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摘要:混凝土在浇筑后，由于水泥水化热而产生的温度应力，容易導致混凝土产生裂缝。因此，必须对混凝土水化热温度进行分析，进而采取控制措施以防范裂缝的出现。本文结合桥梁承台基础大体积混凝土工程实例，对水化热温度进行了分析，论述了施工中的温控措施，有效控制温度裂缝的出现，可供参考。
关键词:大体积混凝土；水化热温度；监测；控制
中图分类号：K928.78 文献标识码：A文章编号：
众所周知，混凝土是应用最为广泛的工程结构材料。近年来，随着交通建设事业的发展，大型、复杂的桥梁工程大量出现，使得大体积混凝土在桥梁的基础中得到了广泛的应用。大体积混凝土在浇筑后，由于水泥水化热，内部温度上升，在一定约束条件下会产生较大的温度应力，导致混凝土产生裂缝，影响工程质量。因此，在施工中如何控制水化热温度，采取相应的温控措施，避免混凝土出现有害的温度裂缝是保证工程质量的首要问题。
某桥梁墩承台尺寸为13.6m×15.2m×4.0m，一个承台约C30混凝土836m3，属于大体积混凝土。为保证桥梁承台大体积混凝土工程质量，对桥梁承台基础大体积混凝土水化热温度分析与控制。
1 承台水化热有限元分析
1.1 有限元模型
建模时周边地基土尺寸取为19.2m×17.6m×4.0m，模型中考虑了冷却水管，有限元模型见图1。
图1 承台水化热分析有限元模型
1.2 相关计算参数
桥梁承台大体积混凝土理论配合比见表1。
表1 承台混凝土理论配合比kg/m3
根据施工方案，承台混凝土四周采用钢模板，顶面混凝土保温材料为30mm厚棉被和0.1mm厚塑料布。保温材料导热系数见表2。模型环境温度取为固定值18℃，地基边界为固定温度条件，温度值也取18℃。冷却水管内径0.048m，水流速度为0.6m/s。
表2 保温材料导热系数
1.3 计算结果及分析
为了研究承台大体积混凝土内部和表面温度发展，在有限元分析和现场测试中分别取1/4承台的顶面、深2m，深4m处各8个测点进行研究。测点布置如图2所示。
图2 温度测点布置(单位：cm)
本文针对混凝土浇筑后的水化热温度场进行了有限元模拟分析。取如图2所示每层测点温度的平均值代表该层温度，则承台顶面、深2m和深4m位置处混凝土温度随时间的发展曲线如图3所示。计算结果表明，承台大体积混凝土温度上升较快，大约在浇筑后90h时混凝土温度达到最大值，混凝土表面温度为46.2℃，2m和4m处混凝土温度分别为52℃和42.6℃。达到最高温度后，2m和4m处混凝土温度下降比较慢，表面温度下降相对较快。800h时，表面温度已经接近环境温度，而2m和4m处的混凝土温度仍然处于35℃～40℃的水平，说明大体积混凝土的内部放热是一个持续而漫长的过程。
图3 承台水化热温度计算值随时间变化情况
大体积混凝土内外温差直接导致混凝土收缩不均匀，从而引起混凝土的开裂。因此需要对承台混凝土的最大温差进行研究。本文取图2所示承台表面和2m深的对角线上的测点为研究对象，对承台最大温差进行分析。测点Z1至Z8的平均值为混凝土芯部温度，测点1～8的平均值为混凝土表面温度，混凝土内外温差随时间的变化见图3。最大温差出现在300h左右，约为9.5℃，＜20℃，混凝土内外温差满足相关规范要求。
为了分析冷却水管的作用，对比分析了有限元模型中有无冷却水管的计算结果。有无冷却水管的情况下承台顶面以下2m位置处混凝土温度发展曲线如图4所示。由图4可以看出，冷却水管对于承台混凝土降温作用比较明显。尤其是对于承台芯部混凝土的降温效果更为显著。2m深处的混凝土最高温度由无冷管作用下的59℃降为有冷管作用下的52℃，降温幅度约12%。这主要是因为中心部位不易向外散热，温度较高，与冷却水之间的温差大，二者之间热量交换也就较多。
图4 承台2m处混凝土温度
2 水化热温度现场监测
2.1 监测方案
为了更好地对承台混凝土进行水化热温度控制，在有限元分析的基础上对承台进行温度监测，从而更好地保证承台大体积混凝土的施工质量。承台内布设测温元件，测点布置如图2所示。测温时间间隔为2～4h，随时检查混凝土的内外温差是否在容许温差20℃以内。根据实测数据，后期适当延长测温间隔。
2.2 监测结果分析
为方便与有限元计算结果对比，取每层现场监测数据的平均值代表该深度的实测值，模拟计算与实测值的比较如图5所示。实测与有限元计算结果的总体发展趋势一致，芯部温度峰值的实测值与计算值基本吻合，说明有限元模拟具有较好的实用性。由于有限元模拟的边界条件很难与实际环境完全相符，顶层和底层的实测温度与计算值有一定差距。实测数据有一定波动性，主要原因为测试管路与外界大气有少量的热交换，导致测试值受到昼夜环境温度的影响。另外，现场混凝土浇筑进度不规则，有限元模拟难以与实际一致，计算值的整体表现与实测曲线有一个时差。该桥承台混凝土水化期间的内外温差在10℃左右，满足相关施工规范的要求。
图5 承台温度值
3 水化热温度现场控制措施
该桥承台混凝土水化期间的内外温差控制到位，未发现温度裂缝。良好的温度及温差控制效果与施工过程中的控制措施有密切关系。该桥承台施工期的温控措施主要有以下方面。
3.1 控制入模温度
降低混凝土浇筑时的入模温度可以有效降低混凝土的温度峰值及内外温差。承台混凝土所用骨料提前存储在料棚内，并洒水降温;水泥提前进仓冷却，避免水泥本身温度过高;将混凝土搅拌运输车、混凝土输送泵管遮盖、洒水;混凝土入模前通过洒水等措施尽量降低模板、钢筋温度以及附近的气温;混凝土加冰搅拌等。通过以上措施，保证混凝土入模温度为15℃～18℃。混凝土的入模温度不高于气温，为承台大体积混凝土水化热温度控制奠定了基础。
3.2 采用低热原材料
为了减小混凝土的水化热，该桥台采用了低水化热的水泥，用适量粉煤灰取代一部分水泥以削减水化热产生的高温峰值。掺加适量减水剂，有效地减少了拌合水用量，从而可以进一步降低混凝土的温度。
3.3 调节混凝土内外温度
通过冷却水管和承台保温措施调节混凝土内外温度，减小承台混凝土内外温差，防止混凝土开裂。承台设置了3层冷却水管，每一层均能构成独立的循环水系统。浇筑混凝土时通过3台水泵循环冷水降低混凝土内温度，取得了显著效果。承台混凝土初凝后，首先用塑料布覆盖其表面，然后上面铺设棉被保温，并将棉被用塑料布覆盖，防止下雨淋湿棉被。在承台四周模板上包裹棉被并外包塑料布来保温。养护期间定期检查顶部塑料布内是否有足够的凝结水，否则勤洒水以保持混凝土表面时刻处于湿润状态。
4 结语
实践证明，通过对大体积混凝土进行水化热温度分析、监测，进而采取相应的温控措施和有效的养护措施，能很好地控制了混凝土的内外温差，预防和减少温度裂缝的出现的，确保了桥梁承台基础的质量。
参考文献
[1] 卢二侠.大体积混凝土承台水化热温度分析与控制[J].湖南大学,2007年
[2] 徐建;刘钊;吕立超;熊雷.承台大体积混凝土水化热温度监测分析[J].甘肃科技,2011年第03期
关键词:大体积混凝土；水化热温度；监测；控制
中图分类号：K928.78 文献标识码：A文章编号：
众所周知，混凝土是应用最为广泛的工程结构材料。近年来，随着交通建设事业的发展，大型、复杂的桥梁工程大量出现，使得大体积混凝土在桥梁的基础中得到了广泛的应用。大体积混凝土在浇筑后，由于水泥水化热，内部温度上升，在一定约束条件下会产生较大的温度应力，导致混凝土产生裂缝，影响工程质量。因此，在施工中如何控制水化热温度，采取相应的温控措施，避免混凝土出现有害的温度裂缝是保证工程质量的首要问题。
某桥梁墩承台尺寸为13.6m×15.2m×4.0m，一个承台约C30混凝土836m3，属于大体积混凝土。为保证桥梁承台大体积混凝土工程质量，对桥梁承台基础大体积混凝土水化热温度分析与控制。
1 承台水化热有限元分析
1.1 有限元模型
建模时周边地基土尺寸取为19.2m×17.6m×4.0m，模型中考虑了冷却水管，有限元模型见图1。
图1 承台水化热分析有限元模型
1.2 相关计算参数
桥梁承台大体积混凝土理论配合比见表1。
表1 承台混凝土理论配合比kg/m3
根据施工方案，承台混凝土四周采用钢模板，顶面混凝土保温材料为30mm厚棉被和0.1mm厚塑料布。保温材料导热系数见表2。模型环境温度取为固定值18℃，地基边界为固定温度条件，温度值也取18℃。冷却水管内径0.048m，水流速度为0.6m/s。
表2 保温材料导热系数
1.3 计算结果及分析
为了研究承台大体积混凝土内部和表面温度发展，在有限元分析和现场测试中分别取1/4承台的顶面、深2m，深4m处各8个测点进行研究。测点布置如图2所示。
图2 温度测点布置(单位：cm)
本文针对混凝土浇筑后的水化热温度场进行了有限元模拟分析。取如图2所示每层测点温度的平均值代表该层温度，则承台顶面、深2m和深4m位置处混凝土温度随时间的发展曲线如图3所示。计算结果表明，承台大体积混凝土温度上升较快，大约在浇筑后90h时混凝土温度达到最大值，混凝土表面温度为46.2℃，2m和4m处混凝土温度分别为52℃和42.6℃。达到最高温度后，2m和4m处混凝土温度下降比较慢，表面温度下降相对较快。800h时，表面温度已经接近环境温度，而2m和4m处的混凝土温度仍然处于35℃～40℃的水平，说明大体积混凝土的内部放热是一个持续而漫长的过程。
图3 承台水化热温度计算值随时间变化情况
大体积混凝土内外温差直接导致混凝土收缩不均匀，从而引起混凝土的开裂。因此需要对承台混凝土的最大温差进行研究。本文取图2所示承台表面和2m深的对角线上的测点为研究对象，对承台最大温差进行分析。测点Z1至Z8的平均值为混凝土芯部温度，测点1～8的平均值为混凝土表面温度，混凝土内外温差随时间的变化见图3。最大温差出现在300h左右，约为9.5℃，＜20℃，混凝土内外温差满足相关规范要求。
为了分析冷却水管的作用，对比分析了有限元模型中有无冷却水管的计算结果。有无冷却水管的情况下承台顶面以下2m位置处混凝土温度发展曲线如图4所示。由图4可以看出，冷却水管对于承台混凝土降温作用比较明显。尤其是对于承台芯部混凝土的降温效果更为显著。2m深处的混凝土最高温度由无冷管作用下的59℃降为有冷管作用下的52℃，降温幅度约12%。这主要是因为中心部位不易向外散热，温度较高，与冷却水之间的温差大，二者之间热量交换也就较多。
图4 承台2m处混凝土温度
2 水化热温度现场监测
2.1 监测方案
为了更好地对承台混凝土进行水化热温度控制，在有限元分析的基础上对承台进行温度监测，从而更好地保证承台大体积混凝土的施工质量。承台内布设测温元件，测点布置如图2所示。测温时间间隔为2～4h，随时检查混凝土的内外温差是否在容许温差20℃以内。根据实测数据，后期适当延长测温间隔。
2.2 监测结果分析
为方便与有限元计算结果对比，取每层现场监测数据的平均值代表该深度的实测值，模拟计算与实测值的比较如图5所示。实测与有限元计算结果的总体发展趋势一致，芯部温度峰值的实测值与计算值基本吻合，说明有限元模拟具有较好的实用性。由于有限元模拟的边界条件很难与实际环境完全相符，顶层和底层的实测温度与计算值有一定差距。实测数据有一定波动性，主要原因为测试管路与外界大气有少量的热交换，导致测试值受到昼夜环境温度的影响。另外，现场混凝土浇筑进度不规则，有限元模拟难以与实际一致，计算值的整体表现与实测曲线有一个时差。该桥承台混凝土水化期间的内外温差在10℃左右，满足相关施工规范的要求。
图5 承台温度值
3 水化热温度现场控制措施
该桥承台混凝土水化期间的内外温差控制到位，未发现温度裂缝。良好的温度及温差控制效果与施工过程中的控制措施有密切关系。该桥承台施工期的温控措施主要有以下方面。
3.1 控制入模温度
降低混凝土浇筑时的入模温度可以有效降低混凝土的温度峰值及内外温差。承台混凝土所用骨料提前存储在料棚内，并洒水降温;水泥提前进仓冷却，避免水泥本身温度过高;将混凝土搅拌运输车、混凝土输送泵管遮盖、洒水;混凝土入模前通过洒水等措施尽量降低模板、钢筋温度以及附近的气温;混凝土加冰搅拌等。通过以上措施，保证混凝土入模温度为15℃～18℃。混凝土的入模温度不高于气温，为承台大体积混凝土水化热温度控制奠定了基础。
3.2 采用低热原材料
为了减小混凝土的水化热，该桥台采用了低水化热的水泥，用适量粉煤灰取代一部分水泥以削减水化热产生的高温峰值。掺加适量减水剂，有效地减少了拌合水用量，从而可以进一步降低混凝土的温度。
3.3 调节混凝土内外温度
通过冷却水管和承台保温措施调节混凝土内外温度，减小承台混凝土内外温差，防止混凝土开裂。承台设置了3层冷却水管，每一层均能构成独立的循环水系统。浇筑混凝土时通过3台水泵循环冷水降低混凝土内温度，取得了显著效果。承台混凝土初凝后，首先用塑料布覆盖其表面，然后上面铺设棉被保温，并将棉被用塑料布覆盖，防止下雨淋湿棉被。在承台四周模板上包裹棉被并外包塑料布来保温。养护期间定期检查顶部塑料布内是否有足够的凝结水，否则勤洒水以保持混凝土表面时刻处于湿润状态。
4 结语
实践证明，通过对大体积混凝土进行水化热温度分析、监测，进而采取相应的温控措施和有效的养护措施，能很好地控制了混凝土的内外温差，预防和减少温度裂缝的出现的，确保了桥梁承台基础的质量。
参考文献
[1] 卢二侠.大体积混凝土承台水化热温度分析与控制[J].湖南大学,2007年
[2] 徐建;刘钊;吕立超;熊雷.承台大体积混凝土水化热温度监测分析[J].甘肃科技,2011年第03期