桥梁大体积混凝土控制温度裂缝的施工措施研究

任士朴、姜勇、商淑杰、于新波

（1.山东华鉴工程检测有限公司，山东 济南250100；2.山东省桥梁结构智能养护检测与安全性评估研发中心，山东 济南250100；3.山东高速基础设施建设有限公司，山东 济南250100）

0 引言

现阶段我国的经济逐年增长，交通量日益增加，为了更好地满足人们日益增长的生活需要，越来越多的大型桥梁开始投入使用，在这个过程中，必然会出现很多大体积混凝土结构来支撑大型桥梁的正常运营，但在大体积混凝土施工后，混凝土结构出现了很多的裂缝，此种裂缝的产生会引起钢筋锈蚀、混凝土碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳以及抗渗性等，进而影响结构的耐久性。本文通过利用有限元软件对混凝土出现裂缝的原因进行分析，对防止裂缝出现的措施做出相应的解释，并对今后的施工过程中应注意的问题做出较详细的解释说明。

1 工程介绍

此次项目是一座跨越黄河的大桥，主跨超过1000m，研究的重点为该桥梁的承台结构。该黄河大桥两侧承台在混凝土浇筑时模板采用定型钢模板，使用方木和钢管进行加固支撑，承台分两次浇筑，第一次浇筑1.5m高，分层进行浇筑混凝土，每层厚度控制在30cm。承台的基本尺寸为15m×8m×4m。

2 承台的基本水化热参数

由于该承台在施工之前并未做相应的热学试验，所以，只能根据混凝土的配合比对基本热学参数做出经验性估计，该承台单位体积混凝土基本组成成分为425#普通硅酸盐水泥282kg，粉煤灰95kg，砂子747kg，石子1120kg，添加剂3.8kg，水154kg，根据以上参数，《大体积混凝土温度应力与温度控制》（第二版）（朱伯芳2012））对相应参数的计算，可以得到混凝土的基本热学性能参数，（见表1）。

表1 混凝土的基本热学性能参数

并且根据《大体积混凝土施工标准》（GB50496—2018）中规定，在施工过程中，必须控制混凝土的温升、里表温差，降温速率以及表面温差等参数不超过表2规定的范围。

表2 降温速率以及表面温差参数

因此，为了防止大体积混凝土结构由于内外部温差产生裂缝，对混凝土浇筑过程中及浇筑完成后进行合理的温度场模拟是十分必要的。

3 水化热监控的施工过程及模型分析

3.1 承台水化热监控的基本过程

3.1.1 在混凝土浇筑之前，根据提供的原材料的基本参数情况，结合有限元计算软件，建立承台（大体积混凝土）的计算模型，得到该承台结构在使用该类材料配比时，内外部的温度变化情况，以及应力场随着时间的变化情况。

3.1.2 根据初步模拟计算分析的成果，对原材料的选取进行初步的拟定，根据实际情况编写温度控制方案及原材进场方案。

3.1.3 当材料选定之后，根据实际的材料配比，并进行相应的热学参数试验，能够更好为计算模型提供准确的参数标准，依据最终的试验成果，对模型进行调整，进而得到更符合实际情况的模拟结果。

3.1.4 根据调整后的有限元分析结果，再次了解各工况下的内外温差和应力场的分布情况，是否进行分层浇筑，是否需要增设水冷管，再进行相应的模拟计算，并对施工方案进行再次的修改确认。

3.1.5 正式的施工开始后，由于施工过程中会遇到各种不确定的因素，各种原有的假设及施工流程都会发生变化，这时需要技术人员随时根据实际的施工工序及状况及时更新有限元分析模型，得到最接近实际情况的温度场模型，以便后期的施工开展[1]。

3.1.6 对承台结构的大体积混凝土结构施工完毕后，要进行运行分析，分析后期的温度变化是否与模型模拟的情况类似，以便为后期再次施工做出合理的修正。

此次有限元软件主要对在配合比完成之前以及在施工过程中如何施工分别进行模拟分析，从选择不同种类的水泥，不同的浇筑方法分别进行解释。

3.2 水泥种类的选择

进行大体积混凝土浇筑之前，会面临一个水泥的选择问题，如何选择水泥，从而不会出现过大的内外温差，进而产生温度裂缝；又要从造价方面考虑，不得超出基本造价。一般从三种水泥类别进行分析，分别是早强硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥以及低热硅酸盐水泥[2]。

首先，选择高早强硅酸盐水泥的情况下，计算结果为温度升高29℃（见图1，设置的入模温度为20℃）

图1 高早强硅酸盐水泥

采用普通硅酸盐水泥计算结果为温度升高27℃，如图2所示。

图2 普通硅酸盐水泥

采用低热硅酸盐水泥温度升高16℃，如图3所示。

图3 低热硅酸盐水泥

根据《大体积混凝土施工标准》（GB50496—2018）要求，混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不宜大于25℃，因此，在进行大体积混凝土浇筑时，低热硅酸盐水泥的发热量是最小的，为了防止裂缝的发生，应选用低热硅酸盐水泥[3]。

3.3 施工方式的选择

由于低热硅酸盐水泥的价格相对较高，若在选用普通硅酸盐水泥的前提下，保证混凝土内外温差不超过25℃，可以选择分层浇筑的方式进行施工。

图4的施工方式是先浇筑第一层1.5m，然后浇筑第二层2.5m，用这种方式进行施工时温升为26℃，比一次性浇筑的内外温差稍低，但仍不符合规范要求，在此基础上，可以运用增添水冷管的方式进行改善[4]。

图4 分层分阶段浇筑

对第一层浇筑及第二层浇筑的中间部位分别布设一层水冷管之后发现最高温差变为11℃。（见图5）

图5 布设水冷管

4 结语

本文对大体积承台在采用不同材料施工时，通过分析承台内外温差，得出选用低热的硅酸盐水泥会很好地控制大体积承台的内外温差，如果在施工工期较为紧张的情况下，可采用造价更高的该类水泥完成大体积混凝土的浇筑工作。如果要在控制造价的前提下，采用分层浇筑的方法可以有效地降低承台内外温差，但在施工前必须要进行详细的温度分析，如果仍达不到规范要求，可采用铺设水冷管的方式进行降温，能够起到非常好的温度控制作用。