某拱桥拱座基础大体积混凝土温度控制研究

黄 海 棠

(广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007)

某拱桥拱座基础大体积混凝土温度控制研究

黄 海 棠

(广西机电职业技术学院，广西 南宁 530007)

从物理化学的角度研究了大体积混凝土温度裂缝产生机理，介绍了大体积混凝土温控方法，采用数值仿真手段，研究了某拱桥拱座基础大体积混凝土的水化热规律，制定了具备可操作性的温控方案，在拱座基础大体积混凝土浇筑及保养过程中采取有效的温控措施，取得了良好的温控效果，拱座基础的工程质量得到保证。

大体积混凝土，水化热，温度控制

0 引言

大体积混凝土浇筑后，由于材料发生化学反应大量放热，混凝土必须经历升温～降温过程，在此过程中，由于温度分布不均匀，易发生混凝土表面或内部开裂，影响结构耐久性和承载能力。

有关文献[1][2]把现场浇筑的最小边尺寸大于或等于1 m的混凝土定义为大体积混凝土。由于桥梁结构往往要承受很大的荷载，构件尺寸较大，很难避免采用大体积混凝土，大体积混凝土在桥梁工程中较为普遍。如何有效进行大体积混凝土的温度控制是桥梁工程技术人员常要面临和解决的问题。

1 大体积混凝土温度裂缝产生机理

1.1化学作用

水泥熟料主要成分为硅酸三钙(3CaO·SiO2)、硅酸二钙(2CaO·SiO2)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)、铁铝酸四钙(4CaO·Al2O3·Fe2O3)四种矿物质，水泥水化过程是一个复杂的物理化学过程，化学反应过程往往同时有放热现象存在，混凝土凝结过程是多种化学反应的复杂过程，其中主要的化学反应有：

3CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O(凝胶)+Ca(OH)2

2CaO·SiO2+H2O→CaO·SiO2·YH2O(凝胶)+Ca(OH)2

3CaO·Al2O3+6H2O→3CaO·Al2O3·6H2O(水化铝酸钙，不稳定)

3CaO·Al2O3+3CaSO4·2H2O+26H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(钙矾石，三硫型水化铝酸钙)

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+2[3CaO·Al2O3]+4H2O→3[3CaO·Al2O3·CaSO4·12H2O](单硫型水化铝酸钙)

4CaO·Al2O3·Fe2O3+7H2O→3CaO·Al2O3·6H2O+CaO·Fe2O3·H2O

由于生成物的标准摩尔生成焓大于反应物的标准摩尔生成焓，化学反应导致焓减，过程存在放热。

1.2物理作用

混凝土龄期较小时，由于化学反应产生的热量并不能及时排出混凝土外部，而是要经历一个热传递过程，也就是放热速率大于散热速率，混凝土处于升温阶段。

随着混凝土龄期的增大，反应物不断减少后，化学反应趋于缓慢，放热速率小于散热速率，混凝土开始进入温度下降阶段。

由于各部位放热速率、散热速率不尽相同，导致混凝土体内温度分布不均，且各部位温度随时间不断变化。

混凝土本身有热胀冷缩的现象，且随着龄期的增长混凝土弹性模量逐渐变大，对变形的适应能力逐渐下降，大体积混凝土属于内部超静定结构，在受热不均的情况下混凝土体内出现了自应力。自应力是混凝土出现温度裂缝的直接原因。

升温阶段，混凝土内部温度较大而表面温度相对较小，内部体积膨胀，混凝土表面受拉，易出现表面裂缝。降温阶段，混凝土内部温度减小，体积收缩；而混凝土表面温度却变化不大，混凝土表层体积收缩相对较小，限制了混凝土内部体积收缩，易出现内部裂缝。实际上，大体积混凝土还受到基础或围岩的嵌固作用，对其各阶段的体积变化均起到限制作用，也是温度裂缝产生的原因之一。

2 大体积混凝土温度控制方法

根据上述的大体积混凝土温度裂缝产生机理分析，提出大体积混凝土温度控制的方法：

1)优化混凝土配合比[3]，选择放热量少的水泥品种。

2)留出后浇带，分段浇筑，减小每次浇筑的混凝土尺寸，削弱混凝土膨胀和收缩效应。

3)调整混凝土配合比，减少水泥用量，从而减少混凝土放热总量。

4)加入缓凝剂，虽然水化热放热总量未减少，但是水化速率变小，同样可以对混凝土温度进行有效控制。

5)设置冷却管，增大混凝土内部的散热速率；同时在混凝土表面覆盖土工布等进行保温，降低内外温差，即常说的“内降外保”，可以有效控制大体积混凝土自应力。

6)降低混凝土入模温度[4]，从而起到有效控制大体积混凝土最大温度的作用，减小内外温差。

3 某拱桥拱座基础温度控制

3.1概况

某拱桥主桥为上承式钢筋混凝土箱拱桥，净跨径105 m，桥面总宽27.7 m，采用明挖扩大基础，拱座基础长19.9 m，宽28 m，厚8.5 m，混凝土方量达4 184 m3，分两次浇筑完成，第一次浇筑厚度为4.5 m，第二次浇筑厚度为4 m，本次研究对象为第一层混凝土。该拱座基础混凝土浇筑季节为冬季，气温在12 ℃左右。

3.2温控指标

大体积混凝土温度监控以避免出现有害裂缝为目标，其监控指标受混凝土强度等级、材质、季节、气候、施工顺序等方面的影响，并无绝对、不变的指标。参照[5]并结合施工图的要求，确定本拱座基础及拱座温度控制指标如下：

1)入模温度应不低于5 ℃，不宜高于28 ℃；

2)混凝土浇筑块体内部最高温度不大于75 ℃；

3)混凝土浇筑块体的里表温差不宜大于25 ℃；

4)混凝土浇筑块体的降温速率不宜大于2.0 ℃/d；

5)冷却水温与内部混凝土的温差宜不大于20 ℃；

6)冷却管进、出水温差控制在10 ℃以内。

3.3温控措施

拱座基础混凝土浇筑施工前，采用计算机仿真技术对混凝土水化热进行了仿真，对温控措施和保养措施进行了优化，仿真结果作为实际施工的指导。经反复计算，最后采取的温控措施如下：

1)采用水化热较低的矿渣硅酸盐水泥，且掺入适量粉煤灰，优化混凝土配合比。

2)严格控制入模温度在15 ℃±2 ℃。

3)冷却管采用外径为32 mm、壁厚为2.5 mm的黑铁管，冷却管水平间距不大于1.5 m，竖向上两层之间间距不大于1.0 m。

4)冷却管水温控制在20 ℃±2 ℃，每次浇筑混凝土冷却管分两阶段通水：第一阶段为开始浇筑至混凝土龄期为10 d，每根冷却管通水流速为2.442 9 m3/h；第二阶段为混凝土龄期2 d以后，需根据温度监测结果进行冷却管通水流量调整。

5)为避免混凝土表面降温过快，用冷却管排出的冷却水覆盖于拱座基础表面，起到保温的作用。

根据混凝土材料热工参数和力学参数，以及浇筑的环境温度、温控措施、保养措施，采用Midas建立有限元实体模型，对拱座基础水化热进行仿真分析，拱座基础结构离散如图1所示，典型部位混凝土温度随龄期的变化如图2所示，典型部位应力随龄期的变化如图3所示。

由计算结果可见，混凝土最大温度65.87 ℃，在混凝土龄期为2.5 d时出现，满足温控指标的要求；典型部位主拉应力均小于抗拉强度，从理论上论证了温控措施能有效避免混凝土有害裂缝的产生。

3.4温度监测方案

在拱座基础纵横两个方向分别布置一条测线，两条测线总计7个测位，编号分别为A～G，每个测位在竖向上均匀布置9个测点，其中底部和顶面测点距离混凝土表面5 cm。拱座基础温度测位平面布置见图4。

从混凝土开始浇筑之时开始进行温度测量，测量时间间隔不大于2 h。

4 温控结果分析

根据现场监控数据，混凝土内部温度最大值64.90 ℃，位于E测位内部测点。E测位典型测点实测温度随混凝土龄期变化曲线见图5。

由监控结果可见：

1)温度实测最大值与理论最大值基本一致，实测温度上升段随混凝土龄期的变化曲线与理论基本一致，下降段比理论曲线缓和，主要原因为为了降低温降速率，混凝土龄期达3 d后减缓了冷却水的通水流速。

2)对拱座基础混凝土表面进行裂缝检查，未发现裂缝。

5 结语

大体积混凝土温度裂缝的产生由复杂的化学和物理作用所引起，经过对大体积混凝土温度裂缝产生机理进行剖析，有针对性的提出了大体积混凝土温度控制方法，通过某拱桥拱座基础大体积混凝土温度控制仿真分析和现场实施，得出以下结论：

1)大体积混凝土温度控制仿真分析基本能反映其实际情况，仿真分析结果与实际基本一致，可作为大体积混凝土温度控制的指导。

2)通过严格控制大体积混凝土配合比、入模温度，合理设置冷却管及其通水流量和时间，采取有效措施对大体积混凝土进行“内降外保”，能有效避免有害裂缝的产生。

3)本桥拱座基础混凝土未出现裂缝，温控效果较好，拱座基础的工程质量得到保证。

[1] DB33/T 1024—2005,大体积混凝土工程施工技术规程[S].

[2] JTG/T F50—2011,公路桥涵施工技术规范[S].

[3] 解 荣.大体积混凝土温度监控的研究[D].西安：长安大学硕士学位论文，2011.

[4] 罗国杰，曹永潇，李亚敏.大坝混凝土快速施工与温控防裂研究[J].混凝土，2012(10):91-93.

[5] GB 50496—2009，大体积混凝土施工规范[S].

Studyontemperaturecontrolofmassconcreteofabutmentfoundationinsomearchbridge

HuangHaitang

(GuangxiVocationalCollegeofMechanicalandElectronicalTechnology,Nanning530007,China)

From the perspective of physical chemistry, the paper probes into the crack generation mechanism of mass concrete, in which the temperature control methods of mass concrete are introduced. By means of the numerical simulation, the paper carries on a study on the law of hydration heat of the mass concrete of abutment foundation in a certain arch bridge, formulates the temperature control scheme with operability. Some effective temperature control measures are taken in the pouring and maintenance process of the mass concrete of abutment foundation, which achieved good control effect, and provided guarantee for the project quality of abutment foundation.

mass concrete, hydration heat, temperature control

1009-6825(2017)32-0153-03

2017-09-07

黄海棠(1986- )，女，硕士，讲师

U445.57

A