混凝土箱梁早期温度场研究与控制

张康康

摘 要：混凝土水化热产生的温度效应是引起早期混凝土箱梁结构开裂的主要原因之一，严重时会对施工质量造成极大影响。为预防混凝土箱梁浇筑后出现表面裂缝，提高结构的耐久性，需要对混凝土箱梁早期温度场进行研究。本文叙述了混凝土箱梁早期温度裂缝产生的主要原因，对近年来混凝土箱梁早期温度场的相关研究进行了综述，并介绍了混凝土箱梁早期温度裂缝的防控措施，以期为类似工程施工提供参考。

关键词：混凝土;箱梁;早期温度场;裂缝

中图分类号：U441.5;U448.213 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0116-03

Research and Control of Early Temperature Field of Concrete Box Girder

ZHANG Kangkang

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： The temperature effect caused by the heat of hydration of concrete is one of the main reasons for the cracking of the early concrete box girder structure， which will greatly affect the construction quality in severe cases. In order to prevent the surface cracks of the concrete box girder after pouring and improve the durability of the structure， it is necessary to study the early temperature field of the concrete box girder. This article describes the main causes of early temperature cracks in concrete box girder， summarizes the relevant research on the early temperature field of concrete box girder in recent years， and introduces the prevention and control measures of early temperature cracks in concrete box girder， in order to provide reference and reference for similar engineering construction.

Keywords： concrete;box girder;early temperature field;crack

随着交通行业的快速发展，桥梁结构在交通枢纽中的作用越来越重要。混凝土箱梁结构在浇筑初期，当温度应力超过混凝土抗拉強度时，就会产生温度裂缝，最终会影响箱梁结构的耐久性和整体性，使其难以满足长期运营的相关指标[1-4]。本文主要分析早期裂缝产生的原因，对近年来关于混凝土箱梁早期温度场的研究进行综述，并提出早期温度场控制措施。

1 裂缝产生原理

温度裂缝易产生于温差环境较大的混凝土结构中，其中水泥的水化热是影响结构内部温度场的主要因素。混凝土的水化热反应在浇筑开始时已产生，在浇筑完成后，混凝土终凝结束时内部仍在不断进行水化热反应，持续由内向外放出热量，此时如果外界温度突然下降或者养护用水温度较低，混凝土表面由于热胀冷缩便会引起急剧收缩的现象，进而使混凝土表面产生裂缝。在混凝土完成终凝后，这种裂缝一旦产生就不可逆转，甚至会使裂缝由表面辐射进入内部，最终形成温度裂缝。严格控制混凝土浇筑时的温度，做好混凝土养护与表面保温措施，降低混凝土结构内外温差，能有效降低混凝土早期裂缝产生的风险[5-7]。

2 箱梁混凝土早期温度场研究现状

2009年，张君等采用有限差分法建立了基于混凝土绝热升温试验的早期混凝土温度场计算模型，并通过等效龄期法修正了温度对水泥水化热及其放热量的影响。结果表明，不同强度等级的混凝土板内温度均在12～24 h达到峰值，其仿真计算结果与实测数据较为吻合，能准确地对早期混凝土温度场进行仿真分析[8]。

2011年，陈志坚等针对大跨径混凝土箱梁桥0号箱梁的特点，详细分析了水化热温度场数值模拟过程中混凝土参数的取值及边界条件的确定方法。结果表明：混凝土硬化早期，温度随水泥水化的发展，经历了较快的温升阶段，到达最值后，进入缓慢的温降阶段，最值出现时间越早，温降速率越大;混凝土浇筑后的最大内外温差与构件厚度和表面边界情况有关，构件厚度越大，表面散热条件越好，可达到的最大内外温差也就越大;新旧混凝土结合面处存在温度倒灌现象。混凝土养护期间，应根据箱梁混凝土水化热温度场的特点，对重要部位进行有针对性的养护[9]。

2013年，唐国敏等研究了大体积箱梁0、1号块混凝土早期温度场。结果表明：箱梁0、1号块的横隔板内温度最高且最晚达到峰值;通过分层浇筑、埋设冷却水管等措施可以有效降低部件内外温差[10]。

2017年，杨文等对单箱多室混凝土箱梁水化热温度场进行了仿真分析。结果表明：单箱多室混凝土箱梁在混凝土浇筑早期温度场作用下，外腹板应力最大[11]。

2018年，陈黎阳基于混凝土热传导理论，采用有限元软件ANSYS对混凝土箱梁结构进行水化热温度场仿真分析，并与实测数据进行对比，研究了混凝土箱梁结构水化热温度场分布和变化规律。结果表明：有限元仿真能准确模拟混凝土箱梁结构水化热温度场和变化规律，降低混凝土箱梁结构内外温差是预防早期裂缝产生的关键。研究结果可为类似结构的温度场分析提供理论依据，为施工过程中温度控制提供参考和借鉴[12]。

2019年，贺国峰等对混凝土箱梁结构浇筑的早期温度分布进行了实时监测，研究了混凝土箱梁早期温度场的变化规律和温度梯度的分布情况。结果表明：混凝土箱梁水化热反应主要发生在浇筑后72 h内，峰值出现在14 h左右，处于腹板上梗腋处，腹板处会产生较大的水化热温升，顶板和底板较小;顶板和底板处温度变化呈指数增长，腹板区域呈线性增长，并拟合了混凝土箱梁竖向截面水化热温度梯度分段函数。研究结果可为类似结构的温度场分析提供理论依据，为施工过程中温度控制提供参考[13]。

2020年，李福友研究了宽幅PK混凝土箱梁早期温度场，通过优化高性能混凝土配合比设计、抗裂性、收缩徐变和耐久性试验，得出通过掺加粉煤灰与矿粉复合掺合料，可有效降低箱梁混凝土的水化热温升;根据温度与温度应力有限元计算结果制定了合理的温控标准，提出各种温控防裂措施，并对其防控效果进行评价;同时分析了箱梁空腔薄壁结构在变截面处易出现应力集中现象而导致开裂的问题。通过工程实践可知，浇筑初期所采取的优化配合比、温控措施能有效降低有害裂缝产生的风险[14]。

2021年，江东等采用Midas/FEA软件研究了养护工艺参数对连续梁桥0号块早期温度场的影响，并通过与实测数据对比验证了模型的准确性。结果表明：钢模板保温性较差;混凝土养护时环境温度不宜低于10 ℃;拆模过早会导致内外温差增大，增大裂缝产生的风险;不宜在风速较大的环境下进行养护[15]。

以上关于混凝土箱梁早期温度场的研究，主要是利用有限元仿真分析和试验数据结合相互验证的方法，通过对每个阶段混凝土早期温度场的仿真分析，制定了合理有效的温控措施。

3 混凝土箱梁温度场控制

3.1 分层浇筑

对箱梁混凝土进行分层浇筑，可以降低混凝土早期温度场的温度，并且能通过控制混凝土温度来降低混凝土水化热温度的增加速度。在浇筑混凝土箱梁时，应严格按照先底板后腹板再顶板的顺序，并控制布料速度。同时，在浇筑过程中，严禁振捣棒直接触碰波纹管、预埋管、预埋件等，防止预留预埋管件破坏或发生变位。

3.2 科学养护

在对混凝土进行养护时，通常可利用覆盖草栅、草帘、遮光布、土工布等进行遮光保湿，提升散水养护的效果，同时也可采用直接洒水的养护方式（见图1），严禁采用围水养护的方式，避免影响箱梁结构最终的整体性能。此外，要注意做好特殊季节或气候条件下的养护工作。例如，在夏季高温天气对混凝土进行施工时，混凝土浇筑成型后，利用高压水枪洒水配合自动喷淋系统进行养護，保证混凝土养护条件，防止出现温度裂缝;冬季施工时，外界气温较低，浇筑完成后需要对混凝土易冻部位加强保温，避免混凝土发生冻害。

3.3 控制水化热

通过掺加外加剂，合理减少水和水泥用量，控制放热高峰。夏天施工时，应对混凝土管道全程洒冷水，对矿砂场进行遮阳处理，掺加冰水对混凝土进行搅拌，合理控制混凝土出机和入模温度;冬季施工时，应采用蒸汽养护，在浇筑初期采用蒸汽加热，防止混凝土表面与外界低温环境直接接触，使水化热快速散失，导致结构内外温差急剧增大，确保箱梁混凝土在早期温度场作用下产生的温度应力满足规范要求。

3.4 混凝土入模温度控制

在混凝土骨料进场储存前，应先行搭建好空调房，控制储存环境的温度，降低骨料的温度;通过延长储存胶材的时间，并对罐体采用遮阳、喷水等措施，降低混凝土搅拌后的温度，控制水泥、矿粉的温度低于60 ℃，粉煤灰温度低于40 ℃。

3.5 拆模时间控制

对混凝土进行拆模时，应严格控制混凝土结构的龄期、强度和温度等。拆模时应挑选一天中温度最高的时间段，拆模后应该立即进行保温、保湿和防风等养护，以免导致拆模后混凝土表面迅速降温形成较大温差，进而产生较大的温度应力。

4 结论

本文论述了混凝土箱梁早期温度裂缝产生的主要原因，对近年来混凝土箱梁早期温度场的相关研究进行了综述，并介绍了混凝土箱梁早期温度裂缝的防控措施，得到了以下结论。

①箱梁混凝土水化热、内外温差、结构尺寸等使箱梁各个部位产生非均匀温度场，非均匀温度场产生引起的变形遇到结构内部纤维和外部约束时会产生较大的温度应力。

②为控制混凝土箱梁早期温度场，可采取分层浇筑、科学养护、控制水化热、控制混凝土入模温度和控制拆模时间等措施。

参考文献：

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[8]张君，祁锟，侯东伟.基于绝热温升试验的早龄期混凝土温度场的计算[J].工程力学，2009（8）：155-160.

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[10]唐明敏，张宏杰，万水.大体积箱梁0、1号块混凝土浇筑温度控制[J].世界桥梁，2013（2）：62-65.

[11]杨文，吴涛，方志.单箱多室混凝土箱梁水化热实测与分析[J].公路工程，2017（6）：254-260.

[12]陈黎阳.早龄期混凝土箱梁温度场分析[J].公路交通科技，2018（10）：50-55.

[13]贺国峰，刘永健，张宁，等.大跨混凝土箱梁水化热温度场的现场实测分析[J].公路，2019（4）：125-131.

[14]李福友.宽幅PK混凝土箱梁温控防裂技术研究[J].铁道建筑技术，2020（8）：107-111.

[15]江东，曾勇，曾渝茼，等.养护工艺参数对连续刚构桥0#块混凝土早期温度场影响[J].北京交通大学学报，2021（2）：8-18.