公路橋梁大體積混凝土溫控措施研究

趙睿龍

【摘要】本文基于筆者專業(yè)知識(shí)的應(yīng)用與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，就公路橋梁施工過程中大體積混凝土溫度裂縫與溫控措施進(jìn)行簡要分析，具有一定的參考性，以期為我國大體積鋼混結(jié)構(gòu)的發(fā)展提供技術(shù)參考。

【關(guān)鍵詞】公路橋梁；大體積混凝土；溫度裂縫；溫控措施

1、大體積混凝土溫度應(yīng)力及其裂縫分析

某個(gè)時(shí)間構(gòu)件上每個(gè)點(diǎn)溫度的集合為大體積混凝土溫度場，其以溫度與時(shí)間和空間之間的函數(shù)關(guān)系為反映?；炷翜囟葓鲈谄錆仓瓿珊髸?huì)因水泥等膠凝材料的水化反應(yīng)而發(fā)生巨大變化，進(jìn)而形成溫度應(yīng)力，因此對于混凝土溫度應(yīng)力的研究，應(yīng)首先對混凝土澆筑完成后溫度場及其變化因素進(jìn)行分析與掌握。

一般情況下，大體積混凝土擁有較大的單次澆筑尺寸，如在絕熱環(huán)境下，構(gòu)件內(nèi)外溫度在變化趨勢上一致于絕熱溫升曲線。工程實(shí)際在混凝土澆筑完成后，其會(huì)與水、空氣以及基礎(chǔ)間因熱傳遞的存在而導(dǎo)致熱量散失，進(jìn)而致使混凝土構(gòu)件內(nèi)外出現(xiàn)溫差。混凝土降溫如若只是通過表面散熱形式，則降溫速率緩慢、降溫效果甚微，因此在工程實(shí)際應(yīng)用中，通常以埋設(shè)冷卻管的方式加快其內(nèi)部降溫。在人工后期干預(yù)下，盡管混凝土溫度場會(huì)緩慢降溫，但總體而言其仍然是外低內(nèi)高的狀況。

澆筑完成后的大體積混凝土構(gòu)件在經(jīng)過早期升溫與后期降溫過程后，會(huì)形成一定溫度應(yīng)力，其主要分為自生應(yīng)力與約束應(yīng)力兩種形式。

1.1溫度應(yīng)力

（1）自生應(yīng)力?；炷翝仓瓿珊?，其溫度場受內(nèi)外散熱的影響，構(gòu)件溫度會(huì)以非線性分布為呈現(xiàn)?；炷猎缙谏郎剡^程中，表面混凝土?xí)?nèi)部的升溫膨脹變形形成一定的約束，此時(shí)混凝土構(gòu)件表面表現(xiàn)為拉應(yīng)力，內(nèi)部表現(xiàn)為壓應(yīng)力。如圖1-1（a）所示，因溫度引起的自身應(yīng)力于混凝土構(gòu)件整截面分布，并且其拉、壓應(yīng)力間應(yīng)保持一定的平衡。

（2）約束應(yīng)力。混凝土構(gòu)件在澆筑完成后其澆筑接觸面變形會(huì)受一定的約束，在混凝土升溫與降溫過程中，溫度變化引起的變形因被限制而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為約束應(yīng)力，如圖1-1（b）所示。對于靜定結(jié)構(gòu)，溫度變化只會(huì)引起自生應(yīng)力而無約束應(yīng)力產(chǎn)生。一般情況下，大體積混凝土屬于超靜定結(jié)構(gòu)，其在溫度變化影響下會(huì)產(chǎn)生自生應(yīng)力與約束應(yīng)力的疊加。混凝土構(gòu)件在冷卻過程中，其冷卻變形會(huì)受到有接觸面的側(cè)面或底部的約束，進(jìn)而產(chǎn)生約束應(yīng)力。

1.2溫度裂縫

由于混凝土抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)的1/10～1/20，因此一旦直接受拉，便會(huì)因細(xì)微的變形而產(chǎn)生裂縫，一旦拉力超出其承受范圍，則會(huì)不經(jīng)殘余變形直接發(fā)生脆性斷裂。對于大體積混凝土而言，其受溫度變化影響敏感，當(dāng)自身溫度每升高1℃時(shí)，每米就會(huì)產(chǎn)生約為0.01mm的膨脹。由于混凝土初期硬化過程中會(huì)釋放出大量的水化熱，且其導(dǎo)熱性能極差，散熱持續(xù)緩慢，大體積結(jié)構(gòu)下當(dāng)內(nèi)部溫度大于外部溫度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)則會(huì)應(yīng)溫差應(yīng)力（外部受拉，內(nèi)部受壓）而產(chǎn)生表面裂縫。隨著混凝土強(qiáng)度的增加，其彈性模型逐漸提升，隨后便會(huì)開始降溫，此時(shí)會(huì)因降溫差而引起混凝土變形，加之其因失水而造成的體積收縮，以及受地基與其他結(jié)構(gòu)的約束，當(dāng)這些因素綜合而產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，表面裂縫則會(huì)發(fā)展為貫穿裂縫。

2、大體積混凝土溫控計(jì)算理論

2.1水泥水化熱計(jì)算

影響混凝土溫升的決定性因素為水泥水化熱，其具有多樣化計(jì)算公式，一般以下式2-1指數(shù)公式最為常用：

2.2熱傳導(dǎo)方程

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在受水化熱作用后其溫度會(huì)隨時(shí)間而變化，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場呈現(xiàn)為非穩(wěn)定狀態(tài)，且以下式2-2進(jìn)行熱量傳導(dǎo)：

2.3初始條件和邊界條件

隨著空間與時(shí)間的變化，大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度處于不斷變化過程中，此時(shí)利用熱傳導(dǎo)方程則有無窮解，而要想計(jì)算出所需正確解，則需掌握初始條件與邊界條件。

（1）初始條件。由于大體積結(jié)構(gòu)溫度在混凝土入模時(shí)分布均勻，因此可將混凝土入模狀態(tài)視為初始條件，具體表示為下式2-3：

（2）邊界條件。大體積混凝土結(jié)構(gòu)熱交換主要包括與空氣換和與地基兩種交換形式，其中與空氣熱交換過程中二者間的溫差決定了熱量的交換，具體以下式2-4表示：

大體積混凝土與地基實(shí)施熱量交換過程中，溫度與熱流量在其接觸面上處于連續(xù)狀態(tài)，可由下式2-5表示：

3、大體積混凝土溫度控制措施

3.1水冷管布置優(yōu)化

對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用冷卻管降溫，我國目前以上下層冷卻管布置方式相同最為常用，該方式不足之處在于容易造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)溫度不均勻現(xiàn)象，整體降溫效果因降溫不均勻而表現(xiàn)較差。而通過上下層水冷管交叉布置的優(yōu)化，可明顯提升降溫效果，對兩種布置方式利用有限元模型進(jìn)行比較，其結(jié)果表明：水冷管上下層相同布置方式的降溫效果明顯不如交叉布置，就大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度而言，水冷管上下層相同布置方式比交叉布置方式高2～4℃。水冷管上下層交叉布置方式的應(yīng)用，其不僅可將結(jié)構(gòu)內(nèi)部最大溫度值有效降低，而且相比于上下層相同布置方式對局部區(qū)域降溫效果更好。

3.2澆筑時(shí)間控制

大體積混凝土的澆筑通常會(huì)持續(xù)幾天，在澆筑過程中可能會(huì)出現(xiàn)頂層混凝土澆筑結(jié)束后，底層混凝土的溫度已經(jīng)降下來并趨于穩(wěn)定。澆筑時(shí)應(yīng)合理控制澆筑持續(xù)時(shí)間，一方面要避開上下層混凝土溫度高峰期重合，同時(shí)要保證混凝土澆筑的連續(xù)性，其目的是為了降低承臺(tái)內(nèi)部溫度峰值。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，混凝土一般在澆筑后20～22h開始硬化，混凝土硬化時(shí)迅速放熱，在硬化后20h左右，混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大值。根據(jù)上述分析，澆筑一層混凝土的時(shí)間控制在1d左右比較適宜。此時(shí)底層混凝土溫度高峰已過，進(jìn)入降溫階段，而頂層混凝土溫度逐漸增大

3.3養(yǎng)護(hù)控制

凝土養(yǎng)護(hù)工作的進(jìn)行要在完成澆筑12h內(nèi)開始實(shí)施，通常為覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)的形式，其目的在于首先是避免結(jié)構(gòu)表面混凝土失水太多，其次是提供混凝土早期水化反應(yīng)所需的水分。對于大體積混凝土內(nèi)表溫差的控制，要依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸和溫度梯度綜合而定，通常為不大于25℃，且內(nèi)部最高不能超過60℃，這時(shí)混凝土不會(huì)由于溫差形成的溫度應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫。所以，控制大體積混凝土內(nèi)表溫差要從結(jié)構(gòu)內(nèi)外同時(shí)著手，一方面通水循環(huán)使內(nèi)部溫度降低，另一方面合理提高結(jié)構(gòu)表面溫度，這樣來達(dá)到內(nèi)外溫差降低的目的。結(jié)構(gòu)內(nèi)部循環(huán)水可用冷卻水，外部養(yǎng)護(hù)水可用內(nèi)部降溫循環(huán)出來的熱水，因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)完成澆筑2天內(nèi)內(nèi)部溫度上升相對較快，所以使用覆蓋和冷卻管循環(huán)出來的熱水實(shí)施噴灑養(yǎng)護(hù)，能有效做到提高結(jié)構(gòu)外部溫度，從而讓內(nèi)外溫差減小。

冷卻水的水流量是一個(gè)重要方面，GB50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范中規(guī)定，在混凝土內(nèi)部通水降溫時(shí)，進(jìn)出口水的溫度宜不大于10℃。進(jìn)出水口溫度差值與混凝土內(nèi)部溫度和流量有關(guān)，在施工過程中，一方面要參考理論計(jì)算給出的水流量值，另一方面要根據(jù)實(shí)際的進(jìn)出水口的溫度差值和結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度峰值，以此來調(diào)節(jié)冷卻水流量。

結(jié)語：

基于以上論述，筆者結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)的應(yīng)用，以控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫為目的，建議性提出以下兩點(diǎn)措施：

（1）增設(shè)防裂鋼筋網(wǎng)。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)對于拉應(yīng)力主要由鋼筋承受，因此可通過增設(shè)鋼筋網(wǎng)片的形式增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抗拉作用，進(jìn)而避免結(jié)構(gòu)裂縫的形成。其具體布設(shè)方式應(yīng)依據(jù)下式實(shí)施：

εPa=0.5Rf （1+ρ/d）×10-4 （經(jīng)驗(yàn)公式）

式中：εPa為實(shí)施配筋后混凝土的極限拉伸（是為混凝土抗裂性能的體現(xiàn)）；Rf為混凝土設(shè)計(jì)抗裂強(qiáng)度，MPa；ρ為結(jié)構(gòu)截面配筋率；d→鋼筋直徑，mm。

經(jīng)公式分析可知，對于混凝土抗裂性的提高，可利用細(xì)鋼筋小間距的布置方式得以實(shí)現(xiàn)，因此，在與設(shè)計(jì)單位溝通并獲批準(zhǔn)后，施工單位可在大體積混凝土施工過程中增設(shè)Ф8@100防裂鋼筋網(wǎng)，以此達(dá)到預(yù)防裂縫出現(xiàn)的目的。

（2）適量摻加合成纖維。通過合成纖維的摻入，混凝土內(nèi)部會(huì)形成數(shù)以千萬計(jì)的纖維三維均勻分布的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)混凝土在塑性階段產(chǎn)生冷縮與干縮現(xiàn)象時(shí)，其表面一旦碰觸到合成纖維，便會(huì)停止繼續(xù)延伸，從而抑制裂縫的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]GB50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[2]陳建軍，楊文海，郭利霞.混凝土結(jié)構(gòu)溫控設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[J].混凝土，2013（4）：11～14.