混凝土施工溫度監控探析

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本文作者：王淳作者單位：鐵四院（湖北）工程監理咨詢有限公司

1工程概況

寧安鐵路安慶長江大橋為主跨580m的雙塔鋼桁梁斜拉橋，主塔承臺直徑51m，頂標高-6.0m，底標高-14.0m，厚8.0m，施工時分兩層澆筑，澆筑高度分別為3.0m和5.0m。承臺混凝土強度等級C40，封底混凝土強度等級為水下C30。承臺混凝土設計方量16342.6m3，承臺基礎采用37根3.4/3.0m變直徑鉆孔灌注樁，樁基呈梅花形布置。采用雙壁鋼套箱圍堰方法施工承臺，承臺與圍堰間的間隙0.5m，圍堰封底混凝土頂標高-17.8m，封底混凝土頂面與承臺底間有3.8m空間，承臺與圍堰、封底混凝土相對位置關系如下圖1所示。主塔承臺為大體積混凝土結構，由于水泥水化過程中產生的水化熱，使澆筑后初期混凝土內部溫度急劇上升，引起混凝土膨脹變形，而此時混凝土的彈性模量很小，因此，升溫引起受基礎約束的膨脹變形產生的壓應力很小。隨著溫度逐漸降低混凝土產生收縮變形，但此時混凝土彈性模量較大，降溫引起的變形受基礎約束會產生相當大的拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，就會產生溫度裂縫，對混凝土結構產生不同程度的危害。此外，在混凝土內部溫度較高時，外部環境溫度較低或氣溫驟降期間，內表溫差過大在混凝土表面也會產生較大的拉應力而出現表面裂縫。為保證混凝土施工質量，避免產生溫度裂縫，確保大橋的使用壽命和運行安全，應對主塔承臺大體積混凝土進行承臺混凝土配合比設計，制定承臺不出現有害溫度裂縫的溫控標準，并制定相應的溫控措施。

2承臺混凝土配合比

2.1配合比設計原則

改善混凝土材料本身抗裂性能首先研究混凝土各組分對抗裂性能的影響，通過對混凝土各組分的品質與質量選擇，最佳摻量、最佳組合、最佳配合比等參數的確定，達到提高混凝土材料自身抗裂能力和變形性能的目的。同時提出以抗裂為核心，全面改善混凝土各種物理力學性能的配合比優化設計方法，以適應承臺大體積混凝土的溫控要求。為使大體積混凝土具有良好的抗侵蝕性、體積穩定性和抗裂性能，混凝土配合比設計的基本原則如下：（1）水泥選用礦渣硅酸鹽水泥，該類型水泥具有水化熱低后期強度增長高的特點，有利于大體積混凝土溫控。（2）選用堅固耐久、級配、粒形良好的潔凈骨料，選用級配優良碎石。（3）為減少混凝土單位用水量，降低混凝土水化熱，在試驗論證的基礎上，采用了I級粉煤灰，混凝土單位用水量要少10kg/m3左右，可大大節約膠凝材料用量。

2.2原材料選擇

根據現場條件，通過試驗比選，因地制宜地選擇承臺混凝土原材料。（1）水泥：采用華新水泥廠生產的礦渣硅酸鹽P.O42.5水泥。（2）粉煤灰：采用銅陵I級粉煤灰。（3）細集料：采用江西贛江中砂。（4）粗集料：采用和縣生產5～16mm和16～31.5mm連續級配。（5）外加劑：采用武漢格瑞林聚羧系高效減水劑。（6）水：長江江水。

2.3配合比優化

在保證混凝土施工性能的前提下采取以下措施優化配合比：（1）降低混凝土單位用水量。（2）進一步提高粉煤灰摻量，從而降低混凝土中的水泥用量，承臺粉煤灰摻量占膠凝材料40%。（3）調整混凝土砂率為最佳狀態。最終確定承臺混凝土配合比見表1。

3溫度控制措施

在主墩承臺大體積混凝土施工中，從混凝土拌合、運輸、澆筑到通水、保溫、養護整個過程實施全程有效監控，特別對分層、混凝土澆筑溫度、通水冷卻和養護進行嚴格控制，確保混凝土施工質量。

3.1溫度控制標準

溫度控制的方法需根據氣溫（季節）、混凝土內部溫度、結構尺寸、約束情況、混凝土配合比等具體條件確定。按照《大體積混凝土施工規范》中的要求，結合本工程的實際情況，制定如下溫控標準：（1）盡量降低混凝土溫升、延緩最高溫度出現時間，混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值≤45℃。（2）降低混凝土中心和表面之間溫差，混凝土澆筑塊體的里表溫差≤25℃。（3）降低降溫速率。（4）降低新老混凝土之間的溫差以及控制混凝土表面和氣溫之間溫差。

3.2澆筑過程中控制

混凝土出攪拌機后，經泵管輸送、平倉、振搗等過程后5～10cm處的溫度為混凝土澆筑溫度。在每次開盤之前，通過測水泥、粉煤灰、砂、石水的溫度，估算出出機溫度，并依據出機溫度估計澆筑溫度。在標準要求范圍內，盡量降低混凝土的澆筑溫度。

3.3通水冷卻

根據混凝土內部溫度分布特征，確定冷卻管的埋設、形狀和方式，在主墩承臺混凝土中埋設冷卻水管，冷卻水管采用32mm的薄壁鋼管，其水平間距為1.0m，冷卻水管距混凝土表面大于0.9m，每根冷卻水管長度不超過200m，冷卻水管進出水口集中布置，以利于統一管理。在主墩承臺混凝土中沿厚度方向共埋設7層冷卻水管，第一層埋設3層冷卻水管，第二層埋設4層冷卻水管，高度方向等間距布置，上下層冷卻管布置成橫縱向交錯布設，安裝時要與鋼筋骨架或支撐桁架固定牢靠。冷卻水為長江江水，冷卻水管布置見圖2。冷卻水管使用及其控制要求：（1）冷卻水管使用前應進行壓水試驗，防止管道漏水、阻水。（2）混凝土澆筑到各層冷卻水管標高后即開始通水，通水時根據出水口水溫確定輸水量。（3）待主通水冷卻全部結束后，即采用同標號水泥漿或砂漿灌漿封孔。為保證冷卻水的初期降溫效果，應專人負責，優化冷卻水管的管路布置，合理選擇水泵，并配備檢修人員,準備了備用水泵,若管路出現故障及時排除,保證冷卻系統正常工作。施工時，操作人員應聽從指揮，及時開啟和關閉閥門。

3.4保溫及養護

混凝土養護包括溫度和濕度兩個方面。結構表層混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取決于施工養護過程中的溫度和濕度養護。因為水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土強度和耐久性的微觀結構。目前普遍存在的問題是濕養護不足，對混凝土質量影響很大。濕養護時間從混凝土澆筑完畢至下層混凝土澆筑。為減小主墩承臺混凝土內表溫差，現場重視承臺砼的保溫措施，當承臺砼澆筑完待終凝時，在承臺頂面覆蓋一層粗工布保溫，采用蓄水保溫養護。養護對混凝土強度正常增長及減少收縮裂縫具有重要意義，因此施工中施工單位重視混凝土的養護工作。當承臺表面采取灑水養護，采用冷卻水出水注入承臺頂面蓄水養護，做到即保濕又保溫，防止混凝土出現裂縫。

4現場溫度監測

4.1溫度測試內容

主墩承臺砼采用拌和站集中拌和，泵送入模，插入式振搗器振搗。為做到信息化施工，真實反映砼的溫控效果，以便出現異常情況及時采取有效措施，在主墩承臺砼中布設溫度測點。將傳感器固定在角鋼固定架上，傳感器與角鋼之間墊上隔熱材料，在混凝土澆筑前完成傳感器的鋪設工作，并將屏蔽信號電纜線連接到溫度巡檢儀，在澆筑過程中，混凝土及振搗器禁止直接沖擊或觸及傳感器及引出電纜。采用MIDAS/Civil建立承臺溫控計算模型，取1/4承臺進行有限元網格剖分計算，得到混凝土溫度場特征，如圖3所示。由于承臺邊緣降溫較快，中部散熱慢，所以邊緣溫度較低，中心溫度最高。混凝土澆筑后，一般在2天左右達到峰值，約1天后溫度開始下降，初期降溫速度較快，以后降溫速率逐漸減慢，至15～20天后降溫平緩。由于混凝土兩次澆筑，下層混凝土的溫度隨著上層混凝土的澆筑會出現一定程度的反彈。承臺混凝土中部溫度最高，周圍溫度較低，靠近邊緣部分混凝土溫度梯度最大。因此，測點采用圖4的布置方式，共在主墩承臺中布置64個溫度測點（其中承臺第1層布置24個溫度測點，承臺第2層布置40個溫度測點），沿承臺高度方向等間距布置，沿直徑方向采用中間疏邊緣密的方式，以期與承臺溫度特征相吻合，達到較好的數據采集效果。在檢測砼溫度變化的同時，還對氣溫、砼的出機溫度、入模溫度、澆筑溫度等均進行了監測。各項監測項目在砼澆筑后立即進行，連續不斷。砼的溫度監測，在升溫階段每隔0.5～1h巡回監測各點溫度一次。到達峰值后每隔4h監測一次，持續5天，之后轉為每天測2次，隨著砼溫度變化減小，逐漸延長監測間隔時間，直至溫度變化基本穩定。

4.2現場測試數據分析

本文重點對處在兩層混凝土中部的測點數據進行分析，即第一層混凝土的第2排測點和第二層混凝土的第5、6、7排測點，如表2所示。根據表2所示實測數據，可知：（1）混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升值為76.5-35.4=41.1℃＜45℃。（2）混凝土澆筑塊體的里表溫差為21.2℃＜25℃。（3）主墩承臺混凝土中冷卻水管的進、出水溫差為6.2℃～23.2℃起到了早期削峰及防止溫度回升的效果。根據混凝土內部溫度變化，有序地分層通水降溫，對減小混凝土內表溫差起到了極為重要的作用。

5結語

大直徑承臺混凝土在施工期間，一方面由于水泥水化熱引起混凝土的前期溫度升高，產生各種溫差，從而在混凝土表面產生很大的溫度應力，導致混凝土裂縫；另一方面外界氣溫驟降引起了混凝土內外溫差，也將使混凝土表面產生很大的溫度應力，形成表面裂縫并往往發展為貫穿性裂縫。混凝土裂縫將壞結構的整體性，嚴重的影響工程安全。在橋梁工程中，由于水泥標號高，水化熱大，出現裂縫仍然很普遍，因此在實際施工中因采取措施加以控制。本工程主墩承臺混凝土施工期的平均氣溫為22.2℃～37.5℃，屬夏季節，這樣的季節對大體積混凝土的溫控尤其重要，施工中根據溫控要求采取了嚴格的措施，實際控制效果較好，未產生溫度裂縫，可為相似工程提供參考。