混凝土施工温度监控探析

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本文作者：王淳作者单位：铁四院（湖北）工程监理咨询有限公司

1工程概况

宁安铁路安庆长江大桥为主跨580m的双塔钢桁梁斜拉桥，主塔承台直径51m，顶标高-6.0m，底标高-14.0m，厚8.0m，施工时分两层浇筑，浇筑高度分别为3.0m和5.0m。承台混凝土强度等级C40，封底混凝土强度等级为水下C30。承台混凝土设计方量16342.6m3，承台基础采用37根3.4/3.0m变直径钻孔灌注桩，桩基呈梅花形布置。采用双壁钢套箱围堰方法施工承台，承台与围堰间的间隙0.5m，围堰封底混凝土顶标高-17.8m，封底混凝土顶面与承台底间有3.8m空间，承台与围堰、封底混凝土相对位置关系如下图1所示。主塔承台为大体积混凝土结构，由于水泥水化过程中产生的水化热，使浇筑后初期混凝土内部温度急剧上升，引起混凝土膨胀变形，而此时混凝土的弹性模量很小，因此，升温引起受基础约束的膨胀变形产生的压应力很小。随着温度逐渐降低混凝土产生收缩变形，但此时混凝土弹性模量较大，降温引起的变形受基础约束会产生相当大的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生温度裂缝，对混凝土结构产生不同程度的危害。此外，在混凝土内部温度较高时，外部环境温度较低或气温骤降期间，内表温差过大在混凝土表面也会产生较大的拉应力而出现表面裂缝。为保证混凝土施工质量，避免产生温度裂缝，确保大桥的使用寿命和运行安全，应对主塔承台大体积混凝土进行承台混凝土配合比设计，制定承台不出现有害温度裂缝的温控标准，并制定相应的温控措施。

2承台混凝土配合比

2.1配合比设计原则

改善混凝土材料本身抗裂性能首先研究混凝土各组分对抗裂性能的影响，通过对混凝土各组分的品质与质量选择，最佳掺量、最佳组合、最佳配合比等参数的确定，达到提高混凝土材料自身抗裂能力和变形性能的目的。同时提出以抗裂为核心，全面改善混凝土各种物理力学性能的配合比优化设计方法，以适应承台大体积混凝土的温控要求。为使大体积混凝土具有良好的抗侵蚀性、体积稳定性和抗裂性能，混凝土配合比设计的基本原则如下：（1）水泥选用矿渣硅酸盐水泥，该类型水泥具有水化热低后期强度增长高的特点，有利于大体积混凝土温控。（2）选用坚固耐久、级配、粒形良好的洁净骨料，选用级配优良碎石。（3）为减少混凝土单位用水量，降低混凝土水化热，在试验论证的基础上，采用了I级粉煤灰，混凝土单位用水量要少10kg/m3左右，可大大节约胶凝材料用量。

2.2原材料选择

根据现场条件，通过试验比选，因地制宜地选择承台混凝土原材料。（1）水泥：采用华新水泥厂生产的矿渣硅酸盐P.O42.5水泥。（2）粉煤灰：采用铜陵I级粉煤灰。（3）细集料：采用江西赣江中砂。（4）粗集料：采用和县生产5～16mm和16～31.5mm连续级配。（5）外加剂：采用武汉格瑞林聚羧系高效减水剂。（6）水：长江江水。

2.3配合比优化

在保证混凝土施工性能的前提下采取以下措施优化配合比：（1）降低混凝土单位用水量。（2）进一步提高粉煤灰掺量，从而降低混凝土中的水泥用量，承台粉煤灰掺量占胶凝材料40%。（3）调整混凝土砂率为最佳状态。最终确定承台混凝土配合比见表1。

3温度控制措施

在主墩承台大体积混凝土施工中，从混凝土拌合、运输、浇筑到通水、保温、养护整个过程实施全程有效监控，特别对分层、混凝土浇筑温度、通水冷却和养护进行严格控制，确保混凝土施工质量。

3.1温度控制标准

温度控制的方法需根据气温（季节）、混凝土内部温度、结构尺寸、约束情况、混凝土配合比等具体条件确定。按照《大体积混凝土施工规范》中的要求，结合本工程的实际情况，制定如下温控标准：（1）尽量降低混凝土温升、延缓最高温度出现时间，混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值≤45℃。（2）降低混凝土中心和表面之间温差，混凝土浇筑块体的里表温差≤25℃。（3）降低降温速率。（4）降低新老混凝土之间的温差以及控制混凝土表面和气温之间温差。

3.2浇筑过程中控制

混凝土出搅拌机后，经泵管输送、平仓、振捣等过程后5～10cm处的温度为混凝土浇筑温度。在每次开盘之前，通过测水泥、粉煤灰、砂、石水的温度，估算出出机温度，并依据出机温度估计浇筑温度。在标准要求范围内，尽量降低混凝土的浇筑温度。

3.3通水冷却

根据混凝土内部温度分布特征，确定冷却管的埋设、形状和方式，在主墩承台混凝土中埋设冷却水管，冷却水管采用32mm的薄壁钢管，其水平间距为1.0m，冷却水管距混凝土表面大于0.9m，每根冷却水管长度不超过200m，冷却水管进出水口集中布置，以利于统一管理。在主墩承台混凝土中沿厚度方向共埋设7层冷却水管，第一层埋设3层冷却水管，第二层埋设4层冷却水管，高度方向等间距布置，上下层冷却管布置成横纵向交错布设，安装时要与钢筋骨架或支撑桁架固定牢靠。冷却水为长江江水，冷却水管布置见图2。冷却水管使用及其控制要求：（1）冷却水管使用前应进行压水试验，防止管道漏水、阻水。（2）混凝土浇筑到各层冷却水管标高后即开始通水，通水时根据出水口水温确定输水量。（3）待主通水冷却全部结束后，即采用同标号水泥浆或砂浆灌浆封孔。为保证冷却水的初期降温效果，应专人负责，优化冷却水管的管路布置，合理选择水泵，并配备检修人员,准备了备用水泵,若管路出现故障及时排除,保证冷却系统正常工作。施工时，操作人员应听从指挥，及时开启和关闭阀门。

3.4保温及养护

混凝土养护包括温度和湿度两个方面。结构表层混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度养护。因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微观结构。目前普遍存在的问题是湿养护不足，对混凝土质量影响很大。湿养护时间从混凝土浇筑完毕至下层混凝土浇筑。为减小主墩承台混凝土内表温差，现场重视承台砼的保温措施，当承台砼浇筑完待终凝时，在承台顶面覆盖一层粗工布保温，采用蓄水保温养护。养护对混凝土强度正常增长及减少收缩裂缝具有重要意义，因此施工中施工单位重视混凝土的养护工作。当承台表面采取洒水养护，采用冷却水出水注入承台顶面蓄水养护，做到即保湿又保温，防止混凝土出现裂缝。

4现场温度监测

4.1温度测试内容

主墩承台砼采用拌和站集中拌和，泵送入模，插入式振捣器振捣。为做到信息化施工，真实反映砼的温控效果，以便出现异常情况及时采取有效措施，在主墩承台砼中布设温度测点。将传感器固定在角钢固定架上，传感器与角钢之间垫上隔热材料，在混凝土浇筑前完成传感器的铺设工作，并将屏蔽信号电缆线连接到温度巡检仪，在浇筑过程中，混凝土及振捣器禁止直接冲击或触及传感器及引出电缆。采用MIDAS/Civil建立承台温控计算模型，取1/4承台进行有限元网格剖分计算，得到混凝土温度场特征，如图3所示。由于承台边缘降温较快，中部散热慢，所以边缘温度较低，中心温度最高。混凝土浇筑后，一般在2天左右达到峰值，约1天后温度开始下降，初期降温速度较快，以后降温速率逐渐减慢，至15～20天后降温平缓。由于混凝土两次浇筑，下层混凝土的温度随着上层混凝土的浇筑会出现一定程度的反弹。承台混凝土中部温度最高，周围温度较低，靠近边缘部分混凝土温度梯度最大。因此，测点采用图4的布置方式，共在主墩承台中布置64个温度测点（其中承台第1层布置24个温度测点，承台第2层布置40个温度测点），沿承台高度方向等间距布置，沿直径方向采用中间疏边缘密的方式，以期与承台温度特征相吻合，达到较好的数据采集效果。在检测砼温度变化的同时，还对气温、砼的出机温度、入模温度、浇筑温度等均进行了监测。各项监测项目在砼浇筑后立即进行，连续不断。砼的温度监测，在升温阶段每隔0.5～1h巡回监测各点温度一次。到达峰值后每隔4h监测一次，持续5天，之后转为每天测2次，随着砼温度变化减小，逐渐延长监测间隔时间，直至温度变化基本稳定。

4.2现场测试数据分析

本文重点对处在两层混凝土中部的测点数据进行分析，即第一层混凝土的第2排测点和第二层混凝土的第5、6、7排测点，如表2所示。根据表2所示实测数据，可知：（1）混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升值为76.5-35.4=41.1℃＜45℃。（2）混凝土浇筑块体的里表温差为21.2℃＜25℃。（3）主墩承台混凝土中冷却水管的进、出水温差为6.2℃～23.2℃起到了早期削峰及防止温度回升的效果。根据混凝土内部温度变化，有序地分层通水降温，对减小混凝土内表温差起到了极为重要的作用。

5结语

大直径承台混凝土在施工期间，一方面由于水泥水化热引起混凝土的前期温度升高，产生各种温差，从而在混凝土表面产生很大的温度应力，导致混凝土裂缝；另一方面外界气温骤降引起了混凝土内外温差，也将使混凝土表面产生很大的温度应力，形成表面裂缝并往往发展为贯穿性裂缝。混凝土裂缝将坏结构的整体性，严重的影响工程安全。在桥梁工程中，由于水泥标号高，水化热大，出现裂缝仍然很普遍，因此在实际施工中因采取措施加以控制。本工程主墩承台混凝土施工期的平均气温为22.2℃～37.5℃，属夏季节，这样的季节对大体积混凝土的温控尤其重要，施工中根据温控要求采取了严格的措施，实际控制效果较好，未产生温度裂缝，可为相似工程提供参考。