桥台基础大体积混凝土温缩裂缝控制探究

韩伟华

（山西黎霍高速公路有限公司，山西 长治 046000）

一、数值模型的建立

此次模拟的目的在于，确定桥首与桥尾的大体积U型桥台在浇筑过程中与养护过程中，不产生高于20℃的内外温差。当温差大于20℃时，由于内外的收缩不均匀，将直接导致混凝土产生收缩裂缝，内外收缩不均匀产生的裂缝将直接导致钢筋的外保护层丧失保护功能，承台的使用耐久时间会大幅度缩短。

此次模拟试验为某桥体桥首墩台与桥尾墩台混凝土水化热表里温度控制工程校验试验。混凝土材料选取C40混凝土，桥首墩台长9m、宽7.885m、高8.25m，中间U型空洞尺寸为3.7m×2m，总体积为524.411m3。桥尾墩台长10.3m、宽7.8m、高7.92m，中间分别有5.2m×1m、5.2m×1.2m的两处U型构架空洞，总体积为545.688m3。

图1 混凝土模型

二、数值模拟结果分析

此次模拟共设计混凝土养护时长14天，因为混凝土通常在第2天至第4天内达到水化热产生温度的峰值，模拟过程中在桥台混凝土中心至混凝土结构表层等间距设置4处温度监测点，模拟温度云图如图2所示，其中A、B、C、D4点分别对应图3温度变化图中的4个测点。

图2 模拟温度云图

图3 温度监测图

模拟的温度监测图如图3所示，可明显看出在混凝土浇筑完成后的第3天，桥台中心温度达到了峰值，即60.986℃，而此时混凝土外表面温度已经降低到了32.921℃，内外温差明显超出规范要求的20℃。因此，如果不采取保护措施或处理措施，桥台混凝土必然会产生温度裂缝。

由于浇筑前，工程已经考虑到混凝土的水化热问题，降低了混凝土水泥的用量，并掺入粉煤灰、添加剂等降低水化热产生量的合成材料。同时选择浇筑时间为错过早高峰与晚高峰的交通通畅的时间，即在22时至次日6时的区段内开展混凝土浇筑，使混凝土在炎热的8月中旬不会受到更多的暴晒，同时能够让混凝土在一天之中温度最低的区段内搅拌制成。这样可有效地降低混凝土的初始温度。

但是，如图3所示，在以日本JSCE 2012标准为参照，利用混凝土绝热升温函数计算后发现，对混凝土内外温差起决定性作用的并不是混凝土浇筑时的初始温度，而是混凝土终凝后的养护措施。其中，结构接触的河床等急速吸收热量的地基土体，使得混凝土内外温差的控制难度再次增大。要控制混凝土结构的内外温差，必须解决外表面散热过快的问题。

三、加设保温层方案的提出

通过模拟试验结果分析可知，在绝热升温环境下混凝土内部最高温度达到60℃以上，但是并没有超出混凝土结构内部最高温度70℃的阈值。因此，通过综合设计方案，结合施工过程中的工期要求、进度要求，以及成本要求等多条件、多维度考虑，在成本增加有限的情况下，设置保温层结构不仅能够保证工期，同时技术要求较低，不需要对操作工人开展更多的继续教育培训，降低了管理成本。

加设外保温层结构的数值模拟模型如图4所示，考虑到混凝土桥台上层仍需要继续施工，无法安装保温层，因此对上表面设置了空气对流换热；考虑到施工时所选的时间为晴天，因此设计风速较低；由于空气温度不高，因此设置空气对流换热边界，换热速率为50W/m2·k。施加了保温层的结构和下部结构增设混凝土垫层，支模时，环绕部分可以添加泡沫板、塑料薄膜、土工布，还可以在边界线上封堵阻燃发泡胶以防出现漏风、跑风或浸水等现象。在设置换热速率时，应参考工程材料指标规范提供的数据，泡沫板与土工布结合结构保温参数设置为0.06W/m2·k。

图4 加设保温层结构图

同时，数值模拟过程中要结合实际工程考虑，由于施工环境较为恶劣容易造成塑料薄膜微量破损，而土工布受潮或湿润会大幅度降低其保暖特性，泡沫板由于相对较低的抗弯强度容易产生破坏裂缝等问题，最终设置结构下卧层的混凝土垫层热交换速度为10W/m2·k，保温保湿的塑料膜与土工布及泡沫板的热交换速率为3W/m2·k。

四、优化方案结果分析

通过设置保温层，保障了混凝土结构的内外温差最大值控制在20℃以内，使混凝土结构温缩裂缝得到有效控制。而且，使用保温层对总体积分别为524.411m3、545.688m3的桥首墩台与桥尾墩台进行保温，材料均价成本不超过每立方米10元。其中人工费用也能够在施工过程中均摊至支模费用中，在保障了工程质量的同时最大程度地缩短了附加工期与相关工序的成本投入。

添加保温层后，混凝土结构整体温度云图如图5 所示，通过对比可以看出，不论是混凝土水化热反应的初始阶段还是混凝土养护阶段即将结束时，混凝土整体温度的一致性得到了明显提升，加设了保温层结构的混凝土温度得到了明显提升。同时也发现了一个新的问题，即难以施加保温结构的上表面的温度仍然过低，该问题可以通过后续铺设保温层或及时覆盖塑料薄膜、复合保温被、土工布等结构控制。

图5 添加保温结构后温度云图

温度对比折线图如图6所示，添加了保温结构的混凝土桥台，峰值温度得到了明显提高，达到了65℃以上，混凝土结构中心温度测点1在达到了峰值之后，有明显的骤降现象，其原因在于混凝土结构与周围环境的温差过大，造成了更明显的降温。而纵观整个混凝土结构养护过程可以发现，相比没有保温层结构的温度折线图，添加保温层结构后，4条曲线的接近程度有了明显的提升，间距更小，虽然随着时间的推移，温差逐渐拉大。但是，由此数值模拟验算的估值可以采取相应的控制措施。

图6 添加保温层监测点温度图

如图6所示，从第4天起，4个测点的温度开始拉开梯度，此时如果及时在混凝土桥台上部结构上铺设保温层，那么就能够有效地提升表面温度，使得温度差值得到控制，最终混凝土结构的温缩裂缝会得到有效控制。

五、结语

结合实际施工计划流程进行相应的施工技术手段控制，最终得出3项结论。

第一，常规的混凝土浇筑施工，由于U型电梯壁的整体体积巨大，会产生大额度水化热热量，使得结构中心温度在第3天达到峰值，而由于表层结构散热过快，最终内外差值过大会产生温度收缩不均匀裂缝。

第二，如果在电梯壁基础上设置保温层，那么由于表层结构散热速度变慢，热能积攒，混凝土中心会产生更高的峰值温度，但是并不会超出标准规定的70℃。而外表面由于保温层的设置，会保持更高的温度，最终整体结构不会产生温度裂缝。

第三，在有限的成本投入状态下，土工布与塑料薄膜是最佳的保温层材料，能够保证混凝土结构内外温差相差不大，同时安装技术要求低，可以用较少的人力快速安装，是低成本、低工期、快速度的优良水化热温控措施。

综上所述，在大体积混凝土桥梁墩台的浇筑工程中，由于河水下淤泥质土的快速吸热，以及桥洞形成的较快速度的风流，都会使得混凝土内外温差超过标准值，进而导致混凝土不均匀温缩裂缝的产生。而通过计算模拟数值，在投入较低的紧急工期环境下，设置保温层，不仅成本低、安装快，而且效果显著。