承台大体积混凝土水化热温控措施研究

陈 洪

(中铁大桥局集团第八工程有限公司，重庆 400039)

随着我国桥梁建设的迅速发展，桥梁构件的截面尺寸逐渐增大，大体积混凝土浇筑也随之成为一个难点。GB 50496-2009大体积混凝土施工规范对大体积混凝土定义为:混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。对大体积混凝土进行分层浇筑是对混凝土水化热温控的重要措施，然而分层浇筑会降低施工效率，影响浇筑质量。对于大体积混凝土一次浇筑方量的最大值，目前尚未有明确规定。以在建的重庆寸滩长江大桥的承台为例，基于承台一次浇筑完成3 199 m3混凝土，对混凝土水化热进行了相应数值分析并提出了相应温控措施。

1 工程概况

重庆机场专用快速路工程南段寸滩长江大桥分主桥及南北引桥两大部分。寸滩长江大桥主桥为主跨880 m的钢箱梁单跨双塔悬索桥，主缆边跨250 m，分跨为250 m+880 m+250 m，主跨矢跨比1/8.8，两根主缆中心距39.2 m;主塔为门式框架结构，主塔基础采用分离式承台，寸滩长江大桥1号、2号主塔，其承台采用八边形，纵、横向总长均为24.6 m，承台厚6 m，采用C40混凝土，单个承台混凝土量为3 199 m3，承台混凝土一次浇筑完成。

承台及冷却水管示意图见图1。

2 温控计算理论

2.1 水泥水化热计算

水泥水化热是混凝土温升的决定性因素，水泥水化热有几种不同的计算公式，通常采用指数式计算公式:

其中，Q(τ)为在龄期τ时积累的水化热;Q0为在τ→∞时的最终水化热;τ为龄期;m为常数，随水泥品种、表面及浇筑温度不同而不同。

2.2 热传导方程

承台受到水泥水化热影响，结构温度随着时间变化，结构内部为非稳定温度场，其热传导方程可以用下式:

2.3 初始条件和边界条件

结构的温度是随着时间和空间变化的，热传导方程有无穷解，如果要求得所需要的正确解，需要知道初始条件和边界条件。

图1 承台及冷却水管示意图

1)初始条件。混凝土在入模时，结构温度是均匀分布的，可以认为初始条件就是混凝土入模状态。初始条件可以用下式表示:

2)边界条件。承台热交换主要包括两个方面，承台混凝土和空气热交换、承台混凝土和地基的热交换。承台和空气热交换时，热量的交换与两者的温度差值有关，可以用下式表示:

其中，β为导热物体表面散热系数;Ta为空气温度;λ为导热体的导热系数。

承台混凝土和地基进行热交换时，在接触面上热流量和温度都是连续的，可采用下面公式:

3 温控措施研究

在实际施工过程中，难以全部满足理论计算中的条件，如何在实际施工中对结构进行温控成为了难点。大体积混凝土施工温控措施很多，然而这些措施需要增加不小的额外费用，在不增加额外费用情况下对温控措施进行优化成为了研究的重点。

3.1 水冷管布置优化

目前，在大体积混凝土施工中，上下层水冷管通常采用相同的布置方式。这种布置方式的缺点在于会造成结构内部温度不均匀，未布置水冷管部位降温效果较差，整体降温效果也较差。采用上下层水冷管交叉布置可以取得整体降温效果，在有限元模型中建立两种水冷管不同布置方式，下面对两种布置方式进行对比分析。

从图2可以看出，水冷管采用交叉布置降温效果好于上下层相同布置，采用上下层相同布置方式结构内部最高温度较交叉布置高2℃。采用交叉布置不仅可以降低结构温度最大值，局部区域降温效果也好于水冷管上下层相同布置。

图2 水冷管布置效果对比图

3.2 冷却水研究

在水冷管中通入冷却水，是大体积混凝土温控的重要措施，冷却水的研究对大体积混凝土温控有重要意义。在夏季施工时，冷却水温度应较低，从而取得较好的温控效果。在冷却水中加冰块降低冷却水温度是一种有效措施，然而这种措施费用较高。对于承台大体积混凝土施工，取水较为容易，通常在江河中直接取水。江河中水流通常呈表面水温较高，而底部水温较低，可以抽取江河底部水作为冷却水。

冷却水的水流量是一个重要方面，GB 50496-2009大体积混凝土施工规范中规定，在混凝土内部通水降温时，进出口水的温度宜不大于10℃。进出水口温度差值与混凝土内部温度和流量有关，在施工过程中，一方面要参考理论计算给出的水流量值，另一方面要根据实际的进出水口的温度差值和结构内部温度峰值，以此来调节冷却水流量。

冷却水管通水时机也是温控的重点，混凝土从浇筑到硬化这段时间，混凝土放热很小，这段时间不需要通水。混凝土开始硬化后，水泥水化热迅速增加，此时水冷管需要开始通水。如果通水时间过早会造成不必要的浪费，通水较晚会造成结构内部热量的积累。

3.3 浇筑时间控制研究

大体积混凝土的浇筑通常会持续几天，在浇筑过程中可能会出现顶层混凝土浇筑结束后，底层混凝土的温度已经降下来并趋于稳定。浇筑时应合理控制浇筑持续时间，一方面要避开上下层混凝土温度高峰期重合，同时要保证混凝土浇筑的连续性，其目的是为了降低承台内部温度峰值。

根据经验，混凝土一般在浇筑后20 h～22 h开始硬化，混凝土硬化时迅速放热，在硬化后20 h左右，混凝土内部温度达到最大值。根据上述分析，浇筑一层混凝土的时间控制在1 d左右比较适宜。此时底层混凝土温度高峰已过，进入降温阶段，而顶层混凝土温度逐渐增大。

4 温控计算分析

承台的施工方案在制定后，需要对施工方案进行温控计算，温控计算采用有限元计算软件MIDAS/FEA。根据施工方案建立有限元分析模型，对施工阶段的水化热进行模拟，分析施工阶段承台的温度场和应力分布。在模拟承台混凝土浇筑过程中，考虑了以下问题:混凝土入模温度、结构热交换边界条件、冷却水管、大气温度以及浇筑模板的影响。

4.1 计算参数

混凝土入模温度为28℃，冷却水管参数如下:冷却水管直径0.05 cm、冷却水管流量2.0 m3/h、对流系数319.55 Kcal/(m2·hr·℃)、通水时间7 d。混凝土的参数如下:比热0.25 Kcal/(kg·℃)、热传导率2.5 Kcal/(m3·hr·℃)、绝热升温45.8℃，混凝土标号为C40。

4.2 计算模型

承台为对称结构，建立1/4结构网格模型，在对称面采用对称边界条件(见图3)。模型热交换边界条件分为两类:结构和大气热交换、结构和地基热交换。模型节点数为103 576，模型单元数为112 742，其中地基单元1 534个，混凝土单元111 208个。

图3 1/4承台模型图

图4 最高温度时温度分布云图

4.3 温控计算结果

经过计算分析结果如图4～图6所示。

图5 典型节点温度时间曲线图

图6 典型节点应力和允许应力图

通过计算可以看出最高温度出现在40 h，温度最大值为73℃，有效控制了结构内部温度最大值，满足规范要求。结构最大拉应力出现在60 h，拉应力最大值为1 MPa，小于混凝土允许应力。

4.4 温控实际数据

实际温控效果是否理想，是检验温控方案的标准。为了便于对结构分析，将承台竖向分为四层，每层高1.5 m，对每层混凝土中心位置温度进行测试。寸滩长江大桥承台温度数据如图7所示。

通过图7可以看出，从混凝土浇筑开始到混凝土温度迅速升高大约有20 h，这期间混凝土温度升高较小。

图7 寸滩长江大桥承台温度

在实际控制中，根据冷却水进出口温差和混凝土的温度控制冷却水流量。当内部最高温度达到65℃时，增加冷却水管水流量，保证结构内部最高温度在规范允许的范围内。承台实测温度最大值为72℃，满足规范要求。

前面已经指出，在浇筑承台时需要注意浇筑持续时间。图7可以看出当混凝土出现峰值时，下面一层混凝土已经进入降温阶段，这种控制方法可以有效降低混凝土内部峰值。

5 结语

水泥的水化热是结构产生不均匀温度梯度的主要原因，在混凝土内部的不均匀温度场作用下，结构同时受到内部和外部的约束，结构不能自由变形，从而产生温度应力。当温度应力大于混凝土允许应力，结构会产生裂缝。既有文献已经提出了很多大体积混凝土温控措施，这些措施的关键都在于减小结构内外部温度差值。

本文结合实际施工，提出了在施工中可行的温控措施，这些措施在温控过程中取得了明显的效果，并且在寸滩长江大桥承台大体积混凝土温控中得到应用，承台在拆模后没有出现裂缝，温控过程中各项指标满足规范要求。

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