℃，且最大内表温差小于15 ℃。

图4为下层横桥向各测点随时间的变化情况，图5为下层顺桥向各测点随时间的变化情况，图6为竖向各测点随时间的变化情况。

图4 下层横桥向（5～8号测点）温度曲线图

图5 下层顺桥向（1～5号测点）温度曲线图

图6 承台竖向（10，5，9，15，19号测点）温度曲线图

由图4～6可见：

（1）每条温度变化曲线由急剧的升温和缓慢的降温2个阶段组成，降温速率远低于升温速率，温度最终趋于稳定。

（2）表面测点（1号、8号）大约在1d后温度达到最高峰，温度升高了8～9 ℃。

（3）混凝土中心附近的温度大约经过2d后达到峰值，此时温度升高了大约20 ℃。

（4）越靠近中心点的温度峰值越大，出现峰值的时间越长。

（5）表层的降温速率最快，中心的降温速率较慢，底层测点的降温速率最慢。

3 结语

大体积混凝土的水化热问题是施工过程中必须考虑和解决的重要问题。水化热与混凝土的早期裂缝息息相关，并且直接影响结构的耐久性。对大体积混凝土进行温度监控，及时掌握混凝土温度变化情况，可以间接地反映大体积混凝土的温度特征和变化规律，检测结果可以为调整通水速率和养护条件提供依据。

［1］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国电力出版社，1998.

［2］李小祥，石雪飞，阮 欣，等.大跨径连续刚构桥混凝土结合面收缩效应分析［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2007，33（1）：13－16.

［3］王铁梦.工程结构裂缝控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.

［4］GB50496－2009大体积混凝土施工技术规范［S］.北京：中华计划出版社，2009.

［5］候景鹏，熊 杰，袁 勇.大体积混凝土温度控制与现场监测［J］.混凝土，2004（5）：56－58.

［6］李问兵.大体积混凝土的温度裂缝及其控制技术探讨［D］.成都：西南交通大学，2004.

［7］李 政.主墩承台大体积混凝土施工温度控制［J］.中南公路工程，2004（2）：125－127.