斜拉桥下塔柱大体积混凝土温控研究

白 勇，张灿丽

（洛阳市公路管理局，河南 洛阳 471000）

0 前言

对大体积混凝土若不采取温控措施，由于日照影响混凝土的浇筑温度一般都要比同日气温高3℃～5℃；随后混凝土的内部温度还会由于水泥的水化放热作用升高10℃～20℃，甚至高达40℃以上。此外，混凝土是热的不良导体，自然冷却速度十分缓慢，延续时间需要几年甚至十几年，这对大体积混凝土是十分不利的[1,2]。

大量的研究表明[3～5]：工程结构中大量的裂缝都是由于温度、收缩和不均匀变形引起的，只有少量的裂缝源于荷载。大体积混凝土由于散热困难，浇筑完毕后的几天内其内部温度上升很快，导致混凝土内部和表面产生较大的温差，温度应力容易使混凝土产生表面裂缝甚至深层贯穿裂缝，严重影响工程质量，威胁其安全性和耐久性。此外，由于大体积混凝土内外温差受到环境因素的极大影响，尤其是冬季施工期间，突然的外界降温使混凝土内外温差加剧，这种情况往往是混凝土裂缝产生的催化剂。

1 工程概况

福州至银川高速公路九江长江公路大桥为双塔不等跨混合梁斜拉桥，下塔柱实心段属大体积混凝土结构，其结构布置如图1所示。其实景见图2所示。

图1 下塔柱结构图（单位：cm）

图2 下塔柱结构实景

大体积混凝土浇筑后将产生较高的水化热温升，形成不均匀非稳定温度场，产生非均匀的温度变形，温度变形在下部结构、边界和自身的约束之下将产生较大的温度应力，温度应力往往超过混凝土的抗拉强度，容易导致混凝土开裂。

为防止温度裂缝，保证工程质量，必须开展温度控制研究，并采取合理的温度控制措施。温度控制的标准和温控措施的制订则需要依据温控计算与温控设计。同时，为检验温控标准和温控效果并便于调整温控措施，还需进行温控监测，做出温控监测设计。由于下塔柱施工处在冬季，环境温度处于一年中的最低时段，这对大体积混凝土的温控是最不利的，更容易产生较高的内外温差而导致混凝土开裂。斜拉桥的下塔柱往往整体高于地表，空气流动更容易使混凝土表面温度较快下降，尤其是冬季季节里出现极端天气时，其温控要求更严。

2 大体积混凝土内外温差

大体积混凝土初始时期的内部温度是一个显著的动态变化过程，其内外温差可以表达为：

式中：T（t）——混凝土浇筑温度；

T0——水化热的绝热温升值；

Ts（t）——混凝土散热温降值；

Tα（t）——外界温度；

ξ——温降系数。

在绝热情况下，混凝土温度将持续上升，其温度变化为：

其中，W为单位体积水泥含量；q为单位重量水泥水化热；c为比热；ρ为混凝土容重。

散热温降取决于混凝土内部散发的热量，散发热量的大小又与周围温差密切关联。

为降低大体积混凝土由于水化热导致的混凝土开裂，温控研究的出发点就是要降低内外温差△T（t）。

温度场的求解有理论法、差分法和有限元法等多种方法，本文应用有限元法求解大体积混凝土温度场微分方程。

3 温控标准与措施

3.1 温控标准

3.1.1 混凝土内部允许最高温度

混凝土内部最高温度是指混凝土浇筑块内部最高温度的允许值，该值定为60℃。

3.1.2 浇筑温度

混凝土入仓并经过平仓振捣后，在上层混凝土覆盖前距混凝土表面10～15 cm处的温度为浇筑温度。控制浇筑温度对降低混凝土内部最高温度具有重要意义。应控制混凝土浇筑温度不大于T+4℃（T为浇筑期旬平均气温），炎热季节施工时浇筑温度不得大于32℃。

3.1.3 内外温差

混凝土块体内部平均温度与表面温度之差为内外温差。为防止混凝土内外温差过大引起表面裂缝，施工中需控制混凝土内外温差小于25℃。

3.1.4 保温标准

混凝土表面裂缝多发生在浇筑的初期，而初期的气温骤降是引起表面裂缝的主要外因。当平均气温在2～3 d内连续下降6℃～9℃时，未满28 d龄期的混凝土暴露表面可能产生裂缝。因此应采取的保温标准为2～3 d内连续下降小于6℃～9℃。

3.1.5 降温速率

控制降温速率可使混凝土内部温度应力得到及时释放，对减少温度裂缝具有重要意义。混凝土降温速率应控制在不大于3℃／d。

3.2 温控措施

（1）在满足混凝土设计强度的前提下，尽量优化配合比，减少水泥用量，确保水化热绝热温升不超过规定的温控标准。

（2）采用双掺技术，掺用30%以上的优质粉煤灰，采用缓解水化热效果好的外加剂，降低混凝土的水化热温升。

（3）改善骨料级配：在现场条件许可和保证质量的前提下，可选择较大粒径的骨料及减少砂率。

（4）调整施工时间：应尽量选择气温较低的日子施工，同时尽量安排每一浇筑层的中下部混凝土在夜间和早上浇筑，表面在白天浇筑。

（5）降低入仓温度，使混凝土的浇筑温度小于浇筑期的旬平均气温+4℃，且不大于32℃。

a.水泥提前入罐，让其自然冷却，确保拌和前的水泥温度不高于70℃。

b.当气温较高时,采用搭凉棚，堆高骨料、底层取料和用凉水喷淋骨料等方法降低骨料温度。

c.当气温较高时，用冰水拌合混凝土。

d.加快运输和入仓速度，减少混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升。当白天气温较高时，在混凝土输送管上覆盖保温布，并洒水降温，夜间必须再揭开保温布散热。

（6）采用冷却水管[6～8]。

a.冷却水管的水平间距和上下层基本间距1 m，水管间的间距误差不得超过±5 cm。

b.单根水管长度以小于150 m为宜。

c.水管内通水流量为不小于25 L/min，冷却水的进水口水温以不大于20℃为宜。

d.冷却通水从水管被混凝土覆盖后开始，覆盖一层通水冷却一层，通水时间不小于14 d，具体结束时间应根据视混凝土温升、温降情况而定。

e.冷却水管应采用导热性能好的金属管，管内径大于30 mm,水管安装应保证质量，安装后应通水检查，防止管道漏水或阻塞。

f.应确保通水期间的水源和流量，中途不得发生停水事故。

（7）合理分层、分块浇筑。

（8）分层浇筑时，应控制混凝土层间的浇筑间歇期，间歇期以小于15 d为宜。

（9）表面保温与养护，采用保温材料（土工布或塑料薄膜加草袋）继续保温达8 d，拆模时间应在7 d龄期之后。混凝土侧面应加强养护，使其始终保持湿润状态。

（10）为检验施工质量和温控效果，及时掌握温控信息，以便及时调整和改进温控措施，应进行温度控制监测，及时掌握内外温差则可以及时调整保护层厚度。大体积混凝土的温度应力和防裂问题是一个十分复杂的问题，外界温度和湿度、施工条件、温控程序、原材料变化等都会引起温度应力的变化，只有通过温控监测，才能更准确地了解结构的质量与抗裂安全状况。

4 温控分析

温控计算采用MIDAS2006有限元设计、分析软件进行建模计算。该计算能够模拟混凝土实际施工过程，不仅考虑了混凝土的浇筑温度、养护、保温和混凝土的边界条件，而且考虑了混凝土的弹性模量、徐变、自生体积变形、水化热的散发规律等物理热学性能。

4.1 计算依据及参数确定

混凝土浇筑后的温度与水泥的水化热温升、混凝土的浇筑温度和浇筑进度、外界气温、表面保护等多种因素有关。环境平均温度：10℃；混凝土：C50；泊松比：u=1/6；密度：ρ=2 438 kg/m3；热膨胀系数：а=0.825×10-5；导热系数：λ=2.38 kcal/(m·h·℃)；比热：с=960 J/kg·℃=0.23 kcal/kg·℃。

4.2 冷却系统设计

冷却水管的水平间距和上下层基本间距1 m，水管间的间距误差不超过±5 cm，单根水管长度应小于150 m，水管内通水流量为不小于25 L/min，冷却水的进水口水温以不大于20℃为宜。具体如图3所示。

图3 下塔柱冷却水管布置图（单位：cm）

4.3 分析结果

为了更清楚地了解水化热分析的特征，混凝土中心和表面的温度随时间变化如下图4所示（点位470指混凝土中心，点位548指混凝土表面）。

图4 下塔柱混凝土内外特征点温度时程图

从上面内外特征点温度时程图可以看出：最大温差出现在混凝土浇筑后的33 h，内外特征点温差小于25℃。混凝土浇筑后的第33 h和最大温度场见图5所示，可以看出在整个混凝土水化热阶段，内部最高温度出现在上层混凝土内部为55℃，在规范要求范围内。

图5 混凝土温度场

应力场分析表明（见图6和图7）：混凝土浇筑后的前3 d应力上升很快，混凝土在146 h最大有效应力达为1.96 MPa。混凝土浇筑的应力分析结果可见，设置管冷系统处理下，混凝土中应力较小，从图7中可以看出应力均在容许应力范围之内。

图6 混凝土应力时程图

图7 混凝土应力场

下塔柱混凝土在施工过程中一次性进行，采用C50的配合比，经理论计算：混凝土内外温差较小，没有超过25℃，满足规范要求，且降温缓慢，此内外温差和降温速率不足以产生贯穿裂缝，满足施工要求。

模型中计算了浇筑块内埋设冷却水管的作用，根据计算结果：冷却水管进出水温差为：10℃左右。浇筑块中心在龄期2 d～3 d左右达到最高温度，浇筑完成后4 d内各层混凝土表面拉应力值上升较快，需加强对混凝土表面的保温措施，减低内外温差。另外，冷却水管对降低混凝土中心温度效果较明显，应在上层混凝土浇筑完成后持续通水冷却15 d以上。

5 混凝土温控监测

5.1 布点设计

温度传感器在每层混凝土的中心和表面布置，在平面内，由于靠近表面区域温度梯度较大，因此测点布置较密。南塔下塔柱布置4层测点，共19个，仪器的布点如图8、图9所示。

图8 温度监测点立面布置图（单位：cm）

5.2 监测结果

温度监测结果如图10所示，根据监测结果，可以得出:

（1）升温阶段一般只有2～3 d，升温达到峰值后，高温峰值时间较短，一般约4～8 h。

（2）根据温度监测结果，控制水的流量，使上游下塔柱混凝土最大降温速率在3.0℃/d内，起到了早期削减温峰及防止温度回升的效果。

（3）下塔柱内部最高温度小于60℃，满足要求。

（4）下塔柱各层断面内表温差一般小于5℃，最大内表温差均低于25℃，满足要求，控制温度应力和温度变形效果好，混凝土收缩比较小，产生拉应力小，下塔柱没有出现温度裂缝。

（5）下塔柱温度2～3 d内连续下降小于6℃～9℃，降温速率小于3℃/d，满足要求。

（6）有限元分析结果与实测温度较好吻合，能正确反映下塔柱实际稳定变化情况。

在下塔柱混凝土施工中，通过设置冷却水管通水冷却，并依靠优化混凝土配合比，很大程度上降低混凝土的水化温升，提高泵送施工性能和耐久性能，整个下塔柱混凝土符合设计要求，没有出现温度裂缝，温控效果良好。

6 结论

（1）采用有限元法分析大体积混凝土的水化热产生的温度及应力场受材料性质、施工条件和边界条件等影响较大，需要根据实际情况正确模拟，其结果与实际吻合较好。

图9 下塔柱(1/4部分)测温点布置图（单位：cm）

图10 温度监测结果图示

（2）温控标准和措施是大体积混凝土温控的两个重要方面，对温控结果影响较大，其确定需要根据施工可行性制定。

（3）对于如斜拉桥下塔柱露出地表的大体积混凝土结构，极端天气下，无法通过周身注水等措施来保温，理论分析阶段的环境稳定确定尤其重要，需要结合桥位的历史气象资料分析确定。

（4）冷却水管可有效降低混凝土内部温度，但需经研究分析来确定其长度、进水量、水温和进水时间长。

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