大体积混凝土无冷却水管施工的研究与应用

柏国胜 陈 勉

( 四川公路桥梁建设集团有限公司， 四川 成都 610071)

0 引言

雅康高速公路泸定大渡河特大桥为主跨1100m的钢桁梁悬索桥，主塔高188m，承台采用棱台型，其中雅安岸承台底面尺寸 28.8m × 28.8m，顶面尺寸为16.2m(纵)×12.0m(横)，承台总高 9.0m，混凝土总用量14953.7m3;康定岸承台底面尺寸为32.8m×32.8m，顶面尺寸为16.2m(纵) ×12.0m(横)，承台总高9.0m，混凝土总用量18652.5m3，为C40 大体积混凝土，设计通过布置冷却水管，控制内部温升来降低内外温差，避免温度应力过大造成大体积混凝土开裂，从而降低结构的功能性。 通过在大体积混凝土内布设冷却水管虽能有效控制混凝土内部温度，但需要设置大量的冷却水管，其仅能控制混凝土温度，不能给后期结构提供任何作用，为一次性装置，不仅增加承台施工工期而且造成大量的钢材浪费。本文研究通过合理的混凝土配比设计，按2.25m 分层高度进行浇筑，同时加强混凝土过程控制和外部保温措施，使内外温差在可控范围内，从而取消冷却水管，避免钢材浪费，达到工期与成本的节约。

图1 承台立面图 Fig.1 Elevation of the main tower base slab

1 混凝土配合比及性能

主塔承台混凝土设计强度等级为C40，原材料如下：

水泥：西南兆山P.O42.5 水泥；

图2 水泥水化放热曲线图 Fig.2 Diagram of heat release of Cement Hydration

水化放热量和水化放热速率曲线的测定采用了美国TA 公司生产的TAM Air八通道水化微量热仪（Isothermal Calorimetry）。该仪器测试温度范围为5～90℃，仪器的恒温槽是以空气作为冷却介质的（测试温度高于室温时需通过调节室温保持实验温度），仪器温度可以保持高精确度（温度波动小于±0.02 K，量热误差小于±20μW）和高稳定性（散热良好的状态下持续测试时间可达数星期）。测试结果表明，水泥3d 水化放热量213.47KJ/kg，7d 水化放热量267.26KJ/kg；

粉煤灰：F 类Ⅰ级灰；

外加剂：PCA-1 聚羧酸高性能减水剂（缓凝型）；

粗骨料：5-16mm、16-31.5mm 两级配碎石；

细骨料：机制砂，MX=2.87；

拌合水：自来水。

混凝土配合比设计与力学性能见表1、表2。

表1 C40 混凝土配合比及力学性能 Table.1 proportions mix and mechanical properties of C40 concrete

表2 C40 混凝土劈裂抗拉强度参考值 Table.2 Reference value of C40 concrete splitting tensile strength

2 有限元计算分析

2.1 通冷却水时计算结果

（1）温度

主塔承台内部最高温度及最大内表温差结果见表3，特征点温度时程图见图3，3d 龄期温度场分布见图4。

表3 主塔承台仿真计算结果 Table.3 Simulation results of main tower base slab

图3 承台中心温度、表层温度、内表温差时程图 Fig.3 Time chart of center temperature、surface temperature and temperature difference of surface inside of the main tower base slab

图4 承台各层混凝土第3d 温度场分布图（单位：℃） Fig.4 Map of the 3d temperature field of concrete in each layer of the main tower base slab

（2）应力

主塔承台温度应力计算结果见表4，特征点应力时程图见图5。

表4 主塔承台仿真计算结果 Table.4 Simulation results of main tower base slab

图5 承台中心、表层应力时程图 Fig.5 time chart of center and surface stress of the main tower base slab

2.2 不通冷却水时计算结果

（1）温度

主塔承台内部最高温度及最大内表温差结果见表5，相应龄期温度场分布及发展规律基本同通冷却水条件，图略。

表5 主塔承台仿真计算结果 Table.5 Simulation results of main tower base slab

承台第三层 62.4 20.3 3d 承台第四层 60.9 20.0 3d

（2）应力结果

主塔承台温度应力计算结果见表6，相应龄期应力场分布及发展规律基本同通冷却水条件，图略。

表6 主塔承台仿真计算结果 Table.6 Simulation results of main tower base slab

2.3 计算结果分析

承台各浇筑层应力发展规律为：混凝土早期膨胀，3d 应力发展较快，集中于构件上表面及侧面，为内表温差引起的拉应力；混凝土后期收缩，7d 后有部分应力向构件内部转移并逐渐发展至稳定水平。中后期于第一层系梁变截面处产生一定应力集中。

通冷却水承台内部最高温度为55.0～57.0℃；最大内表温差为16.9～18.0℃，混凝土最高温度与最大内外温差均出现第3 天；3d 最大温度应力0.85～0.96Mpa，7d最大温度应力0.72～1.00MPa，28d 最大温度应力0.82～2.21MPa，3d、7d、28d 温度应力均小于同龄期的劈裂抗拉强度（劈裂抗拉强度3d 为1.5MPa、7d 为2.8MPa、28d 为3.5MPa），有较高的安全系数。

不通冷却水管承台内部最高温度（第一层60.1℃，第二层61.3℃，第三层62.4℃，第四层60.9℃）；最大内表温差（第一层20.1℃，第二层19.9℃，第三层20.3℃，第四层20.0℃）；混凝土最高温度与最大内外温差均出现第3 天，均符合《大体积混凝土施工规范》（GB 50496-2009）“混凝土实际温升不超过50℃”，“内表温差小于25℃”的规定；3d 最大温度应力（第一层1.03Mpa，第二层1.05Mpa，第三层1.06Mpa，第四层1.04Mpa），7d 最大温度应力（第一层1.21Mpa，第二层0.93Mpa，第三层1.02Mpa，第四层0.85Mpa），28d 最大温度应力（第一层2.45Mpa，第二层2.13Mpa，第三层1.72Mpa，第四层1.04Mpa），3d、7d、28d 温度应力均小于同龄期的劈裂抗拉强度（劈裂抗拉强度3d 为1.5MPa、7d 为2.8MPa、28d 为3.5MPa），3d、7d、28d 最小安全系数均大于1.5，抗开裂能力较强，在不通水条件下，可满足施工要求

2.4 温控措施

控制入模温度小于28℃：①加强水泥、砂石等原材料温度控制：严格控制水泥温度，使其不超过60℃；②控制骨料温度28℃以内，粗细骨料堆场应搭设遮阳棚，堆高并从底层取料，当温度超过28℃时，可抽大渡河水冷却，但必须定期准确测试石料含水率，及时调整用水量，以控制水胶比不变；③利用大渡河水控制拌和水温低于15℃；④加大混凝土的拌合量，缩短层间浇筑时间，避免热交换导致温升提高；⑤延长混凝土的凝结时间，初凝时间控制在21h 以上，承台分层浇筑，每层浇筑时分50cm 浇筑一层，在浇筑过程中，应避免中午阳光直射，造成水分蒸发，表面形成硬壳，从而引起开裂与冷缝；应注意50cm 层表面保湿，定期喷洒水雾，但不能喷水过多，以免影响混凝土水胶比；⑥浇筑完成后，在混凝土初凝前应注意表面喷水雾保湿，凝结后应立即凿毛处理，清理干净后蓄水20cm 养护；⑦计算浇筑间隔期为7d，应注意避免浇筑间隔期过长引起承台约束过大；⑧每层脱模时间不得早于3～4d，以避免脱模过早而保温保湿养护不到位造成裂缝。

3 现场施工验证

雅康高速泸定大渡河特大桥首幅承台按2.25m 分层，为避免仿真计算和现场实际出现较大偏差，发生内部温度与内表温差过大，导致承台结构出现无法弥补的工程质量问题，所以首幅承台在施工过程中按设计要求布设了冷却水管，同时考虑对承台全过程监控，实时了解温度变化情况，在浇筑混凝土前在内部和外部相应位置布设了温控原件，相关数据如下：

3.1 检测数据成果

图6 承台混凝土各层内部中心温度实测时程图 Fig.6 time chart of the center temperature inside each layer of the main tower base slab

图7 承台混凝土各层内外温差实测时程图 Fig.7 time chart of temperature difference between the inside and outside of each layer of the main tower base slab

表7 承台混凝土各层温度检测综合成果一览表 Table.7 List of comprehensive results of temperature detection in each layer of concrete in the the main tower base slab

3.2 检测数据分析

（1）由断面温度过程线可知，承台砼温度变化都有一个先急剧升温后缓慢降温的特征，直到最后达准稳定阶段。升温阶段一般只有2～3 天，升温达到峰值后，高温峰值时间较短，一般约6～8h。

（2）不通冷却水的情况下，承台各层断面最大内表温差在17.4～20.5 之间，均低于温度设计要求的25℃，因此承台不会出现温度裂缝。

（3）从断面温度过程线图可知，砼峰值出现后，砼降温速率不尽相同，这与各层砼浇筑时层厚、浇筑温度、气温和浇筑位置以及保温保湿措施有关。

4 结语

通过雅康高速泸定大渡河特大桥承台大体积混凝土施工的数值模拟与现场温度实测数据分析，明确了采用合理的配合比设计、分层浇筑厚度设计以及外部温度控制措施能够使大体积混凝在不采用冷却水进行内部降温的情况下实现内部温升和内表温差控制在规范及设计要求的范围，其节约了因布设冷却水管导致的工期延长和材料的浪费，从而降低施工成本。