桥梁大体积混凝土水化热控制技术研究

赵 娜 王凯挺 张立明

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

桥梁大体积混凝土水化热控制技术研究

赵 娜 王凯挺 张立明

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

分析总结了大体积混凝土的概念及其结构特点,列举出大体积混凝土一般的温度计算方法,并概括了大体积混凝土水化热的施工控制技术，经过对大体积水化热的控制技术研究可为大体积混凝土的施工提供技术参考。

桥梁工程，大体积混凝土，水化热，控制技术

0 引言

现如今大体积混凝土水化热控制是否得当几乎成为衡量整个桥梁质量的重要因素之一。大体积混凝土是桥梁的重要支撑结构,承担起整个桥梁的重量。如果对其水化热控制不力,则会引起混凝土不同程度的裂缝,影响工程质量。大体积混凝土的温度裂缝是源于大体积混凝土中的水泥在早期硬化阶段发生水化反应，在这过程中散发出大量的热量，由于混凝土的绝缘性能，因而会在混凝土内外表面产生温差，引起温度变形产生混凝土裂缝。所以为了确保桥梁整体质量，需要我们对大体积混凝土的施工控制进行研究，尤其控制大体积混凝土的水化热，避免产生较大的温度裂缝。在桥梁施工中严格按照我国最新JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范中的要求，控制水化热引起的温度不超过25 ℃。

1 大体积混凝土的概念及特点

1.1 大体积混凝土的概念

1)JTG/T F50—2011公路桥涵施工技术规范认为如果混凝土结构在浇筑时，结构的最小截面尺寸在1 m～3 m以内,并需要采取措施控制水化热引起的温差在25 ℃以内的混凝土,称其为大体积混凝土。

2)JGJ 55—2000普通混凝土配合比设计规程关于大体积混凝土概念:混凝土结构的最小截面尺寸不小于1 m或者由于混凝土产生热量致使混凝土内外表面温差超过25 ℃而产生裂缝的混凝土称之为大体积混凝土。

3)中国冶金建筑研究院总院的王铁梦教授经过多年的研究,是这样定义大体积混凝土的:在土木工程中的一些混凝土结构,受到温度应力的作用后结构自身不能抵抗收缩拉应力而出现裂缝的混凝土结构。

4)日本建筑学会经过多年的研究总结出,当混凝土结构在浇筑时,受到混凝土中水泥水化热的影响,内外温度差大于25 ℃,并且结构的最小断面尺寸大于0.8 m的混凝土称之为大体积混凝土。

5)美国混凝土学会认为如果混凝土结构截面最小尺寸足够大,大到必须采取措施来解决水化热以及水化热导致的结构体积变形,并且还需要现场浇筑的混凝土结构称之为大体积混凝土。

到现在为止专家们对于如何定义大体积混凝土这一问题还未达成一致看法。因为仅仅通过结构断面的尺寸来确定是不是大体积混凝土是不够全面不够确切的,水化热对结构的影响需要综合考虑结构断面水泥材料、环境温度、大气环境、结构尺寸等等一系列因素的影响[2]。

1.2 大体积混凝土的特点

大体积混凝土具有以下4个重要的特征:

1)混凝土是由粗骨料(碎石、卵石等)、细骨料(河砂等)、水等按照一定的配比,经过均匀搅拌、碾压、养护等阶段形成。现在混凝土是最普遍的土木工程材料之一。它的抗拉强度一般约为极限抗压强度的1/10左右,属于抗拉强度非常低的脆性胶凝材料。短期荷载下拉伸变形能力只有温降8 ℃左右变形能力。

2)大体积混凝土结构一般都是暴露在空气或者水中,周围大气气温或者水中水温会对结构产生很大的拉应力。

3)由于结构截面最小尺寸比较大,表面积相对于体积来说比较小(体表比较大),混凝土中的水泥在水化反应中产生大量的热量,使混凝土内外表面产生温差,引起混凝土的温度应力,但是混凝土的抗拉强度非常低,只有抗拉强度的1/10(如C30混凝土的抗拉强度为1.43 MPa),所以如此大的温度应力就会导致混凝土结构出现裂缝。

4)由于钢筋抗拉强度非常高,一般来讲,配筋率高的结构不容易出现裂缝,而大体积混凝土如桥梁中的大体积承台结构配筋率很低,相对于较大的断面尺寸,结构的含钢率是非常低的。在水化热等作用下产生的温度应力大部分只能由混凝土来抵抗[2]。

2 大体积混凝土的常用温度计算公式

在大体积混凝土施工前，必须对混凝土结构可能会产生的水化热进行预测计算，只有这样才能对结构采取相应有效的措施，控制水化热产生的温度，进而控制大体积混凝土产生的温度裂缝。

水泥水化热的计算公式：

Q(τ)=Q0(1-e-mt)

(1)

其中,τ为龄期，d;Q(τ)为对应龄期的累计水化热，kJ/kg;Q0为最终水化热,kJ/kg；m为常数，对应水泥的品种、比表面积以及浇筑温度[3]。

混凝土绝热温升计算公式[4]为：

θ(τ)=Q0W(1-e-mt)/cρ

(2)

θ(τ)=Q0(W+kF)(1-e-mt)/cρ

(3)

其中，θ(τ)为龄期τ时混凝土的绝热温升，℃；Q0为1 kg水泥的最终水化热，kJ/kg；c为混凝土的比热，kJ/(kg·℃);W为1 m3混凝土中的水泥用量，kg/m3；ρ为混凝土的密度，kg/m3;m为常数，见表1；F为混合材用量，kg/m3；k为折减系数，可取k=0.25。

3 大体积混凝土水化热控制施工技术

3.1 大体积混凝土结构水化热的控制标准

表1 常数m取值

我国GB 50496—2009大体积混凝土施工规范对于大体积混凝土温度指标规定：1)混凝土浇筑体入模温度温升值不宜大于50 ℃；2)大体积混凝土浇筑体内外温差不得大于25 ℃；3)大体积混凝土结构的降温速率不得大于2.0 ℃/d；4)大体积混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20 ℃。

在大体积混凝土施工前，必须对我国关于大体积混凝土水化热控制标准有所了解，这样才能在施工中严格按照规范要求进行作业管理。

3.2 水泥混凝土的优化配比设计

1)采用水化热相对较低的水泥。在一般的情况下水泥中的铝酸三钙含量越高,水泥的水化热也就越高,因此针对大体积混凝土结构中水泥的选择上应该避免选择水化热较高的早强水泥,尽量选择使用矿渣水泥或者是普通硅酸盐水泥。

2)减小水泥的用量。水化热的主要来源就是水泥的水化反应,因此在水泥混凝土的配比设计过程中,应确保在满足施工设计要求的前提下,降低水泥混凝土中的水泥用量,或采用外加剂以降低水泥用量，防止混凝土的温度变形。

3)对水泥混凝土的集料级配进行优化。调整优化水泥混凝土的集料级配,减少胶凝材料的用量。因此在水泥混凝土的集料级配的确定上,尽可能采取大骨料,但必须保证混凝土的强度满足要求,而且便于进行泵送施工作业。

4)适当掺加粉煤灰以及矿渣粉等混合材料。粉煤灰中含有较高的活性二氧化硅,所以在水泥混凝土中可以取代部分水泥,并能提高混凝土的和易性。矿渣粉则可以起到提高混凝土抗负荷能力的作用。因此,在水泥混凝土的级配设计中,应当适当掺加这些混合料,以改善混凝土的水化热效应。

5)采用外掺剂。在桥梁大体积混凝土施工中,常用的外掺剂主要有减水剂、混凝剂以及膨胀剂。其中减水剂由于具有减水和增塑的作用,因此可以在确保水泥混凝土强度的前提下降低水泥水化热。缓凝剂有抑制水泥水化以及延长混凝土凝结时间的作用,还可以放慢混凝土的放热速率,并降低其最高温度。膨胀剂则能抵消混凝土内部的温差收缩应力。所以在水泥混凝土配比设计中,可采用这些外掺剂,提高混凝土施工质量。

3.3 预埋冷却水管

预埋冷却水管是最直接的降低水泥混凝土内部水化热的措施,通过冷却水与循环管之间的热交换,降低水化热造成的温升。对于冷却水管的布置,一般选择便于操作的矩形排列方式,冷却水管一般选择15 mm～25 mm的薄壁钢管,流量一般控制在0.6 m3/h～2.8 m3/h。对于冷却水温度,按规范要求控制在20 ℃以内。冷却水管的间距控制在0.8 m～1.5 m。在完成大体积混凝土浇筑以后应该及时通水冷却,并确保通水冷却的连续性,以达到降低水泥混凝土内部温度的目的。

3.4 大体积水泥混凝土的浇筑

如果要采取最有效的方法控制大体积混凝土的水化热,则必须结合大体积混凝土结构的现实情况采取分层、分块的浇筑施工作业方式,对大体积混凝土的每一块采取薄层浇筑技术,以使水泥混凝土内部的水化热得到有效的散失,减少外应力和温度应力，降低混凝土内部温度，对于各块之间可以采用后浇带的方式进行连接[4]。在分层浇筑的时候尽可能缩短间歇的时间，这样可以避免由于间隙时间不当造成裂缝问题的发生,同时分层浇筑以适应桥梁大体积混凝土结构体积大、结构复杂的特点,要求斜面的坡度不大于1/3。通常在水泥混凝土的振捣时,采用“快插慢拔,逐点移动,顺序进行”的方法,并确保与侧模保持5 cm～10 cm的距离,直到混凝土无气泡冒出、表面平整不泛浆、完全密实为止。

3.5 大体积混凝土的养护

大体积混凝土的养护，既要满足混凝土本身强度增长的需要，也要采取人工温度控制，避免引起混凝土温度裂缝的出现。对于大体积混凝土的养护,一般分为保温和保湿两道程序。

1)保温：把大体积混凝土露在大气中的部分覆盖上保温材料，一般材料有锯木、湿砂、麻袋等。对大体积混凝土进行保温可减小混凝土表面热量散失速率,使混凝土获得必要的强度。

2)保湿：在保证混凝土强度的前提下在大体积混凝土表面按时喷洒自来水，保持混凝土表面的湿润，防范发生干缩裂缝,同时确保水泥水化反应以及混凝土强度的提升。

4 结语

在桥梁施工过程中，控制大体积混凝土水化热对于避免大体积混凝土的开裂具有非常重要的作用。因此我们应当对大体积混凝土的水化热进行研究控制，了解水化热规律，根据水化规律可以在施工各个阶段采取相应有效措施，例如：水泥混凝土配比阶段、预埋冷却水管阶段、混凝土浇筑阶段以及混凝土养护阶段。进行有效的大体积混凝土水化热控制技术研究对提高大体积混凝土结构的施工质量有重要作用。

[1] 陈 辉.桥梁大体积混凝土水化热控制技术研究及实践分析[J]，道路工程，2011(8)：81-83.

[2] 苟 季.大体积混凝土水化热对结构的影响研究[D].南宁：广西大学硕士论文，2008.

[3] 王建彬.桥梁工程大体积混凝土水化热控制施工技术研究[J].桥梁与隧道工程，2014(5)：114-116.

[4] 刘琳莉.桥梁大体积混凝土水化热施工控制研究[D].成都：西南交通大学硕士论文，2012.

[5] 栾 尧.大体积混凝土水化热温度场的数值计算[J].工业建筑，2008(10)：81-85.

Research of hydration heat control technology for mass concrete of bridge

Zhao Na Wang Kaiting Zhang Liming

(CollegeofCivilEngineeringandBuilding,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper introduces the concept and characteristic of mass concrete, and then introduces the computing method about temperature of that, and this paper discusses the control method of the hydration heat. Based on the research of mass concrete bridge hydration heat control technology, this can give a good example for other bridge construction.

bridge engineering, mass concrete, hydration heat, control technology

1009-6825(2015)28-0152-02

2015-07-21

赵 娜(1990- )，女，在读硕士； 王凯挺(1991- )，女，在读硕士； 张立明(1991- )，男，在读硕士

TU755

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