公路桥梁大体积混凝土温控措施研究

赵睿龙

【摘要】本文基于笔者专业知识的应用与实践经验的总结，就公路桥梁施工过程中大体积混凝土温度裂缝与温控措施进行简要分析，具有一定的参考性，以期为我国大体积钢混结构的发展提供技术参考。

【关键词】公路桥梁；大体积混凝土；温度裂缝；温控措施

1、大体积混凝土温度应力及其裂缝分析

某个时间构件上每个点温度的集合为大体积混凝土温度场，其以温度与时间和空间之间的函数关系为反映。混凝土温度场在其浇筑完成后会因水泥等胶凝材料的水化反应而发生巨大变化，进而形成温度应力，因此对于混凝土温度应力的研究，应首先对混凝土浇筑完成后温度场及其变化因素进行分析与掌握。

一般情况下，大体积混凝土拥有较大的单次浇筑尺寸，如在绝热环境下，构件内外温度在变化趋势上一致于绝热温升曲线。工程实际在混凝土浇筑完成后，其会与水、空气以及基础间因热传递的存在而导致热量散失，进而致使混凝土构件内外出现温差。混凝土降温如若只是通过表面散热形式，则降温速率缓慢、降温效果甚微，因此在工程实际应用中，通常以埋设冷却管的方式加快其内部降温。在人工后期干预下，尽管混凝土温度场会缓慢降温，但总体而言其仍然是外低内高的状况。

浇筑完成后的大体积混凝土构件在经过早期升温与后期降温过程后，会形成一定温度应力，其主要分为自生应力与约束应力两种形式。

1.1温度应力

（1）自生应力。混凝土浇筑完成后，其温度场受内外散热的影响，构件温度会以非线性分布为呈现。混凝土早期升温过程中，表面混凝土会对内部的升温膨胀变形形成一定的约束，此时混凝土构件表面表现为拉应力，内部表现为压应力。如图1-1（a）所示，因温度引起的自身应力于混凝土构件整截面分布，并且其拉、压应力间应保持一定的平衡。

（2）约束应力。混凝土构件在浇筑完成后其浇筑接触面变形会受一定的约束，在混凝土升温与降温过程中，温度变化引起的变形因被限制而产生的应力称为约束应力，如图1-1（b）所示。对于静定结构，温度变化只会引起自生应力而无约束应力产生。一般情况下，大体积混凝土属于超静定结构，其在温度变化影响下会产生自生应力与约束应力的叠加。混凝土构件在冷却过程中，其冷却变形会受到有接触面的侧面或底部的约束，进而产生约束应力。

1.2温度裂缝

由于混凝土抗拉强度只有抗压强的1/10～1/20，因此一旦直接受拉，便会因细微的变形而产生裂缝，一旦拉力超出其承受范围，则会不经残余变形直接发生脆性断裂。对于大体积混凝土而言，其受温度变化影响敏感，当自身温度每升高1℃时，每米就会产生约为0.01mm的膨胀。由于混凝土初期硬化过程中会释放出大量的水化热，且其导热性能极差，散热持续缓慢，大体积结构下当内部温度大于外部温度时，混凝土结构则会应温差应力（外部受拉，内部受压）而产生表面裂缝。随着混凝土强度的增加，其弹性模型逐渐提升，随后便会开始降温，此时会因降温差而引起混凝土变形，加之其因失水而造成的体积收缩，以及受地基与其他结构的约束，当这些因素综合而产生的拉应力大于混凝土抗拉强度时，表面裂缝则会发展为贯穿裂缝。

2、大体积混凝土温控计算理论

2.1水泥水化热计算

影响混凝土温升的决定性因素为水泥水化热，其具有多样化计算公式，一般以下式2-1指数公式最为常用：

2.2热传导方程

大体积混凝土结构在受水化热作用后其温度会随时间而变化，结构内部温度场呈现为非稳定状态，且以下式2-2进行热量传导：

2.3初始条件和边界条件

随着空间与时间的变化，大体积混凝土结构温度处于不断变化过程中，此时利用热传导方程则有无穷解，而要想计算出所需正确解，则需掌握初始条件与边界条件。

（1）初始条件。由于大体积结构温度在混凝土入模时分布均匀，因此可将混凝土入模状态视为初始条件，具体表示为下式2-3：

（2）边界条件。大体积混凝土结构热交换主要包括与空气换和与地基两种交换形式，其中与空气热交换过程中二者间的温差决定了热量的交换，具体以下式2-4表示：

大体积混凝土与地基实施热量交换过程中，温度与热流量在其接触面上处于连续状态，可由下式2-5表示：

3、大体积混凝土温度控制措施

3.1水冷管布置优化

对于大体积混凝土结构内部采用冷却管降温，我国目前以上下层冷却管布置方式相同最为常用，该方式不足之处在于容易造成结构内部出现温度不均匀现象，整体降温效果因降温不均匀而表现较差。而通过上下层水冷管交叉布置的优化，可明显提升降温效果，对两种布置方式利用有限元模型进行比较，其结果表明：水冷管上下层相同布置方式的降温效果明显不如交叉布置，就大体积混凝土结构内部温度而言，水冷管上下层相同布置方式比交叉布置方式高2～4℃。水冷管上下层交叉布置方式的应用，其不仅可将结构内部最大温度值有效降低，而且相比于上下层相同布置方式对局部区域降温效果更好。

3.2浇筑时间控制

大体积混凝土的浇筑通常会持续几天，在浇筑过程中可能会出现顶层混凝土浇筑结束后，底层混凝土的温度已经降下来并趋于稳定。浇筑时应合理控制浇筑持续时间，一方面要避开上下层混凝土温度高峰期重合，同时要保证混凝土浇筑的连续性，其目的是为了降低承台内部温度峰值。

根据经验，混凝土一般在浇筑后20～22h开始硬化，混凝土硬化时迅速放热，在硬化后20h左右，混凝土内部温度达到最大值。根据上述分析，浇筑一层混凝土的时间控制在1d左右比较适宜。此时底层混凝土温度高峰已过，进入降温阶段，而顶层混凝土温度逐渐增大

3.3养护控制

凝土养护工作的进行要在完成浇筑12h内开始实施，通常为覆盖洒水养护的形式，其目的在于首先是避免结构表面混凝土失水太多，其次是提供混凝土早期水化反应所需的水分。对于大体积混凝土内表温差的控制，要依据结构尺寸和温度梯度综合而定，通常为不大于25℃，且内部最高不能超过60℃，这时混凝土不会由于温差形成的温度应力而导致结构裂缝。所以，控制大体积混凝土内表温差要从结构内外同时着手，一方面通水循环使内部温度降低，另一方面合理提高结构表面温度，这样来达到内外温差降低的目的。结构内部循环水可用冷却水，外部养护水可用内部降温循环出来的热水，因为混凝土结构完成浇筑2天内内部温度上升相对较快，所以使用覆盖和冷却管循环出来的热水实施喷洒养护，能有效做到提高结构外部温度，从而让内外温差减小。

冷却水的水流量是一个重要方面，GB50496-2009大体积混凝土施工规范中规定，在混凝土内部通水降温时，进出口水的温度宜不大于10℃。进出水口温度差值与混凝土内部温度和流量有关，在施工过程中，一方面要参考理论计算给出的水流量值，另一方面要根据实际的进出水口的温度差值和结构内部温度峰值，以此来调节冷却水流量。

结语：

基于以上论述，笔者结合自身经验的应用，以控制大体积混凝土结构温度裂缝为目的，建议性提出以下两点措施：

（1）增设防裂钢筋网。由于钢筋混凝土结构对于拉应力主要由钢筋承受，因此可通过增设钢筋网片的形式增强结构抗拉作用，进而避免结构裂缝的形成。其具体布设方式应依据下式实施：

εPa=0.5Rf （1+ρ/d）×10-4 （经验公式）

式中：εPa为实施配筋后混凝土的极限拉伸（是为混凝土抗裂性能的体现）；Rf为混凝土设计抗裂强度，MPa；ρ为结构截面配筋率；d→钢筋直径，mm。

经公式分析可知，对于混凝土抗裂性的提高，可利用细钢筋小间距的布置方式得以实现，因此，在与设计单位沟通并获批准后，施工单位可在大体积混凝土施工过程中增设Ф8@100防裂钢筋网，以此达到预防裂缝出现的目的。

（2）適量掺加合成纤维。通过合成纤维的掺入，混凝土内部会形成数以千万计的纤维三维均匀分布的网状结构，当混凝土在塑性阶段产生冷缩与干缩现象时，其表面一旦碰触到合成纤维，便会停止继续延伸，从而抑制裂缝的出现。

参考文献：

[1]GB50496-2009大体积混凝土施工规范[S].

[2]陈建军，杨文海，郭利霞.混凝土结构温控设计优化研究[J].混凝土，2013（4）：11～14.