桥梁大体积承台混凝土温度裂缝的控制措施

2010-03-21占仲欣

河南建材 2010年2期

占仲欣

1 同济大学桥梁工程系（200092） 2 浙江衢州市交通设计有限公司（324000）

桥梁建设中，高墩大跨桥梁承台多为大体积混凝土。关于大体积混凝土温度裂缝机理分析与控制的研究也非常多[1～4]，但关于在桥梁工程中应用的详细阐述与总结颇少。厦蓉高速AT5标段肇兴大桥主桥为(83+2×150+83)m连续刚构，下部结构最大墩高113m，主墩采用双薄壁空心墩，嵌岩群桩基础。主桥墩承台尺寸为长24.25m、宽21.7m、高5.5m，混凝土等级为C30，施工时必须按照大体积混凝土进行温度裂缝的控制。本文结合肇兴特大桥大体积承台混凝土施工，详细阐述大体积混凝土施工时，温度计算与温度裂缝的控制措施。

1 大体积混凝土温度计算

1.1 大体积混凝土裂缝产生的机理

1）水泥水化热是大体积混凝土中主要温度因素

混凝土在硬结过程中，由于水泥的水化作用，在初始几天产生大量的水化热，混凝土温度升高。由于混凝土导热不良，内部热量积聚，且水化热不易散失，而外部散热较快，从内部到外部形成一定的温度梯度。无论升温阶段，或是降温阶段，混凝土中心温度总是高于混凝土表面温度。因热胀冷缩，中心部分混凝土膨胀速率比表面混凝土大。因此，构件中心与表面各质点间的内约束以及来自地基及其它外部边界约束的共同作用，使混凝土内部产生压应力，混凝土表面产生拉应力。当温度梯度大到一定程度时，表面拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面产生裂缝。在升温阶段，混凝土未充分硬化，弹性模量小，因此拉应力较小，只引起混凝土表面裂缝。

随着水泥水化反应的结束及混凝土的不断散热,大体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段。由于混凝土内部热量是通过表面向外散发,降温阶段混凝土中心部分与表面部分的冷却程度不同，在混凝土内部产生较大的内约束，使收缩的混凝土产生拉应力。若降温收缩产生的拉应力较大，易在混凝土中心部位形成较高拉应力区,若拉应力大于混凝土此龄期时的抗拉强度，则构件产生贯穿裂缝。

2）外界气温变化的影响

大体积混凝土在施工阶段,外界气温的变化影响是显而易见的。因为外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高，如果外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外界混凝土与内部混凝土的温度梯度。

混凝土内部的温度是水化热的绝热温度、浇筑温度和结构物的散热温降等各种温度的叠加,而温度应力则是由温差变形造成的；温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般可达到 60～65℃，且有较大的延续时间（与结构尺寸和浇筑的块体厚度有关）。

3）约束条件与温度裂缝的关系

约束分为外约束和内约束（亦称自约束）。大体积混凝土由于温度变化会产生变形，而这种变形又受到外约束，便产生了应力，这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值，便引起裂缝。

由于以上原因，为了控制温度裂缝的产生，在原材料选用、浇筑方案、温控方案、施工过程控制方案等方面必须采取措施。

1.2 混凝土内部温度的计算

承台大体积混凝土内部最高温度不宜超过55℃,混凝土内部温度与表面温度温差、表面温度与环境温度之差不宜大于25℃，养护用水温度与混凝土表面温度之差不得大于15℃，以防止混凝土出现裂纹。

混凝土内水化热是由水泥的水化热、混凝土比热及导热系数决定的。混凝土内部温度的计算有两种形式，一是经验公式，另一是理论公式。本项目采用两个公式分别计算以校核。

经验公式为[4,5]:

其中:Tmax—混凝土内部最高水化热温度（℃）；T0—混凝土浇筑温度（℃）；W—每方混凝土中水泥实际用量（kg/m3）；F—每方混凝土中粉煤灰实际掺量（kg/m3）。

本项目混凝土施工中,T0＝17.8℃（通过热工计算,考虑水温10℃），W＝343kg，F＝86kg，预测 Tmax＝54 ℃。理论公式为[4,5]:

Q0max—绝热最高温升；W—每方水泥用量（g/m3）；θ—水泥水化热，3天水化热为:193J/g，7天水化热为:217J/g。参考国内若干品种水泥的水化热和厂家提供数据,最终的水化热（28天或更长时间）θ0定为 320J/g；C—混凝土比热，参考相关资料,承台混凝土平均比热为0.98kJ/kg·℃；ρ—为C30混凝土的密度，根据配合比取为2430～2500。

按照公式（2）计算，得 Q0max的取值范围为 42.5～53.3℃。

2 大体积承台混凝土温度控制措施

2.1 温度控制措施

施工中温度控制的目的就是将混凝土的内外温差控制在一定的范围内，以防止温差过大产生温度裂缝。通过对大体积混凝土裂缝产生的机理综合分析，主要从混凝土养护、原材料质量控制、配合比选取、控制拆模时间、布置密度较大的散热管道、外捂内降等几个方面来控制，确保内表温差及拆模时内外温差控制在25℃之内,最大降温速率小于2.0℃/d。具体措施为:

1）减少承台混凝土所受的约束作用。为尽量减少承台混凝土受到底部的约束作用,在浇筑封底混凝土完成后对其表面进行压光处理。

2）混凝土配合比。大体积混凝土结构裂缝的最主要原因是水泥水化热的积聚,因此选用山铝P.O32.5R低碱普硅水泥，严格控制C3A含量小于6%，碱含量小于0.6%,并参加较多的粉煤灰，以延长水化热峰值的出现时间，可有效缓解水化热的骤聚。肇兴大桥承台混凝土施工配合比为:水泥:粉煤灰:砂:碎石:水:外加剂＝343:86:734:1057:180:3.43。

3）外加剂。承台混凝土掺入了1.9%的NOF-2A型高效缓凝减水剂,延长了混凝土缓凝时间，改善混凝土的和易性，同时减少了拌和用水量，降低了水灰比（要求均低于0.42），降低了水化热。

4）粗细骨料级配控制。细集料选用中砂，尽可能减少用水量和水泥用量。石子选用连续级配碎石，并机械水洗，增加碎石的握裹力和混凝土的抗裂能力。

5）选择合理的浇筑时间。混凝土浇筑避开阴雨、大风等恶劣天气。根据计算承台一次浇筑时混凝土相应龄期内部的平均温度，第一天内部温度偏低，所以宜选择一天气温度较低的时间开始施工，降低混凝土的入模温度。在浇筑过程中,根据现场实际情况采取控制水温（加冰块、吹风散热等）、加快水循环、覆盖集料、模板防晒等措施进行混凝土温度控制。

6）散热管和测温设备布置

①散热管:设4层管径为50mm散热管，每层设4道测温管，层距1.0m，上下层距底面和表面0.7m、1.3m；散热管进出水口均露出承台侧面20cm。

②测温设备:为准确测量并便于操作，采用铜热电阻计测量混凝土内部温度，每个竖直面上共布置四个测点（承台上表面下50cm、中部每1m布置一个、承台底部），同时预埋测温管，使用温度计配合测温。

散热管与测温点的立面布置示意图如下图1所示。

③测温记录:记录要求1～5天每2小时测温一次；6～14天每4小时测温一次；14～28天每8小时测温一次；28天之后视温度变化情况再定。

7）通水散热与水温控制

①通水散热:通水散热选用4台离心式水泵、一个2×3 m的水箱和多个节制阀门,分配方式为每两层散热管配置一台水泵，每两个散热筒配置一台水泵，每台水泵由一个水箱（不小于5m3）提供水源。自混凝土开始灌注时,测量混凝土入模温度、当地气温，作为计算内部温升的基础。当浇筑至第一层散热管位置处时，即对散热管通水，同一层4道散热管的进水口连接在一根总管上，各设阀门，单根管水流流速按1m3/h控制，出水口汇于同一水箱内。

②水温调整:若实测混凝土内部温度与实测进水口温差大于25℃时,应调整水温:若水温比混凝土内部温度低的多，则要通过对水箱加热直至两者温差小于25℃后停止加热，并要提高流速,加快散热速度。通水时间不小于10天。

2.2 温控结果分析

根据测量收集的数据,对混凝土温度变化过程进行了分析:混凝土入模12小时内迅速升温，接近25℃；三天后内部最高温度达到52℃的峰值，与理论计算的基本相符。随后温度开始下降，下降梯度为1.8℃/d；10天后，温度梯度线趋于平缓。自浇筑开始至拆模，共通水散热18天。拆模时外界气温24℃,承台中心处最高温度为48.8℃,距离承台外边缘0.5 m处的测点的平均温度为31.01℃，拆模时满足内外温差小于25℃的要求。

温度沿高度方向上，在承台中心偏下位置最高，沿此点向两边逐渐降低，在距离顶面1m范围内温度梯度最大。底面由于封底混凝土的保温效果好，温度下降较慢。沿水平方向，从承台中心到边缘，温度逐渐下降。图2是对角线第三层温度随时间变化过程曲线,曲线反映温度随时间的变化与计算预测一致，因而冷却系统可保证良好的温度控制效果。