大体积混凝土温控技术

 摘  要：大体积混凝土（以下称砼）施工时，由于水泥水化过程中产生大量的水化热，由内向外传递，使砼内部温度逐步升高，而边缘受气温影响而降低，造成砼内表温差而产生温度应力。本文通过国内第一大承台，即五河口特大桥主墩承台近万方砼浇筑，在温控方面取得的成功经验，介绍大体积砼温控设计、监控、实施步骤，探索防止温差裂缝的方法。

关键词：大体积砼   温控   监测    防裂   技术 

1温控项目概述

五河口斜拉桥位于江苏淮安京杭运河、废黄河等五条河交汇处，故名五河口特大桥，其主塔承台平面尺寸为49.5m×33.1m的矩形截面，高6m。该承台号称国内第一大承台，砼方量9830m3，分两次浇筑成形，第一次浇筑厚度3.2m，砼5240m3，第二次浇筑厚度2.8m，砼4590m3，砼设计强度C30。

砼浇筑过程中，由于水泥水化热作用，承台内部温度经历升温期、降温期、稳定期三阶段，与此同时砼的弹性模量不断增长，由于早期弹模较低，产生的压应力很小，而后期弹模增大，产生的拉应力较大使砼内部形成拉应力。如果该应力超过其抗裂能力，砼就会开裂。而施工时间11、12月，正值当地年最低温季节，砼表面受气温影响而降温，更加剧了内外温差幅度，因此必须对承台大体积砼采取温控防裂措施。经对承台砼内部温度场及仿真应力场计算，制定不出现有害温度裂缝的温控标准，并据此制定温控措施。

2承台大体积砼温控计算 

温控计算采用《大体积砼施工期温度场及仿真应力场分析程序包》进行。该程序模拟砼施工情况，不仅考虑砼的浇筑分层、浇筑温度、养护、保温和砼的边界条件，而且考虑砼的弹性模量、徐变、自生体积变形、水化热散发规律等物理热学性能。计算参数根据招标文件、图纸和施工经验取值，施工时根据现场情况重新验算。

2.1计算条件

2.1. 1 根据承台结构特点，取1/4计算；砼分二次浇筑，浇筑厚度为3.2m和2.8m；

2.1. 2 气象资料：气温、水温根据资料取值，浇筑时间11、12月，上年同期温度最高16.5℃，最低-8.7℃；平均风力按6m/s考虑。

2.1.3 承台内部用冷却水管控温（图1,2）；砼终凝后顶面洒水保温养护，侧面用5cm厚泡沫板保温。 

2.1. 4 C30砼弹性模量、热学参数、干缩变形和自生体积变形等按规范和经验取值。并考虑砼的徐变引起的应力松弛作用；砼泊松比为0.167，比热为1.0kJ/kg。取值见表1,2,3,4。[2]

2.1. 5 根据砼配合比，计算砼绝热温升为40℃。

2.2砼材料参数及数值模型

砼材料参数参考设计规范及试验结果。计算中使用的绝热温升、弹性模量、徐变度拟合公式分别为：

2.2. 1 水泥水化热：水泥水化热公式取双曲线函数  θ=θ0(1-е-m1 tm2)      （2-1）

式中： θ0－最终绝热温升，τ－时间，m1, m2 －参数。

2.2. 2 弹性模量：弹性模量随时间的增长曲线采用四参数双指数形式，即

E(τ)=E0 + E1(1－e－ατβ)                     （2-2）

式中：E0初始弹模；E1最终弹模与初始弹模之差；α,β与弹模增长速率有关的两个参数，其值分别取0.14和0.17。

2.2. 3 徐变度：根据工程经验，C30砼徐变度如下（单位：10-6／MPa）：

  （2-3）     

3 计算结果及分析

3.1温度场主要特征

砼浇筑后2～3天即达到温度峰值，温峰持续1天左右开始下降，初期降温速率较快，以后逐渐减慢，15～20天后降温平缓，温度趋于稳定状态。砼内部最高温度约51℃，温度分布为中部高，四周较低。

3.2应力场主要特征

根据计算结果，承台各层砼主要龄期的最大主拉应力见表5，砼早期（14天左右）最大温度应力为1.60MPa，而此时C30砼劈裂抗拉强度一般应大于2.0Mpa（见表6），抗裂安全系数k＞1.5，后期也有1.5倍以上的抗裂安全系数。如果砼施工质量良好，不会产生有害温度裂缝。根据计算结果，承台内部温度应力呈现出四周边缘应力较大，而中间应力较小的特征。

4 温度控制标准

根据计算结果，在施工期内为保证承台不出现有害温度裂缝，宜采取如下温控标准：

4.1砼浇筑温度：指砼平仓振捣后，上层砼覆盖前，距砼表面10～15cm处温度，浇筑温度≤25℃；

4.2砼内表温差：指砼内部平均最高温度与表面最低温度之差，砼内表温差≤25℃；

4.3砼内部最高温度：指砼内部平均温度最高值，砼内部最高温度≤65℃

4.4砼降温速率：≤2.0℃/d。

5 温控措施

5.1优化砼配合比，降低水化热

合理选择砼原材料，选择级配良好的砂、石料，选择优良的砼外加剂，增强砼强度，提高抗裂能力，降低水泥用量，是降低砼内部水化热温升的重要环节，因此必须进行砼配合比优化设计。

5.1.1控制原材料质量，减少水泥用量

1）水泥：采用PC32.5水泥，使用温度≤55℃，否则降低水泥温度。水泥分批检验，质量稳定。

2）粉煤灰：根据粉煤灰砼技术规范，大体积砼可按60d作为砼强度等级考核指标，在规范允许范围内尽量增加粉煤灰掺量，以推迟水化热温峰的出现，降低绝热温升，粉煤灰采用Ⅱ级灰。[3]

3）集料：细集料采用江苏宿迁中粗砂，细度模数2.4～2.6，含泥量<2％；粗骨料采用江苏盱眙二级配碎石，5～16mm占30％，16～31.5mm占70％，级配优良，含泥量<2％，其他指标符合规范要求。[1]

4）外加剂：采用缓凝高效减水剂，最大限度降低水泥用量，推迟水化热温峰的出现。掺量0.6%(占胶凝材料)。使用前配成溶液，拌和均匀，做好配制记录；固体外加剂提前分袋称好。[3]

5.1.2砼配合比

由于优化砼配合比，选用P.C32.5复合水泥，掺入20%Ⅱ级粉煤灰和超缓凝剂。粗集料采用二级配，选出最低空隙率和最佳级配曲线，在保证强度的前提下，尽量降低胶凝材料用量，从而大大降低了水化热，起到了早期抑制温升的效果。经检测比同等级砼最高温度推迟三天左右，最高温度降低30%左右。砼强度按60d龄期考核，但14天应达到22.MPa，28天应达到30 MPa。砼粘聚性良好，不离析、不泌水，坍落度16-18cm，初凝时间≥35h。

5.2 控制砼浇筑温度

砼开盘前，测水泥、砂石、水的温度，计算砼出机温度，并估算浇筑温度如超过25℃，应在夜间20时以后浇筑，并控制原材料的温度，如骨料遮阳洒水降温，水泥温度过高应要求厂家在出厂前放一段时间。

5.2.1 砼的出机温度：T0

T0=（0.20+Qs）WsTs+(0.20+Qg)WgTg+0.20WcTc+(Ww-QsWs-QgWg)Tw0.20(Ws+Wg+Wc)+Ww

式中：Qs、Qg分别为砂、石的含水量，以%计；Ws,Wg,Wc,Ww分别为每方砼中砂、石、水泥和水的重量（粉煤灰计入水泥中）；Ts,Tg,Tc,Tw分别为砂石、水泥和水的温度。

5.2.2 砼浇筑温度：Tp

Tp=To+(Tn-To)(θ1+θ2+θ3+...+θn)

式中：Tn砼运输和浇筑时气温；θ1,θ2,θ3,θn有关系数，数值如下：（1）砼装、卸和转运，每次θ=0.03；（2）运输时θ=Aτ,τ运输时间，A表8；（3）浇筑时θ=0.003τ,τ浇筑时间。

5.3埋设冷却水管，控制砼内部温度

5.3.1冷却水管位置

冷却水管采用φ50mm薄壁钢管（壁厚2.5mm）；冷却水管沿垂直方向布置5层，层间距1m，水平间距1m，每根管长度≤180m。进出水口集中布置，以便统一管理，进水口利用阀门控制冷却水流量。（如图1、图2），冷却水用江水。

5.3.2冷却水管使用及其控制

1）冷却水管使用前进行压水试验，防止漏水、阻水。

2）砼浇筑到各层冷却管标高后即通水，通水时间10～15天，具体时间根据检测结果确定，通水流量大于25L/min；

3）设置水箱以循环水冷却控制进出水温，在保证冷却管进水温度与砼内部最高温差≤25℃条件下，尽量降低冷却水温度。

4）第一层砼浇筑时第一、第二层冷却水管通水；第二层砼浇筑时，第三四五层冷却水管通水。

5）通水冷却全部结束后，用同标号水泥浆或砂浆压注管道。

5.4内降温、外保温、加强养护

由于承台冬季施工，要特别重视砼的保温工作，控制砼内外温差≤25℃。措施：钢模板外嵌5厚泡沫板，吊挂麻袋，再用土工布围裹，碘钨灯照射增加砼表面温度，顶面覆盖土工布。砼终凝后在表面洒水养护，顶面尽量采取蓄水养护。养护对砼强度增长及减少温差、收缩裂缝具有重要意义。

5.5控制浇筑质量，提高抵抗温差拉应力强度

为提高砼均匀性和抗裂能力，必须加强各环节控制：（1）砼拌合运输、浇筑振捣、保温养护全过程监控，严格按规范施工。（2）为增强砼的抗裂能力，在承台外表面布设一层防裂钢筋网。（3）短间歇连续施工，两次浇筑间歇期控制在10天内。

6 砼现场温度监控

为了随时跟踪砼内部温度变化情况，浇筑前按照全面控制承台内部温度变化的要求布置测温传感器。真实反映各层砼的温控效果，使之控制在温控范围内，利于异常情况及时采取措施。

6.1测点布设  根据温度计算成果，在承台内部布置6层测温点，每层沿X、Y方向布置14个测点，测点总数84个。测点沿承台的1／4部位水平布置，见图3、图4。

6.2监测仪器  采用PN结温度传感器， PN—4C型数字多路巡回检测控制仪。温度传感器的主要技术性能：测温范围-50℃～150℃；工作误差±0.5℃；分辨率0.1℃；平均灵敏度-2.1mv/℃。

6.3测试要求  砼浇筑后立即测试，连续进行。温度测试，峰值出现前2h监测一次，峰值后4h监测一次，持续5天，然后每天测2次，直到温度稳定。

6.4测试内容  浇筑开始，连续监测各点温度变化情况，同时监测砼入仓温度、气温、冷却管进出口水温、浇筑温度，计算内表温差，进行现场控制，做好记录(表9)。

7 温度监测结果及分析

7.1整体分析

如图4，升温初期呈缓慢上升，之后急剧升温，升温阶段在3-6天，达到峰值后，温度稳定2天左右，随后缓慢下降。第一层最高温度为30.2℃，断面平均最高温30℃；第二层最高温度为35.6℃, 断面平均最高温34.6℃。与升温相比，降温阶段长得多。降温速率较缓慢，最大降温速率1.8℃/d。

分层施工时，第一层在施工间歇期内，温度先急剧上升，然后缓慢降温，当被第二层砼覆盖后，因第二层砼急剧升温，使第一层砼温度不同程度的回升。表面测点温度与断面平均温度相比，总体趋势不变，但温度变化起伏较多，由于表面测点距表面5cm，向外界散热快，受气温的影响大，故随气温的变化而变化。第二层砼在温峰过后，顶层测点温度缓慢上升，是因顶面良好保温和侧面回填土的保温所致。

7.2承台中心到边缘的温度变化

图5绘出了承台中心到边缘的温度曲线，可以看出：从中心到距边缘3.5m范围温度分布较均匀，承台边缘3.5m外温度变化剧烈，降温速率快，越靠近中心温度变化越平缓。

承台中心与边缘温度，下降速率早期控制在0.5℃~0.8℃/d，后期也未超过1.5℃/d，由于承台顶、侧面的良好保温，故边缘温度虽变化剧烈，但下降幅度不甚大，随着中心温度向外传递逐步在边缘形成缓变区，起到了保温作用，在最寒冷季节，两次最低气温降到-8℃时未出现太大的影响。

7.3冷却水的降温效果、温控效果

冷却效果：两次浇筑，冷却水管的进、出口水温差分别为5.7-11.6℃和5.8-10.℃，起到了早期削温峰及防止温度回升的效果。根据内部温度变化，有序地分层通水降温，对缩小内表温差起到了极为重要的作用。温峰过后，用冷热水调合成合适的水量和进水温度，调整降温的速率，达到后期温度缓慢下降的保温效果，内表温差未超过温控标准。

温控效果：第一层断面最大内表温差均在15.3-19.4℃之间，第二层均在15.4-19.8℃之间，低于设计要求的25℃。砼入仓温度均在6 -12.4℃，满足冬季施工规范和温控要求，各层温度最大下降速率为1.8℃/d，低于温控要求，因此承台不会出现有害的温度裂缝。

8结语

五河口特大桥主墩承台施工，采取了一系列的温控措施，砼最大绝热升温没有超过40℃，砼内外温差没有超过25℃，承台表面没有出现温度裂缝，从而保证了承台的施工质量。结果表明其温控措施是成功的，有效的控制温度裂缝的产生，对同类施工积累了成功经验。

参考文献：

[1] 《公路桥涵施工技术规范》[S].（JTJ041—2000）. 北京：人民交通出版社，2001

[2]  江正荣、朱国梁编著 [M]．简明施工计算手册（第二版）．北京：中国建筑工业出版社，1999

[3] 项玉璞主编．冬期施工手册 [M]．北京：中国建筑工业出版社，1988