水冷管法在大体积混凝土结构裂缝控制中的应用研究

（福建路发工程勘察设计有限公司， 福建 泉州 362000）

0 概述

近年来，随着基础设施建设的快速发展，我国大型、特大型桥梁日益增多。由于构造需要，桥梁承台、悬索桥锚碇及基础结构采用大几何尺寸的设计方案，混凝土体积多达几百至几万立方米。大体积混凝土结构厚实、混凝土体积大、工程条件复杂（一般都是现浇且多为地下或半地下建筑）、施工技术要求高，水泥水化热易使结构产生温度和收缩变形。桥梁施工过程中已出现多起大体积混凝土工程质量问题，对结构正常使用和耐久性带来不同程度的危害。因此，从设计、施工、质量管理角度研究提高大体积混凝土结构的防裂措施工程意义明显。

大体积混凝土结构是指混凝土结构物实体最小几何尺寸大于 1 m的大体量混凝土结构，或会因混凝土中胶凝材料（水泥）水化热引起温度升高，引起混凝土收缩而导致有害裂缝产生的混凝土结构[1]。水泥水化过程会散发热量，而混凝土自身导热性能低，表面与内部散热条件不同形成结构内、外部温度梯度，导致混凝土应力分布不均匀，使混凝土的内部产生压应力，表面产生拉应力（称为内部约束应力）[2]。混凝土表面所受到的拉应力过大所产生温度裂缝将影响结构的使用安全及耐久性。因此，采取适宜的温控技术措施以减小里表温差成为减少大体积混凝土结构温度裂缝的关键。目前国内外广泛采用在混凝土结构内部埋设冷却水管的方法（水冷管法）来控制混凝土内部温度，进而减少温度应力。根据大量工程实践，采用水冷管法可以有效降低混凝土内外温差，满足施工要求[3]。

1 大体积混凝土结构温度场特征

大体积混凝土一般采用分层浇筑法，每一浇筑层在垂直方向温度分布表现为上表层温度要低于中心层和底表层，中心层温度最高。上表层与空气接触，热量易扩散，中心层热量逐步累积，周围被混凝土包裹因而热量较难散发；底表层因有混凝土垫层或基础，热量散发难易度居中。因此，混凝土结构中心层热量的有效散失是水冷管法的关键点。

图1 大体积混凝土结构温度分布特征

余建杰[4]以某高层建筑大体积混凝土桩基承台为例，对考虑冷却水管作用下的承台内部温度进行了研究。结果表明，混凝土在达到最高温度值之前，温度急剧上升；达到最高温度后，温度下降速度较慢，距离表面最近的测点降温速率最快，越靠近承台形心降温速率越慢，各测点变化规律如图2所示，图中N63540及N61843点为承台中心附近温度测点。

从各测点形成的温度场分布图可以看出，温度的等值线成圈状分布；随着混凝土中水泥水化程度的衰减，最终在混凝土内部形成较为明显的高温集中区，与图1分析相吻合。各控制点的最高温度一般出现在混凝土浇筑完成后48～72h这个时间段内，混凝土的内部最高温度可以达到60℃以上。

图2 大体积承台不同位置温度时程曲线

2 水冷管法施工关键点

《大体积混凝土施工规范》要求混凝土浇筑体在入模温度基础上的温度升值不宜大于50℃，大体积混凝土内部最高温度不超过65 ℃，混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃[1]。

2.1 工程概况

龙浦大桥及连接线工程位于福建省漳州市华安县丰山镇龙径村，跨越九龙江北溪。桥梁全长为427m，主跨跨径为70m变截面连续箱梁。中墩采用矩形实体墩加承台，基础采用群桩。中墩承台尺寸为15.6×9.0×3.0m，采用C35砼，属于大体积混凝土结构。

2.2 砼温度监测及控制

（1）测温设备的选择

测温孔采用直径16 mm铁管布设。在测温点处采用预埋50 欧姆铜热电阻的测温元件，测温设备选用XQCJ-300 型温度自动平衡记录仪。

（2）混凝土内部测温点布置

测温点按三维方向布置，以混凝土浇筑体平面对称轴线的半边为测试区。监测点以混凝土结构中心为原点，中心点布设1个测温点，沿几何形状的纵、横向轴线每隔2m设置1组测温孔，沿承台高度方向每组布设3个测温点。顶部及底部测温点距承台混凝土表面为20cm。外露的测温孔用棉纱填塞，以防止水泥浆及杂物落入测温孔。

（3）混凝土温度监测及控制

混凝土初凝后，前5 天升温逐步上升，峰值维持 1 天左右后开始出现温度下降。升温阶段间隔2小时测温一次，降温阶段间隔4小时测温一次，第8天开始间隔8小时测温一次，绘制各测点的温度变化曲线。

2.3 冷却系统布设方式

根据混凝土水化热测试结果，对水冷管布置形式进行合理优化以实现经济效益。

（1）冷却管布设方式

承台冷却管采用导热性好并有一定强度的黑铁管，公称直径32mm（φ42.3×3.25mm）。水管进、出水口按照由热中心区流向边缘区的原则进行布设。承台混凝土根据共布设2层冷却水管，上下层竖直方向间距为 1.0m。每层浇筑体按水平1 m间距布置水管，设置“3进3出”。上下层分别按纵、横方向交错布置以增加降温效果。结构中心位置附近由于温度较高，通水管路长度较小以加快水体循环。冷却水管布置见图3。

图3 大体积混凝土结构冷却管平面布置方式（单位：m）

冷却管施工时，完成承台钢筋骨架，沿承台长、宽两个方向水平布设冷却管，两端各超出承台轮廓线不少于20cm。承台钢筋与冷却管采用点焊或绑扎固定，固定点间距不超过2 m。在混凝土浇筑前，需要对水冷管进行密闭性试验，保证水冷管在通水过程中的密闭性。相邻两根铁管在承台外采用柔性软管连接，弯转施工简便，容易拆除，且便于后期管内填充。

（2）冷却系统

由水泵、蓄水箱、冷却水管、控制阀以及流量计等形成冷却系统，冷却水采用江水。管路运行中通过调控水的流量来控制浇筑体内、外温差。混凝土硬化过程中使用水循环，可以吸收浇筑体中的热量，有效降低结构中心处温度峰值。

2.4 水冷管法施工注意事项

（1）水冷管的通水时机需要根据结构内部温度确定，在混凝土初凝前不宜通水，通水会造成管路震动，而此时混凝土尚未形成足够强度，会造成结构内部不利影响。混凝土初凝时水化热引起发热量迅速增加，结构内部温度也随之增加。监测过程中发现内部温度开始升高时即立即通水。

（2）通水时间间隔根据混凝土温度回升情况而定，并控制混凝土降温速率小于2.0℃/d，同时要经常调换进出水口。

（3）在通水过程中，加强监测砼内部温度及环境温度，要注意边缘保温措施，防止内外温差过大。订立温控指标，以此决定随时加厚或减薄保温层，以达到调控砼温差的目的。

（4）混凝土温度稳定后，在冷却管中注入微膨胀砂浆进行填充。

3 结论

（1）温度测试结果显示，承台几何边缘散热快，因而温度峰值低，中心部位热量不易散失，温度峰值高。

（2）从混凝土温度场的分布图可以看出，温度的等值线成圈状分布，温度从中心向边缘逐渐降低。混凝土中水泥水化程度开始较快，然后逐渐衰减，明显的高温集中区位于混凝土结构中心部位。混凝土在达到最高温度值之前，温度急剧上升，温度上升工程的持续时间为5天左右；在降温阶段，降温速率最快的为承台混凝土表面，承台形心位置降温速率最慢。

（3）水冷管法降低大体积混凝土内部温度的效果较为显著，可以有效达到降温防裂的效果。

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.大体积混凝土施工规范（GB 50496-2012）[S]，2012.

[2]杨胜利，覃佩彬，张北斗.承台大体积混凝土冬季自然养生法[J]. 市政技术，2011.9.

[3]俞亚南，张巍，申永刚. 大体积承台混凝土早期表面开裂控制措施[J]. 浙江大学学报：工学版，2010，44(8)：1621-1628．

[4]余建杰，宋固全，吴浪. 基于MIDAS的大体积混凝土桩承台温度场有限元分析[J]. 混凝土与水泥制品，2012.5:34-37.