桥梁承台大体积混凝土水化热计算与控制分析

2020-03-18于涛

沈阳理工大学学报 2020年5期

于涛

(中铁建重庆投资集团有限公司，重庆 401120)

在混凝土结构工程建设中，将最小几何尺寸大于1m的构件/结构称为大体积混凝土工程[1]。对起到传递荷载重要作用的桥梁承台结构，不仅通常采用大体积混凝土形式，同时在结构内部密集配筋，所以对工程质量提出了较高要求。但大体积混凝土结构的混凝土强度通常较高，使得水泥用量较多，从而在水泥水化作用和明显收缩作用下结构更易于出现早期开裂；此外，由于混凝土本身不良的热传递性能，极易引起水化热量无法及时扩散，从而聚集在混凝土内部形成温度梯度，最终使得结构出现一定程度的开裂现象[2-5]。所以，如何有效的对水化热进行控制，降低大体积混凝土内外温差，是在针对桥梁承台等大体积混凝土结构工程中急需解决的问题。

为此，一些学者对大体积混凝土的水化热进行了研究。王祥国等[6]对布置有冷却系统的大体积混凝土结构进行了模拟研究，提出了有效降低水化热的方法；赵怀霞[7]通过优化混凝土配合比设计，提高了大体积混凝土温控的程度；马凡尹[8]基于有限元模拟，分析了水化热在大体积混凝土中的分布规律；刘庆阳等[9]根据工程中易出现混凝土开裂的部位，提出了有效降低水化热的施工方案；陶建强等[10]通过优化混凝土浇筑及养护方法确定了控制温度裂缝的有效措施。

本文基于重庆彭溪河多线特大桥工程，针对桥墩承台大体积混凝土结构，基于优选的混凝土配合比设计方案，开展大体积混凝土水化热的计算，得到厚度为3m的混凝土结构最大内外温差，并对厚度不小于3m的桥梁承台结构通过布置冷却水系统、分层浇筑混凝土和加强混凝土养护等技术手段，达到有效控制水化热的目的。

1 工程概况

彭溪河多线特大桥坐落于重庆市云阳县黄石镇，是郑万铁路中的一座重要铁路桥梁。彭溪河多线特大桥全桥布置见图1所示。

桥梁长度为741.6m，共14跨，结构形式采用2m×24m+2m×32m+(4m×32m)四线变二线道岔梁(半幅)+1m×24m+(96m+200m+96m)连续钢构-拱组合+2m×32m，其中第10至12跨为(96m+200m+96m)连续钢构-拱组合结构。全桥各混凝土承台尺寸如表1所示。

表1 桥梁承台尺寸 m

由表1可以看出，所有承台最小尺寸均不小于2.5m，为典型的大体积混凝土结构。对于连续钢构-拱处10#和11#主墩位于彭溪河水域范围，其结构形式为高桩承台；承台采用圆端形设计，浇筑C35标号混凝土；承台底面标高134.603m，厚度5m，平面截面尺寸为27.2m×18.2m，圆端半径为12.35m，混凝土浇筑总量达到2250.91m3。

2 大体积混凝土水化热计算

为控制大体积混凝土在浇筑时所释放的热量，在保证力学强度要求的基础上，对混凝土配合比设计进行优化调整。基于混凝土特性参数，计算浇筑时产生的水化热，判断大体积混凝土内外表温差是否满足规范要求。

2.1 混凝土配合比

在对混凝土进行配合比设计时，主要应考虑的问题在于，相较于同体积的水泥，胶凝材料在水化过程中所释放的热量要明显小很多，所以在混凝土中除必要含量的水泥外，胶凝材料应采用水化热量低且水化放热均匀的材料，同时掺入部分粉煤灰，使混凝土水化热完全释放所需要的时间极大可能地延长，从而有效地降低混凝土的内部温升和温度峰值。虽在桥梁承台浇筑时原则上应避免掺加粉煤灰，但在大体积混凝土施工过程中易产生结构开裂，因此加入适量粉煤灰进行调节水化热。

根据上述确定的混凝土设计原则，本工程中对水泥的要求包括：铝酸三钙含量不超过8%，比表面积不超过300m2/kg，游离氧化钙含量不超过1.0%，碱含量不超过3kg/m3。最终，根据工程实际要求，选用标号等级为42.5的普通硅酸盐水泥，并基于混凝土结构物防腐设计要求，确定C35混凝土配合比，具体设计如表2所示，其中掺入的外加剂为占胶凝材料1.0%的萘系减水剂和0.2%的缓凝剂。

表2 C35普通混凝土配合比 kg/m3

2.2 水化热计算

在进行混凝土水化热计算时，将混凝土浇筑高度初步确定为3m，通过系统的水化热计算分析，确定在已知混凝土配合比和性能参数条件下的混凝土内外温差。

混凝土绝热温升(T0)的计算公式如式(1)所示。

T0=mc·Q/c·ρ(1-e-m·t)

(1)

式中：mc为每立方米混凝土中水泥用量，取286kg/m3；Q为每千克水泥28天水化热，取375kJ/kg；c为混凝土比热，取0.97kJ/(kg·K)；ρ为混凝土密度，取2400kg/m3；m为与浇筑温度有关的常数，取0.384；t为混凝土浇筑龄期，本文分别按3、6、9和12天计算。

混凝土内部中心温度(T1(t))的计算公式如式(2)所示。

T1(t)=Tj+T0·ξ(t)

(2)

式中：Tj为混凝土浇筑温度，取25℃；ξ(t)为随温度变化的温降系数，以混凝土厚度3m为标准，3、6、9和12天的温降系数分别为0.68、0.67、0.63和0.57。计算结果表明：第9天时，混凝土内部温度达到最大值(Tmax)53.1℃。

混凝土外表温度(T2(t))的计算如式(3)所示，在计算时需要考虑混凝土养护条件和混凝土浇筑厚度的影响。

T2(t)=Tq+4h′(H-h)[T1(t)-Tq]/H2

(3)

式中：Tq为大气平均温度，取25℃；h为混凝土浇筑高度，取3m；h′和H分别为混凝土的虚厚度和混凝土的计算厚度，按式(4)和式(5)计算。

h′=k·λ/β

(4)

H=h+2h′

(5)

式中：k为混凝土高度折减系数，取2/3；λ为混凝土导热系数，取2.33W/(m·K)；β为保温层传热系数，按式(6)计算。

β=1/[∑δi/λi+1/βq]

(6)

式中：δi为混凝土养护的各保温层厚度，按式(7)计算；λi为各保温材料导热系数，对阻燃草帘取0.14W/(m·K)；βq为空气层传热系数，取23W/(m2·K)。

δi=0.5h·λi(T2-Tq)kb/λ·(Tmax-T2)

(7)

式中：T2为混凝土表面温度，取32.1℃；kb为传热系数修正值，取1.3。

结合式(1)～(7)，计算得到龄期分别为3、6、9和12天时混凝土的内外温差，计算结果如表3所示。由计算结果可以看出，当所浇筑混凝土厚度为3m时，最大内外温差出现在龄期9天时，为24.5℃，小于规范中要求的25℃限值。

表3 高度3m承台混凝土水化温度 ℃

所以，本工程中除9#～12#之外的桥梁承台，其混凝土浇筑厚度均小于3m，不必采取额外的温度控制措施即可保证工程质量。对于9#～12#的桥梁承台，其混凝土浇筑厚度均不小于3m，所以对9#和12#承台(高度3m)需预先设置一层冷却水管，对10#和11#承台(高度5m)则需预先埋设两层冷却水管。

3 大体积混凝土水化热控制

为降低大体积混凝土水化热，结合工程实际，以布置冷却水系统、分层浇筑混凝土和提高混凝土养护水平为主要控制手段，并以混凝土厚度为5m的10#和11#桥梁承台为例进行分析。

3.1 冷却水系统

在布置冷却水系统时，针对采用多层布置的冷却水管，应保证每层能独自供水，并且不受浇筑模具的影响；其次每层冷却水管要尽量减少通水路径，使混凝土均匀降温；最后，应在冷却水管道上安装实时测温装置，并根据实测结果进行冷却水量调节。对于10#和11#桥梁承台，两层冷却水系统按图2所示方式进行预先埋设。

钢冷却水管的外径为40mm，管壁3mm。对于该冷却水系统，水管间的横向距离为100cm，两层水管间的纵向间距为160cm。在进行混凝土浇筑时，当所浇筑混凝土完全覆盖冷却水管道时，即可以开始通入冷却水，并根据实时温测结果，对冷却水的循环速度和流量进行控制，以保证在施工全过程温度控制满足施工规范要求。

待冷却管停止注水后，应一次性向冷却管中压浆，在压浆端的水泥浆压力值应保证不小于0.7MPa。本工程中采用M35标号水泥浆对管道进行封堵，同时应保证从拌合水泥浆开始至向冷却水管内压浆，两工序间的时间间隔应不小于40min，同时应保证向冷却水管内压浆的持续时间不小于5min。

3.2 混凝土分层浇筑

为保证工程质量，同时根据在浇筑前期混凝土散热快、流动性好的特点，本项目采用推移式的连续浇筑方法，即在施工过程中，首先在某一特定部位进行混凝土浇筑，浇筑厚度按工程实际要求确定，浇筑后的混凝土以扇形方式自由铺开，随后在所形成的坡面上继续浇筑，并依次推进。在浇筑时，应从承台短边开始进行浇筑，并确定在相邻两层混凝土浇筑时，无层间冷缝的出现。

在对10#和11#桥梁承台进行混凝土浇筑时，采用分层浇筑手段，由于该承台高度为5m，计划每层浇筑厚度按50cm进行，共分为10层浇筑，同时结合推移式连续浇筑方法，具体浇筑方案如图3所示。