港航工程大体积混凝土底板施工温度控制

喻 龙

（江西省赣西航道事务中心,江西 宜春 336000）

0 引言

混凝土水化热温度场会产生温度梯度和温度应力，在混凝土收缩受到约束后引发拉应力，一旦超出混凝土极限抗拉强度，便会造成混凝土温度裂缝，严重影响结构承载力、防水性和耐久性。温度控制是港航工程大体积混凝土施工控制的关键，大体积混凝土温度裂缝的发生较为隐蔽，且破坏性巨大，常规的经验公式分时间点计算大体积混凝土内部温升，无法考虑温度变化的连续性，计算过程复杂，结果缺乏可靠性。为此，该文采用有限元法展开港航工程大体积混凝土底板温度场模拟分析，通过研究温升规律，为温度控制提供有效措施。

1 工程概况

某港口航道工程所处环境特殊，地区多年平均气温为32.3 ℃，最高气温一般出现在6—8月份。为避开航运高峰，将底板施工对航道运行的扰动降至最低，底板大体积混凝土施工安排在2020年11月—次年7月进行，施工过程涉及冬、春、夏三季，存在一定的温度控制难度。考虑到该底板大体积混凝土截面尺寸大，混凝土浇筑及硬化过程中的水化热必将引起温度变化，造成混凝土收缩。在与外界约束条件共同作用后，温缩应力增大，引发大体积混凝土温度裂缝的可能性也较大。

2 大体积混凝土底板有限元分析

2.1 模型构建

应用Midas有限元软件展开大体积混凝土温度场分布及变化规律模拟分析时，应用有限单元法在空间域和时间域展开结构离散[1]。在热传导分析时，主要考虑水泥水化反应过程中产生的热量、传导、对流等因素随时间变化的过程。

采用大体积混凝土和地基实体模型展开计算，底板混凝土长46 m，宽44 m，厚1.7 m；地基长72 m，宽65 m，厚2.6 m。考虑到底板结构的对称性，为简化分析，取1/4展开模型构建和分析，并通过对称边界条件查看底板内部温度分布。模型共包括8 697个单元和10 581个节点，具体见图1。

图1 模型简图

混凝土入模温度为23.5 ℃，浇筑施工时环境温度为25 ℃。结合混凝土配合比设计确定水泥用量，进而得到混凝土绝热温升[2]，公式如下：

式中，Th——混凝土最大绝热温升（℃）；mc——水泥实际用量（kg/m³）；K——掺合料折减系数，取0.30；F——活性掺合料用量（kg/m³）；Q——水泥28 d水化热（kJ/kg）；C——混凝土比热[kJ/(kg·℃)]；ρ——混凝土密度（kg/m³）。将相关参数值代入后求得混凝土最大绝热温升为47.6 ℃。

其余热学参数取值情况见表1。

表1 材料热学参数取值

2.2 模拟结果分析

根据所得到的大体积混凝土底板中心上层、中层和下层温度变化曲线（图2）可知，中心处水化热最高，温度峰值也最大，等温区范围内温度变化层次均较直观[3]。大体积混凝土内部各点温度变化趋势基本一致，即升温阶段顶面温升迅速，中心温升缓慢，底部温升时间更长；降温阶段顶面温降迅速，中心及底部温降缓慢，并以散热降温为主要特征。

图2 大体积混凝土底板中心温度计算曲线

上下表面和中间温度在24 h内相差不大，底板温度场也较均匀。随着龄期增大，温度曲线逐渐右凸，顶面和中间温度差增大，并表现出一定的温度梯度，即临近顶面的温度梯度大，中心内部温度梯度小，在外界环境的影响下从中心向顶面温度梯度越来越大。

上表面具备较好的散热条件，故在10 d后基本与大气温度接近，但混凝土筏基深厚，平面尺寸大，中部混凝土散热较难，故中心温度最高，随着水化热的持续累积，中心最高温度表现出相对滞后性。

3 底板施工温度控制

造成港航工程大体积混凝土施工裂缝的原因主要有混凝土内部应力、收缩力度等方面。

（1）从混凝土内部应力角度看，大体积混凝土施工质量受温度的影响较大，若缺乏有效的温控措施，必然出现不同程度施工裂缝。大体积混凝土制备过程中将产生大量热量，混凝土浇筑后内层散热缓慢，造成内外温度差。过大的温差会使混凝土内部出现应力，引发结构裂缝。

（2）从收缩力度角度看，大体积混凝土浇筑结束后，应预留出混凝土散热时间，但港航工程施工环境特殊，此期间必然有水分浸入混凝土结构，引发结构收缩。当混凝土收缩力度超出材料可承受范围时，同样引发结构裂缝。该文在深入分析港航工程大体积混凝土施工裂缝原因的基础上，有针对性地提出温控措施。

3.1 改善混凝土抗裂性能

该港航工程混凝土底板采用P.O32.5级普通硅酸盐水泥，其7 d水化热为253 kJ/kg，比42.5级硅酸盐水泥水化热低20 kJ/kg。为增强水泥材料补偿收缩特性，其MgO含量为2.8%，烧失量较低。按照胶材用量的20%在水泥中掺加Ⅱ级粉煤灰，使胶材7 d水化热降至222 kJ/kg。此外，掺加缓凝高效减水剂能降低混凝土拌和用水量和水泥用量，改善和易性，并能降低混凝土内部温升，提升混凝土材料失水收缩性能。

优化混凝土配合比设计，根据试验确定最佳集料级配，提升混凝土和易性、黏结性及均匀密实性。二级配混凝土砂料细度模数为2.8时的最优砂率为33.9%，中石与小石比为55∶45。石料含泥量应不超出1.0%。

在配合比设计阶段，主要进行了粉煤灰掺量为0%、15%、20%以及掺加增密剂、缓凝剂、膨胀剂下混凝土性能试验，并检测出龄期为3 d、7 d、14 d、28 d、90 d的抗压强度、抗渗强度、劈裂抗拉强度、弹性模量等值。在混凝土抗渗、抗压、强度指标均满足设计的基础上，选择极限拉伸大、轴心抗拉强度高、体积呈微膨胀变形的配合比，展开混凝土制备，以便从材料特性上增强混凝土抗裂性能。

配合比试验成果显示，该港航工程大体积混凝土底板施工时C30混凝土中水泥、粉煤灰用量分别为272 kg/m³和68 kg/m³，28 d抗拉强度为3.22 MPa，极限拉伸值为0.87×10-4；7 d体积变形量为20.5×10-6；水胶比为0.5时，掺加20%粉煤灰后混凝土16 d绝热温升仅为22.7 ℃，对加强底板施工大体积混凝土温度控制十分有利；混凝土各项性能指标均高出同等级常规混凝土。

3.2 优化约束条件

底板混凝土断面突变结合部位为应力集中区，因应力集中引发结构裂缝的可能性也较大。为此，应同时进行底板与底部混凝土浇筑施工，以分散和改善应力条件。此外，应加强底板混凝土浇筑施工间歇期控制，降低底板混凝土对后浇混凝土的约束[4]。间歇期一般为14 d左右。

3.3 控制内部温升

考虑到该港航工程底板施工工期长，跨越冬、春、夏三季，必须针对不同季节展开混凝土内部温升控制。冬季施工时，应用锅炉加热拌和水，罐车保温，仓面设置暖棚；夜间温度较低的情况下掺加防冻剂或停止施工，将混凝土入仓温度严格控制在8 ℃以上，避免混凝土遭受低温冻害。

夏季施工时，应搭设集料遮阳棚，并适当增大料堆高度，以降低料堆中下部温度；拌和用水采用加冰措施，并在仓面搭设遮阳棚，混凝土浇筑施工尽可能避开高温时段；将混凝土入仓温度严格控制在28 ℃以下。

3.4 加强机械化施工

该港航工程底板施工时采用自动化程度较高的4 m³拌和站生产混凝土，罐车配合运输，确保浇筑过程连续进行。拌和站内必须配备专职质检员，结合集料含水量、超逊径变化调整配合比，确保混凝土均匀，并将混凝土出机塌落度和入仓塌落度控制在5~7 cm和4~6 cm以内。根据实测结果，混凝土最大、最小塌落度分别为7.9 cm和4.1 cm，均值为5.0 cm。较低的塌落度对混凝土收缩裂缝控制十分有利。

底板混凝土采用吊罐和胎带机配合的入仓方式，因胎带机具备自动布仓功能，能减少人工翻仓平仓工作量，并能提升混凝土均质性和施工工效。浇筑结束后实测底板混凝土抗压强度为29.8 MPa，均方差1.84 MPa，强度保证率达到99.6%。根据统计结果，混凝土均质性及温度控制效果均较好。

3.5 布设冷却水管

结合温控验算结果，应在该港航工程底板大体积混凝土结构中布设1层冷却水管，间距为1.0 m，与周边相距1.5~2.0 m，以有效降低混凝土内部温升，避免因温度应力过大而引发结构裂缝。布设好冷却水管后，应合理控制通水时间，在水管处混凝土浇筑振捣结束后立即通水，并根据内外温差灵活调整通水时间。具体而言，第1 d按照4 h间隔调整1次水流方向；第2~3 d按6 h间隔调整1次水流方向；第4~5 d按12 h间隔调整1次水流方向。初始通水流量为0.9 m³/h，此后则根据通水时间和内外温差调整通水流量，增强冷却效果。

3.6 加强保温保湿养护

该港航工程大体积混凝土底板冬季浇筑施工时采用蓄热法保温，夏季则通过流水保湿降温，以控制内外温差。冬季气温较低，浇筑过程中在模板外部粘贴2 cm厚的苯板保温材料，浇筑结束后覆盖土工布保温，并将拆模时间延长至14 d。拆模过程应安排在温度较高时进行，拆模后及时用塑料布裹覆保温，最外层包裹一层土工布。如遇气温骤降，应加盖草帘棉被，控制表面热量散失过快；待来年气温回升且混凝土内外温差降至允许范围内后再将保温材料完全拆除。

夏季温度较高，待底板混凝土初凝后表面覆盖塑料膜保湿，终凝后覆盖土工布并洒水降温；拆模后继续覆盖土工布养生14 d。在混凝土内外温差过大的情况下，必须降低冷却水管进水温度、提升水流流速[5]。

3.7 加强温度测控

在底板大体积混凝土内不同部位埋设30支温度计，展开温度监测，实时采集混凝土内外温度及环境温度值；将混凝土结构内外温差严格控制在20 ℃以内，降温速率不超出1.5~3.0 ℃/h。如果超出以上要求，必须立即采取控制措施。混凝土浇筑初期每隔2 h展开1次温度监测，浇筑后期则每隔6 d进行1次温度监测。根据监测结果，底板大体积混凝土内外温差最大不超出15 ℃。该港航工程大体积混凝土底板施工期间，混凝土最大绝热温度为48.8 ℃，表面温度33.3 ℃，根据式（1）可以计算出大体积混凝土内外温差为15.5 ℃，计算值与监测结果基本一致，表明该港航工程大体积混凝土温控措施切实有效。

4 结论

综上所述，通过有限元分析，提前确定出大体积混凝土底板在混凝土浇筑施工全过程中温度场分布及变化趋势，并得出不同浇筑时刻和养护龄期温度计算值、温度梯度，对可能发生温度裂缝的部位展开预测，结合计算温差和降温速率提前采取可行的防控措施。在应用该文所提出的温控措施后，该港航工程底板大体积混凝土内外温差、结构抗裂性能、施工质量均得到较好控制，有效避免了混凝土内外温差引起的应力集中现象，底板混凝土性能得以保证。底板混凝土于2020年10月2日拆模，此后持续观测6个月，并未发现任何结构裂缝和温度裂缝，取得了较好的大体积混凝土温控效果，也为类似工程提供了成功经验。