長(zhǎng)門特大橋大體積混凝土施工溫度控制關(guān)鍵技術(shù)

■林榮光

（福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，福州 350001）

1 引言

由于存在不均勻的溫度變化和邊界約束，因此在大體積混凝土的澆筑施工中混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫度拉應(yīng)力作用，進(jìn)而產(chǎn)生溫度裂縫。目前，對(duì)這一問題的處理，國(guó)內(nèi)外通常采用布設(shè)冷卻水管通過冷卻水不斷循環(huán)帶走混凝土的內(nèi)部熱量，達(dá)到降低混凝土內(nèi)外溫差、控制大體積混凝土的絕熱溫升和降溫速率，以控制產(chǎn)生溫度變形裂縫，如國(guó)內(nèi)學(xué)者阮積忠、孫大偉等開展的對(duì)于大體積混凝土澆筑的溫度控制和施工方法的研究[1～6]。但該方法具有一定的局限性，如在施工作業(yè)面與水源地高差較大、供水壓力大、水資源緊缺等條件下使用效果不理想，且存在管道密封性要求較高，易爆管等缺陷。

筆者將風(fēng)冷卻技術(shù)引入大體積混凝土澆筑過程的溫度裂縫控制，為該領(lǐng)域提供一種全新的技術(shù)補(bǔ)充。風(fēng)冷卻技術(shù)適用于大體積混凝土實(shí)體最長(zhǎng)邊尺寸與最短邊尺寸比值不小于2，單次澆筑總方量不大于1200m3的結(jié)構(gòu)物，對(duì)于其它具有特定管道，且因混凝土標(biāo)號(hào)較高、水泥用量較大、強(qiáng)度要求較高等因素可能會(huì)因溫度變化和收縮導(dǎo)致有害溫度裂縫產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)部位溫控施工具有一定的借鑒價(jià)值，如隧道錨塞體、預(yù)制T梁、主塔上橫梁和下橫梁等[7]。本文以長(zhǎng)門特大橋的承臺(tái)施工為例，對(duì)風(fēng)冷卻技術(shù)如何應(yīng)用于大體積混凝土的溫度變形裂縫控制進(jìn)行了研究，取得了良好的效果。

2 風(fēng)冷卻技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)理論

不考慮冷卻管的空間作用，將冷卻管和混凝土作為一個(gè)整體，平均考慮混凝土的熱傳導(dǎo)問題，即混凝土的膠材水化熱溫升產(chǎn)生的熱量Q1，以及冷卻管吸熱產(chǎn)生的熱量Q2。根據(jù)能量守恒定律，混凝土水化產(chǎn)生的熱量等于冷卻管所帶走的熱量，即 Q1＝Q2。

混凝土內(nèi)部水化產(chǎn)生的熱量Q1,計(jì)算公式為式（1）：

式中：C1為混凝土的比熱容，J/(kg·℃)；ρ1為混凝土的密度，kg/m3； V1為混凝土澆筑方量，m3；△T1為混凝土溫度差，℃。

冷卻管帶走的熱量Q2計(jì)算公式為式（2）：

式中：C2為冷卻介質(zhì)的比熱容，J/(kg·℃)；ρ2為冷卻介質(zhì)的密度，kg/m3；qi為冷卻介質(zhì)的流量，m3/h；ti為 qi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，h；△Ti為對(duì)應(yīng)的冷卻管進(jìn)出口的冷卻介質(zhì)的溫度差，℃；∑qiti為整個(gè)過程中冷卻介質(zhì)總量，m3。

由 Q1＝Q2可得：

經(jīng)過簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化，可得混凝土溫度差的計(jì)算公式為式（4）：

由于冷卻介質(zhì)的進(jìn)出口溫差可以人為調(diào)整，由公式（4）可知，對(duì)混凝土的降溫效果，主要由冷卻介質(zhì)的比熱容、密度和冷卻介質(zhì)的總量決定。干燥空氣的比熱容為1×103J/(kg·℃)，密度為 1.29kg/m3（空氣的比熱容和密度受空氣濕度影響）。在以往的降溫技術(shù)中，冷卻介質(zhì)為水，如冷卻介質(zhì)為空氣，雖然空氣的 C2ρ2比水的 C2ρ2小，但如有足夠大的∑qiti總量，采用風(fēng)冷卻技術(shù)同樣可以達(dá)到水冷卻的降溫效果。

2.2 技術(shù)特點(diǎn)

在大體積混凝土內(nèi)部布設(shè)通風(fēng)管道，一定溫度和風(fēng)速條件下可在管道內(nèi)形成空氣對(duì)流，使通風(fēng)管道內(nèi)不斷聚集的熱量會(huì)被源源不斷帶出管道，從而使混凝土內(nèi)部達(dá)到降溫的效果。通過空氣輸送動(dòng)力系統(tǒng)，導(dǎo)風(fēng)袋將風(fēng)機(jī)與通風(fēng)管道連接，形成風(fēng)冷卻系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)連通運(yùn)行過程保證混凝土與冷空氣間的對(duì)流與熱交換；通過智能測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)混凝土內(nèi)部溫度、進(jìn)出風(fēng)口、環(huán)境溫度等變化進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，對(duì)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)及時(shí)做出反饋調(diào)節(jié)，動(dòng)態(tài)調(diào)整溫控措施。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)門特大橋是福州繞城高速公路東南段工程項(xiàng)目中重要的控制性工程，橋址區(qū)瀕臨閩江入?？?，主橋全長(zhǎng)848m，結(jié)構(gòu)形式為（35+44+66）m＋550m＋（66+44+35）m 的七跨雙塔雙索面對(duì)稱混合梁斜拉橋。長(zhǎng)門特大橋有2個(gè)索塔承臺(tái)和8個(gè)輔助過渡墩承臺(tái)，輔助過渡墩承臺(tái)尺寸為9.5m×9.5m×4.0m，混泥土用量為361m3/個(gè)，塔柱下部3m實(shí)體段與承臺(tái)同步澆筑，所有承臺(tái)均采用C40海工混凝土，輔助過渡墩承臺(tái)一次澆筑成型。

3.1 實(shí)踐應(yīng)用過程

首先通過對(duì)施工承臺(tái)進(jìn)行管道布設(shè)和送風(fēng)系統(tǒng)方案論證，確定具體的實(shí)施方案，然后進(jìn)行施工前的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，實(shí)施前需確保儀器安裝與放置有足夠獨(dú)立的安全空間。待通風(fēng)管道、送風(fēng)系統(tǒng)安裝、溫控點(diǎn)布置完成后進(jìn)行溫度監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定性調(diào)試，參數(shù)指標(biāo)滿足后開始混凝土澆筑。澆筑過程系統(tǒng)同步運(yùn)行，實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)，對(duì)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)及時(shí)做出反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施，待承臺(tái)溫度滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)要求后，停止系統(tǒng)運(yùn)行，最后進(jìn)行管道壓漿。

3.2 方案設(shè)計(jì)和仿真模擬分析

3.2.1 管道布設(shè)方案

通風(fēng)管道采用“十字交叉”法布設(shè)，豎向布設(shè)三層通風(fēng)管道，每層間距1.0m，上下層管道間相互垂直，頂層與底層管道各布設(shè) 7 根，管道間距為（1.5＋6×1.08＋1.5）m，中間層管道布設(shè) 8 根，管道間距為（1.45＋7×0.95＋1.45）m。為施工方便和避免破壞模板，每根管道采用U型設(shè)計(jì)，管道拐角處距模板約為1.5m。管道布設(shè)如圖1、圖2所示。

圖1 管道布設(shè)立面示意圖

圖2 現(xiàn)場(chǎng)管道布設(shè)圖

3.2.2 冷卻系統(tǒng)布置方案

整套大體積混凝土風(fēng)冷卻裝置包括鼓風(fēng)構(gòu)件、通風(fēng)構(gòu)件、溫度監(jiān)測(cè)構(gòu)件等，鼓風(fēng)構(gòu)件為風(fēng)動(dòng)力輸送部件，通過變徑風(fēng)袋與通風(fēng)構(gòu)件相連接，將冷空氣送入高溫混凝土內(nèi)部，對(duì)其進(jìn)行降溫。將帶有溫度測(cè)點(diǎn)的溫度傳感線埋在混凝土內(nèi)相應(yīng)位置，依靠溫度監(jiān)測(cè)構(gòu)件對(duì)混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)布置如圖3所示，圖中1為承臺(tái)；21為風(fēng)機(jī)，22為變徑風(fēng)袋；31為通風(fēng)管道，32為泄氣閥；41為測(cè)溫點(diǎn)，42為溫控線，43為溫度采集器，44為無(wú)線發(fā)射天線，45為無(wú)線接收天線，46為顯示終端。

圖3 系統(tǒng)方案布置圖

3.2.3 溫度測(cè)點(diǎn)布置

溫度測(cè)點(diǎn)的布置應(yīng)能全面準(zhǔn)確反映大體積混凝土溫度的變化情況，以承臺(tái)中心線為分界線，取向風(fēng)側(cè)1/4截面為溫度監(jiān)測(cè)代表面，共布設(shè)23個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。承臺(tái)內(nèi)中心Z軸向共布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為：距地面5cm處、距地面1m處、中心點(diǎn)處、距頂面1m處和距頂面5cm處。在承臺(tái)中層面位置分別沿x、y半軸向各布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為：模板外表面處、距模板內(nèi)表面5cm處、距模板內(nèi)表面0.5m處、距模板內(nèi)表面1.5m處和距模板內(nèi)表面3m處。中心管道內(nèi)布設(shè)6個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別為：進(jìn)出風(fēng)口位置各布置1個(gè)，管道內(nèi)每間隔2米布設(shè)一個(gè)。另設(shè)1個(gè)環(huán)境測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境指標(biāo)變化，1個(gè)養(yǎng)護(hù)水溫測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)上表面蓄水養(yǎng)護(hù)溫度。溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 溫度測(cè)點(diǎn)布置圖

3.3 仿真模擬分析

根據(jù)方案，采用MIDAS/FEA四面體網(wǎng)格劃分法取1/4對(duì)稱大體積混凝土承臺(tái)實(shí)體，選取2倍承臺(tái)尺寸基礎(chǔ)建模，進(jìn)行加入風(fēng)管冷卻后的仿真模擬，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)布置方案進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

根據(jù)圖5可看出，該溫控布置系統(tǒng)可有效將混凝土內(nèi)部最高溫度控制在65.5℃左右，最大拉應(yīng)力為1.36MPa，使混凝土抗拉最小安全系數(shù)達(dá)到1.58，大于規(guī)范1.4的要求，滿足安全設(shè)計(jì)和施工要求。

圖5 溫度和應(yīng)力仿真模擬結(jié)果

圖6 模型溫度時(shí)程曲線

根據(jù)圖6可看出，模型的降溫速率處于（1.5～3.0）℃/d，且可通過適當(dāng)改變風(fēng)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.4 施工過程

混凝土澆筑過程的澆筑和插搗應(yīng)避開風(fēng)冷卻管道和溫度測(cè)點(diǎn)，不得對(duì)管道及測(cè)點(diǎn)進(jìn)行直接沖擊，當(dāng)操作失誤造成管道和測(cè)點(diǎn)受到?jīng)_擊時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查管道及測(cè)點(diǎn)的線性、線位及穩(wěn)固性，必要時(shí)進(jìn)行修正和加固處理。在開始澆筑混凝土?xí)r即開啟溫度監(jiān)控系統(tǒng)，保證整個(gè)系統(tǒng)的有效運(yùn)行，在承臺(tái)中風(fēng)冷卻系統(tǒng)分三層布置，三層為獨(dú)立控制系統(tǒng)，每當(dāng)混凝土澆筑沒過一層管道后約2h左右即開啟該層風(fēng)冷卻系統(tǒng)。

3.4.1 溫度控制措施

對(duì)大體積混凝土溫度監(jiān)測(cè)控制與裂縫控制過程中應(yīng)滿足以下溫度控制技術(shù)要求，如表1所示。

表1 溫度控制技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)溫度監(jiān)控結(jié)果和表1的超指標(biāo)控制措施，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施管控。在升溫階段應(yīng)最大限度降低入風(fēng)口溫度，提高鼓風(fēng)速率，盡量延遲保溫時(shí)間，最大限度帶出混凝土內(nèi)部熱量，達(dá)到抑制溫峰的效果。在降溫階段需做好保溫，盡可能縮小混凝土表面與環(huán)境間溫差，使混凝土內(nèi)部熱量散失轉(zhuǎn)化為風(fēng)冷卻管道降溫，降低熱量自然散失比率，達(dá)到熱量?jī)?nèi)外同步散失的效果。連續(xù)通風(fēng)14d后，當(dāng)混凝土內(nèi)部最高溫度≤40℃時(shí)，且內(nèi)部溫度與表面溫度之差≤20℃，大氣溫度與混凝土表面溫度差≤20℃時(shí)即可關(guān)閉風(fēng)冷卻降溫系統(tǒng)。連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)48h，各層面測(cè)點(diǎn)溫度無(wú)反彈，可判定該層面溫度穩(wěn)定，拆除風(fēng)冷卻循環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)行下一工序施工。

施工過程實(shí)測(cè)溫度變化情況如圖7所示。根據(jù)圖7可看出，入模溫度約為27.5℃，最高溫度約為65.5℃，溫度升高38℃，隨著測(cè)點(diǎn)距中心點(diǎn)距離的不同溫度梯度較為明顯，且由于該承臺(tái)為四方體結(jié)構(gòu)，對(duì)稱邊相同距離處溫度基本一致，說(shuō)明方案中的管道布置有助于承臺(tái)溫度的均勻散失。

圖7 溫度實(shí)測(cè)值

3.4.2 管道壓漿

風(fēng)冷卻系統(tǒng)裝置拆除后，割掉管道外漏部分，此時(shí)應(yīng)對(duì)預(yù)埋管道進(jìn)行壓漿處理，防止管道后期銹蝕，影響承臺(tái)混凝土整體質(zhì)量。管道壓漿應(yīng)采用與預(yù)應(yīng)力管道相同的真空壓漿工藝，管道壓漿采用不低于42.5級(jí)低碳硅酸鹽水泥，水泥漿的水膠比不超過0.3，流動(dòng)度應(yīng)控制在30s～50s，體積收縮率應(yīng)小于1%，壓漿施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制風(fēng)冷卻管道中的壓漿量及其密實(shí)度，確保壓漿后管道另一端出漿連續(xù)、飽滿，檢測(cè)合格后方可停止注漿，并立即封堵及抹平。

3.4.3 質(zhì)量檢測(cè)

在整個(gè)溫度監(jiān)控過程中，各項(xiàng)指標(biāo)均控制在合理范圍內(nèi)，施工完成后對(duì)混凝土表面進(jìn)行裂縫排查，并在一個(gè)星期和一個(gè)月后各排查一次，均未發(fā)現(xiàn)裂縫，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)在大體積混凝土實(shí)體工程中的零裂縫控制，取得了良好的溫度控制和裂縫控制效果。

4 施工效果及效益分析

長(zhǎng)門特大橋承臺(tái)大體積混凝土為一次性澆筑完成，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為25℃～30℃，采用風(fēng)冷卻的大體積混凝土澆筑，現(xiàn)場(chǎng)施工狀態(tài)良好，施工完成后進(jìn)行定期觀察，混凝土沒有產(chǎn)生裂縫，整個(gè)施工過程對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了科學(xué)有效的管控，達(dá)到了預(yù)期效果。本次實(shí)踐的成功充分表明風(fēng)冷卻技術(shù)方法不僅可以取代原有的水冷卻技術(shù)方法，而且可節(jié)約大量淡水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境。實(shí)施過程中省去了集水箱、調(diào)節(jié)水箱、分流器等裝置，節(jié)省了占地面積，同時(shí)提高了施工的安全系數(shù)。

本次工程實(shí)施節(jié)省了大量機(jī)械吊裝，節(jié)省監(jiān)控及現(xiàn)場(chǎng)管控人員3人，節(jié)約工時(shí)共計(jì)1080小時(shí)。通過水冷卻與風(fēng)冷卻施工技術(shù)的直接施工成本比較，可以得出：風(fēng)冷卻施工技術(shù)較水冷卻施工技術(shù)在相同混凝土體積下節(jié)省施工成本22821元。當(dāng)單次澆筑總方量混凝土滿1000方時(shí)，施工成本可節(jié)省11223元。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用風(fēng)冷卻的大體積混凝土施工技術(shù)可彌補(bǔ)水冷卻方法使用范圍的局限性，且節(jié)約水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)冷卻技術(shù)方法在長(zhǎng)門特大橋承臺(tái)施工中得到成功應(yīng)用，其成果對(duì)于拓展大體積混凝土施工技術(shù)的使用范圍、提高其施工質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益具有廣闊的應(yīng)用前景和社會(huì)效益，也可填補(bǔ)福建省此類施工技術(shù)的空白。

[1]國(guó)家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 51028-2015，大體積混凝土溫度測(cè)控技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[2]阮積忠.大體積混凝土一次性澆筑溫度控制[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2004(01):60-62.

[3]孫大偉.大體積混凝土澆筑溫度控制與施工方法探討[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2017(02):108-109.

[4]胡永.柳州三門江大橋大體積混凝土溫度控制技術(shù)[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2009,26(7):62-66.

[5]黃清明,黃喜民,李新華.某工程的大體積混凝土澆筑過程中養(yǎng)護(hù)階段的溫度控制[J].礦山測(cè)量,2009(01):26-28.

[6]陳立兵,郭軍輝,羅思橋,等.某大橋大體積承臺(tái)混凝土溫控技術(shù)應(yīng)用研究[J].粉煤灰綜合利用,2018(1).

[7]黃斌.大體積混凝土風(fēng)冷卻溫度控制技術(shù)試驗(yàn)研究[J].公路，2017（10）.