冬季承台大体积混凝土分层浇筑温控措施研究

金书成，徐文远，黄云涌

（1.东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040；2.黑龙江大桥开发建设有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040）

桥梁承台结构需要使用高强度等级混凝土浇筑，往往导致混凝土水化硬结过程中产生大量的水化热，使内部混凝土温度在最初的几天显著上升，达到最高温度后才开始下降。混凝土是一种极为不良的导热材料，任由内部热量自然散发需要很长时间。对于大体积混凝土，如果依靠天然冷却达到稳定温度甚至需要几十年。因此，大体积混凝土水化热一直是人们研究的热点，特别是冬季大体积混凝土施工中外部较低的温度更加剧了混凝土内表温差。为了减小内表温差和基础温差，混凝土的浇筑温度越低越有利，一般为5～10℃，但较低的浇筑温度可能使混凝土表面的温度迅速降至0 ℃以下，进而发生早期冻害。因此，冬季大体积混凝土须要解决的问题就是防冻和抗裂。现有的冬季大体积混凝土施工控制主要思路是对大体积混凝土温度场进行分析预测，依靠分析结果制定有针对性的温控方案，提出温控标准，并对浇筑和养护过程进行监测，根据监测结果及时调整冷却和养护措施，保证混凝土不发生表层冻害和有害的温度裂缝。温度控制的原则是：①控制混凝土浇筑温度；②尽量降低混凝土内部最高温度，并延缓最高温度出现时间；③控制混凝土降温速率；④降低混凝土内部和表面之间、新老混凝土之间的温差，并控制混凝土表面和施工环境的温差。根据现有研究结果可知，大体积混凝土内部温度是非线性分布的，只有科学预测混凝土的温度场分布形式才能有针对性地制定温控方案。同时，必须根据温度场监测结果随时调整优化温控措施，才能有效防止温度裂缝的产生以及表层混凝土发生冻害［1］。

目前，黑河公路大桥已进入建设尾声，俄方正式提出建设黑河至布拉戈维申斯克铁路大桥的建议，研究黑河这一高寒地区冬季大体积混凝土施工对未来铁路大桥的建设具有重要意义。为此，本文以黑河大桥冬季承台混凝土施工为背景，通过模拟低温环境下承台混凝土浇筑过程，分析混凝土温度场和应力场，提出温控标准和温控措施，并根据现场温度场监测结果验证数值分析结论，获得施工过程中科学准确的温度场变化规律，通过及时调整温控方案，保证大体积混凝土浇筑质量。

1 承台混凝土浇筑过程仿真计算

黑河大桥承台平面见图1。承台混凝土高4.5 m，长27.4 m，宽21.7 m，混凝土方量2 675.6 m3。承台分2层浇筑，分层高度为2.25 m。

承台混凝土配合比、劈裂抗拉强度以及热学参数分别见表1—表3。

计算时考虑徐变对混凝土应力的影响，混凝土的徐变度取值按经验数值模型计算［2］，即

式中：t为待求龄期；τ为加载龄期；C1＝0.23/E2，C2＝0.52/E2，E2为最终弹性模量。

根据结构对称性，取承台1/4 进行温度应力计算，计算模型网格剖分见图2。承台混凝土受封底C30 混凝土约束，计算时基础弹性模量取3.5×104MPa。承台2层混凝土浇注时间间隔7 d，根据前期热工计算暂定混凝土浇筑温度为15 ℃，侧面钢模板等效保温系数为 1 841 kJ/（m2·d·℃），混凝土表面散热系数为3 642 kJ/（m2·d·℃），混凝土导热系数估算为268 kJ/（m·d·℃）。参考气候资料，风速取2 倍的平均风速，即按6 m/s 计算［3-4］。分析时考虑冷却水管降温效果，每层混凝土按照1 m管间距布置φ32 mm的冷却水管，冷却水进口温度为15 ℃，通水流量为30 L/min。温度及应力计算从浇筑开始，模拟之后1年内的温度应力发展趋势。

图1 大桥承台平面（单位：cm）

表1 承台混凝土配合比 kg·m-3

表2 不同龄期劈裂抗拉强度 MPa

表3 热力学参数

图2 承台网格剖分

承台最高温度包络图见图3，不同龄期承台混凝土温度应力见表4。

由图3可知：承台下层混凝土内部最高温度为48.9 ℃，上层内部最高温度为50.1 ℃，温度峰值出现时间为2～3 d 龄期；温度峰值时混凝土内部温度较高，特别是中心区域散热慢，应加强通水，同时还应注意表面保温。由表4可知，该承台混凝土温度应力发展的趋势是早期上升速度较快，后期应力发展趋缓，承台的早期安全系数偏低。承台可能出现裂缝的位置包括下层混凝土与封底混凝土的接触位置以及上下2层混凝土的中部。

结合工程实际施工环境，建议从以下几个方面控制混凝土温度：①控制混凝土浇筑温度，采用蓄热能法加热混凝土拌和水，使混凝土浇筑温度在12 ℃左右，考虑上层混凝土浇筑时正值中午，可以适当降低浇筑温度。②控制降温速率，加快浇筑速度，缩短浇筑时间，浇筑后加强中心区混凝土通水降温，在上层混凝土浇筑开始前对下层混凝土进行二次通水降温。③降低下层混凝土与封底混凝土之间、混凝土中心和表面之间、上下2 层混凝土之间的温差。下层混凝土浇筑前对封底混凝土上表面进行预热，在上层混凝土浇筑前对下层混凝土上表面进行预热，使其表层温度均达到5 ℃。

根据以上分析，本工程的温控标准为：承台内部最高温度小于等于50 ℃；混凝土最大内表温差小于等于20 ℃；养护过程中，混凝土表面养护水温度与混凝土表面温度差小于等于15 ℃；温差峰值过后混凝土缓慢降温，通过保温控制最大降温速率小于等于3.0 ℃/d；冷却水进口温度取15 ℃，升温时段通水流量控制在45 L/min以上，降温时段通水流量控制在30 L/min左右［5-7］。

图3 承台最高温度包络图（单位：℃）

表4 不同龄期承台混凝土温度应力

2 现场温度监测结果分析

本工程温度监测采用PN 结温度传感器，温度检测采用现场定时自动测温记录仪。根据结构的对称性和温度变化的一般规律，在承台长边方向中心轴布设2 层共14 个测点，由外向内测点间距依次为45，100，200，300，400，320 cm，见图4。

图4 承台温度测点布置（单位：cm）

以最外侧测点温度为表面温度，各测点平均温度为断面平均温度，内部测点最高温度与表面温度的差值为内表温差。断面平均温度与表面温度时程曲线见图5。

图5 断面平均温度与表面温度时程曲线

由图5可知，承台混凝土下层至上层测点区断面平均温度随时间的变化规律基本一致，其温度变化曲线可以看作快速升温、强制降温和自然降温至稳态3个阶段。第1 阶段是升温段，由于水化放热会使温度持续升高，在 48～60 h 接近峰值，再持续 12～24 h 后温度开始下降。第2 阶段是强制降温段，在冷却水管的持续作用下，混凝土温度快速下降，这段时间混凝土降温速率约为2.0 ℃/d。第3阶段是自然降温段，曲线平缓下降趋向水平，表明该时间段混凝土降温平缓，趋于稳定状态。此外，受上层混凝土放热影响，上层混凝土浇筑后，下层混凝土温度的下降速度明显减缓。同时，因上层混凝土养护后期气温持续较高，其温度下降趋势更加平缓。

根据监测的混凝土内部测点最高温度与表面温度的差值，得到混凝土内表温差时程曲线，见图6。可见，2 层承台混凝土内表温差随时间变化规律前期相似，均呈现出初期内表温差较小而后快速增大的趋势，在72 h 左右达到温差峰值，这是因为混凝土浇筑时外部气温均较高，且浇筑开始即通冷却水。在达到温差峰值后，下层混凝土因为停止通水而上层混凝土开始浇筑，内表温差在240 h 左右出现第2 个峰值，再次通水后，其内表温差又呈下降趋势。上层混凝土因保温养护和持续通水冷却，受外界气温影响很小，内表温差变化不大。

汇总实际监测得到的承台混凝土温度数据，得到表5。可见，与数值分析得到的混凝土温度峰值出现时间为2～3 d 龄期相比，实际监测到的温度峰值出现时间相对较晚。从测温结果来看，2 层混凝土的最高温度、内表温差以及降温速率均满足数值分析确定的温控标准。

图6 内表温差时程曲线

表5 承台混凝土温度监测数据

3 结论与建议

1）以蓄热能法适当提高混凝土浇筑温度，并对浇筑层与基础的接触面、新老混凝土的接触面进行预热处理，可以有效防止表层混凝土温度下降过快和冻害发生。在实际施工中，还应结合气温变化设定不同混凝土浇筑层的浇筑温度。

2）对于早期升温迅速的大体积混凝土应加大早期通水流量，适当降低通水温度，增强混凝土升温期的降温效果。在上层混凝土浇筑后及时对下层混凝土进行二次通水冷却，防止其因散热条件变差和叠加上层混凝土水化热出现过大的二次内表温差峰值。

3）注重表层混凝土的温度和湿度养护，根据气温和混凝土水化热发展阶段灵活采用保温和散热措施。特别是在降温阶段要加强表面保温覆盖，防止表层混凝土温度受气温影响过大。同时，要避免表层混凝土暴露在大风环境中，避免在混凝土内部温度较高时拆模，有效控制表层混凝土降温速率。