公路桥梁大体积混凝土温度、裂缝控制要领

穆江山

(山西省交通科学研究院)



公路桥梁大体积混凝土温度、裂缝控制要领

穆江山

(山西省交通科学研究院)

公路桥梁施工对大体积混凝土施工工艺水平要求较高，尤其是对混凝土温度裂缝控制能力要求严格。因此只有做好材料选择、施工操作等各项环节的把关，才能才能保证大体积混凝土施工质量。结合某大桥桥台大体积混凝土的施工实例，详细介绍了大体积混凝土施工中如何做好温度裂缝的预防与控制工作，以供参考。

大体积混凝土；温度裂缝控制；施工要领

1 工程概况

某大桥跨径组合采用3×25+3×25 m,上部结构均采用装配式预力混凝土连续箱梁，采用多箱单独预制，简支安装，现浇连续接头的先简支后连续的结构体系，全长166.6 m，起讫桩号为K38+928.4～K39+095。下部结构采用柱式墩、重力式U型桥台、钻孔灌注桩基础。

2 U型桥台大体积混凝土温度控制

2.1 材料选择

(1)水泥

考虑普通水泥水化热较高，特别是应用到大体积混凝土中，大量水泥水化热不易散发，在混凝土内部温度过高，与混凝土表面产生较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。当表面拉应力超过早期混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝。因此确定采用水化热比较低的畅达P.O42.5硅酸盐水泥，通过掺加合适的外加剂可以改善混凝土的性能，提高混凝土的抗渗能力。

(2)粗骨料

采用碎石，粒径5～25 mm，含泥量不大于1%。选用粒径较大、级配良好的碎石配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。

(3)细骨料

采用中砂，平均粒径大于0.5 mm，含泥量不大于5%。选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。

(4)粉煤灰

由于混凝土的浇筑方式为泵送，粉煤灰对水化热、改善混凝土和易性有利，为了改善混凝土的和易性便于泵送，考虑掺加适量的粉煤灰。按照规范要求，粉煤灰取代水泥的最大限量为25%。按配合比要求计算出每立方米混凝土所掺加粉煤灰量。

(5)外加剂

混凝土采用全断面水平推进浇筑，因承台平面尺寸较大，单层浇筑所用时间较长，为此要求混凝土具有缓凝效果。按分层浇筑厚度为30 cm,则每层混凝土数量约为128 m3。拌和站工作效率为45～50 m3/h，每层混凝土浇筑时间为2.8～3 h左右。根据以往相关施工经验，确定采用徐州超力缓凝减水剂。实验室试配确定缓凝时间为不小于15 h，满足浇筑要求。

2.2 确定配合比

每立方米混凝土的水泥用量越多，混凝土内部产生的水化热量就越高，混凝土凝结时收缩量也越大，由于温度及温差与收缩的作用混凝土就越容易产生裂缝，影响混凝土质量。《公路桥涵施工技术规范》规定：“泵送混凝土的最小水泥用量为280～300 kg/m3，大体积混凝土不宜超过350 kg/m3”。要控制混凝土初期温度，一是要低温时浇筑，二是采用低水化热水泥或限制水泥用量，来降低混凝土内部的最高温度。混凝土采用双掺技术，掺粉煤灰和掺外加剂相结合的技术。经试验室试配对比，确定选用配合比为：(水泥+粉煤灰)∶砂∶碎石∶水∶高效减水剂=(304+101)∶803∶1 068∶170∶4.05，各项指标符合规范要求。

2.3 冷却水管

(1)冷却水管的埋设

冷却管采用热传导性能好，并有一定强度的输水黑铁管，公称直径32 mm。埋设间距严格按照施工图纸控制，每个回路的冷却管安装完成后，应及时试压，保证试压时的压力大于工作压力，仔细检查管子是否有渗漏水情况。

(2)冷却水通水控制原则

一是根据混凝土测温记录的温差来控制是否通水及通水流量，通水水量以温差控制在20～24 ℃之间，温差大，增加流量，温差小，减小流量；二是以混凝土降温速度控制在1.5～2 ℃/d来控制通水量，以保持在1.5 ℃/d为宜，降温慢，增加流量；降温快，减小流量。在实际施工时，用测温仪测进水口和出水口水温，以观测降温效果和控制降温速度。

2.4 混凝土内部温度计算

(1)根据水泥用量确定混凝土的绝热温升值

T(t)=WQ(1-e-mt) /(Cρ)[当Tmax(t)=WQ/(Cρ)，为最大值]

式中：T(t)为混凝土龄期为t时的绝热升温，℃；W为每m3混凝土的水泥用量，kg/m3；Q为单位水泥累计最终水化发热量，kJ/kg，P.O42.5水泥取377；C为混凝土的比热，一般为0.92～1.0(kJ/(kg· ℃))，取0.96；ρ为混凝土的重力密度，2 400～2 500(kg/m3)，取2 450；m为与水泥品种，浇筑温度等有关的系数，0.3～0.5(d-1)；t为混凝土龄期，d；e为常数(2.718)。

根据公式，当混凝土用量为304 kg时，内部最大绝热温升值Tmax(t)=WQ/(Cρ)=48.72 ℃。

(2)混凝土拌合物温度

T0=[0.9(mcTc+msTs+mgTg+mfTf)+4.2Tw(mw-wsms-wgmg)+C1(wsmsTs+wgmgTg)-C2(wsms+wgmg)]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf)]

式中：mw、mc、ms、mg、mf为每方混凝土的水、水泥、砂、石、粉煤灰的用量，kg；Tw、Tc、Ts、Tg、Tf为水、水泥、砂、石、粉煤灰的温度，℃，根据相关资料，除水取7外，其他取9；ws、wg为砂、石的含水率(%)，取ws=1.2%，wg=0.5%；C1、C2为水的比热容(kJ/kg·K)及溶解热(kJ/kg)，当骨料温度>0 ℃时，C1=4.2，C2=0。

根据公式，T0=[0.9×(304×9+803×9+1068×9+101×9)+4.2×7×(170-803×1.2%-1 068×0.5%)+4.2×(1.2%×803×9+0.5%×1 068×9)] ÷[4.2×170+0.9×(304+803+1068+101)]=8.53(℃)

(3)混凝土拌合物出机温度

T1=T0-0.16×(T0-Tb)=8.53-0.16×(8.53-9)=8.61(℃)

式中：T1为混凝土拌合物出机温度，℃；Tb为搅拌机棚内温度，℃。

(4)混凝土拌合物经运输至成型完成时的温度

T2=T1-(αt+0.032n)(T1-Ta)=8.61-(0.25×0.4+0.032×1)×(8.61-9)=8.66(℃)

式中：T2为混凝土拌合物经运输至成型完成时的温度，℃；T1为混凝土拌合物出机温度，℃；t为混凝土拌合物运输到浇筑完成时间，h，取24 min=0.4 h；n为混凝土拌合物转运次数，取1次；Ta为混凝土拌合物运输时环境温度，℃，取9；α为温度损失系数(hm-1)，用混凝土搅拌输送车时，取0.25。

(5)混凝土内部实际最高温度

Tmax=T2+ζTmax(t)=8.66+0.95×48.72=54.94(℃)(满足常规Tmax≤60 ℃的要求)

式中：Tmax为混凝土内部实际最高温度，℃；T2为混凝土拌合物经运输至成型完成时的温度，℃；ζ为不同浇筑块厚度、不同龄期时的降温系数，根据相关资料取0.95；Tmax(t)为内部最大绝热温升，℃。

对于不同混凝土浇筑厚度(H)和浇筑后不同龄期的温度变化，根据计算及施工测量经验，混凝土内部实际最高温度一般发生在混凝土浇筑后的第3～7 d左右。

根据T0公式和混凝土配合比可知：碎石的比热容虽然较小，但每m3混凝土所占重量达50%左右，水的重量在每m3混凝土中的比例虽然不大，但比热容较大。所以影响混凝土拌合物温度的主要因素是碎石和水的温度，要想获得较低的混凝土拌合物的温度，最有效的措施就是降低碎石和水的温度。浇筑过程中如果气温过高，可采用对碎石浇水进行降温，水的温度一般都低于气温，无需采取其他降温措施，施工过程中尽量减小混凝土成型时的温度有利于控制混凝土内部最高温升。

根据Tt公式，影响混凝土内部最高温升的主要因素是每m3混凝土中水泥的用量及单位水泥的水化热。所以施工中采取的措施是尽量降低每m3混凝土中水泥的用量，采用掺加粉煤灰和外加剂的双掺技术减少水泥用量。

2.5 冷却循环水管降温方案

为了减少混凝土内部的最高温升，采用冷却循环水管降温措施。冷却水管采用施工设计图的热传导性能好，并有一定强度的输水黑铁管，公称直径32 mm，在桥台内设5层。混凝土浇筑至相应位置时，向冷却水管内注水循环冷却。

在桥台边设一蓄水箱，用水泵与冷却管连接，在开始通第一层返冷却水之前，因水箱水温较低，先加热循环水，待出水口循环热水出来后，利用部分热水返回水箱并添加适量冷水，二次循环冷却水。

在注水冷却的过程中，安排人员经常测量温度，当进水口与出水口的温度相差过大，且出水口的温度较高时，要及时增加进水的水压以加大循环水的内流速与流量，以降低出水温度。

3 U型桥台大体积混凝土裂缝控制

理论计算公式：当厚度大于1 m时，贯穿或深进的裂缝主要是由平均降温差和收缩差引起的收缩应力所造成，裂缝一般出现在降温过程，混凝土因内外约束引起的温度应力可简化为如下公式计算：

σ=-[(E(t)a△T) ÷(1-v)]×S(t)R

混凝土的最大综合温差：

△T=T2+2/3T(t)+Ty(t)-Th

式中：T2为混凝土拌合物经运输至成型完成时的温度，℃，同上式计算；T(t)为混凝土的水化热绝热温升，℃，同上式；Ty(t)为混凝土收缩变形换成的当量温差，Ty(t)=εy(t)/a；Th为混凝土浇筑后达到稳定时的温度，一般根据气象资料取当年平均气温值，13.3 ℃；

试算：已知条件，C35混凝土，水泥用量304 kg/m3，浇筑时温度为9 ℃，养护期间气温亦为9 ℃，从相关规范得知在15 d时的降温过程最大。

查《路桥施工计算手册》，取m=0.3，则15 d的绝热温升值为：

T(15)=[(304×377)×(1-2.718-0.3×15)] ÷(0.96×2 450)=48.18 ℃

Tmax(t)=WQ/(Cρ)=48.72 ℃(最大绝热温升值)

依据现场实际情况，查得M1=1，M2=1.35，M3=1，M4=1，M5=2.55，M6=0.93，M7=1.1，M8=1，M9=1.1，M10=1，则混凝土的收缩徐变为：

εy(15)= 3.24×10-4×(1-e-0.01×15)×1×1.35×1×……×1=1.7×10-4

混凝土15 d的收缩当量温差为：Ty(15)= 1.7×10-4/1.0×10-5=17 ℃

混凝土的最大综合温差为：△T= 8.66+2/3×48.18+17-13.3=44.48 ℃

混凝土15 d的弹性模量为：E(t)=3.15×104×(1-2.718-0.09×15)=2.33×104

混凝土的最大降温收缩应力为：σ=[(E(t)a△T) ÷(1-v) ]×S(t)R=-[2.33×104×1.0×10-5×(-44.48) /(1-0.15)]×0.35×0.35=1.49

安全系数：K=2.2/1.49=1.48>1.15，满足要求。

以上计算全部取最不利情况，但是在施工中还加冷却水管降低内部温度，混凝土表面还采取了保温等措施，故结构是安全的。

在浇筑过程中混凝土的重量不断增加，混凝土从初凝到终凝过程中本身强度不高，若此时地基的不均匀沉降过大会导致混凝土开裂并产生衍射。因此，要详细对桥台基础地基承载力(≥0.15 MPa)作检测，对不能满足要求的地基要作处理使其符合要求，并严格按设计施工2 m厚的C30基础以保证基底的稳定性。

外部裂缝主要由于内外温差太大引起，故在浇筑养护期间对混凝土的表面实行保温养护。养护期间安排专人进行测温，测温内容有预埋温度传感受元件、混凝土表面温度等。根据测温情况，随时调整冷却冷却循环水管的进出水量，如内部温度过高采取加大流水量、调换进水口等措施。

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[3] 徐丰，王波，张海龙.混凝土连续箱梁桥温度应力对比分析[J].交通科技，2008，(4):9-12.

2015-02-18

穆江山(1982-)，男，山西太原人，研究方向：公路、桥梁、隧道工程施工。

U442

C

1008-3383(2015)11-0150-02