摘 要：大體積混凝土（以下稱砼）施工時(shí)，由于水泥水化過程中產(chǎn)生大量的水化熱，由內(nèi)向外傳遞，使砼內(nèi)部溫度逐步升高，而邊緣受氣溫影響而降低，造成砼內(nèi)表溫差而產(chǎn)生溫度應(yīng)力。本文通過國內(nèi)第一大承臺(tái)，即五河口特大橋主墩承臺(tái)近萬方砼澆筑，在溫控方面取得的成功經(jīng)驗(yàn)，介紹大體積砼溫控設(shè)計(jì)、監(jiān)控、實(shí)施步驟，探索防止溫差裂縫的方法。
關(guān)鍵詞：大體積砼 溫控 監(jiān)測(cè) 防裂 技術(shù)
1溫控項(xiàng)目概述
五河口斜拉橋位于江蘇淮安京杭運(yùn)河、廢黃河等五條河交匯處，故名五河口特大橋，其主塔承臺(tái)平面尺寸為49.5m×33.1m的矩形截面，高6m。該承臺(tái)號(hào)稱國內(nèi)第一大承臺(tái)，砼方量9830m3，分兩次澆筑成形，第一次澆筑厚度3.2m，砼5240m3，第二次澆筑厚度2.8m，砼4590m3，砼設(shè)計(jì)強(qiáng)度C30。
砼澆筑過程中，由于水泥水化熱作用，承臺(tái)內(nèi)部溫度經(jīng)歷升溫期、降溫期、穩(wěn)定期三階段，與此同時(shí)砼的彈性模量不斷增長(zhǎng)，由于早期彈模較低，產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小，而后期彈模增大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大使砼內(nèi)部形成拉應(yīng)力。如果該應(yīng)力超過其抗裂能力，砼就會(huì)開裂。而施工時(shí)間11、12月，正值當(dāng)?shù)啬曜畹蜏丶竟?jié)，砼表面受氣溫影響而降溫，更加劇了內(nèi)外溫差幅度，因此必須對(duì)承臺(tái)大體積砼采取溫控防裂措施。經(jīng)對(duì)承臺(tái)砼內(nèi)部溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算，制定不出現(xiàn)有害溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此制定溫控措施。
2承臺(tái)大體積砼溫控計(jì)算
溫控計(jì)算采用《大體積砼施工期溫度場(chǎng)及仿真應(yīng)力場(chǎng)分析程序包》進(jìn)行。該程序模擬砼施工情況，不僅考慮砼的澆筑分層、澆筑溫度、養(yǎng)護(hù)、保溫和砼的邊界條件，而且考慮砼的彈性模量、徐變、自生體積變形、水化熱散發(fā)規(guī)律等物理熱學(xué)性能。計(jì)算參數(shù)根據(jù)招標(biāo)文件、圖紙和施工經(jīng)驗(yàn)取值，施工時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況重新驗(yàn)算。
2.1計(jì)算條件
2.1. 1 根據(jù)承臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，取1/4計(jì)算；砼分二次澆筑，澆筑厚度為3.2m和2.8m；
2.1. 2 氣象資料：氣溫、水溫根據(jù)資料取值，澆筑時(shí)間11、12月，上年同期溫度最高16.5℃，最低-8.7℃；平均風(fēng)力按6m/s考慮。
2.1.3 承臺(tái)內(nèi)部用冷卻水管控溫（圖1,2）；砼終凝后頂面灑水保溫養(yǎng)護(hù)，側(cè)面用5cm厚泡沫板保溫。
2.1. 4 C30砼彈性模量、熱學(xué)參數(shù)、干縮變形和自生體積變形等按規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)取值。并考慮砼的徐變引起的應(yīng)力松弛作用；砼泊松比為0.167，比熱為1.0kJ/kg。取值見表1,2,3,4。[2]
2.1. 5 根據(jù)砼配合比，計(jì)算砼絕熱溫升為40℃。
2.2砼材料參數(shù)及數(shù)值模型
砼材料參數(shù)參考設(shè)計(jì)規(guī)范及試驗(yàn)結(jié)果。計(jì)算中使用的絕熱溫升、彈性模量、徐變度擬合公式分別為：
2.2. 1 水泥水化熱：水泥水化熱公式取雙曲線函數(shù) θ=θ0(1-е-m1 tm2) （2-1）
式中： θ0－最終絕熱溫升，τ－時(shí)間，m1, m2 －參數(shù)。
2.2. 2 彈性模量：彈性模量隨時(shí)間的增長(zhǎng)曲線采用四參數(shù)雙指數(shù)形式，即
E(τ)=E0 + E1(1－e－ατβ) （2-2）
式中：E0初始彈模；E1最終彈模與初始彈模之差；α,β與彈模增長(zhǎng)速率有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)，其值分別取0.14和0.17。
2.2. 3 徐變度：根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，C30砼徐變度如下（單位：10-6／MPa）：
（2-3）
3 計(jì)算結(jié)果及分析
3.1溫度場(chǎng)主要特征
砼澆筑后2～3天即達(dá)到溫度峰值，溫峰持續(xù)1天左右開始下降，初期降溫速率較快，以后逐漸減慢，15～20天后降溫平緩，溫度趨于穩(wěn)定狀態(tài)。砼內(nèi)部最高溫度約51℃，溫度分布為中部高，四周較低。
3.2應(yīng)力場(chǎng)主要特征
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，承臺(tái)各層砼主要齡期的最大主拉應(yīng)力見表5，砼早期（14天左右）最大溫度應(yīng)力為1.60MPa，而此時(shí)C30砼劈裂抗拉強(qiáng)度一般應(yīng)大于2.0Mpa（見表6），抗裂安全系數(shù)k＞1.5，后期也有1.5倍以上的抗裂安全系數(shù)。如果砼施工質(zhì)量良好，不會(huì)產(chǎn)生有害溫度裂縫。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，承臺(tái)內(nèi)部溫度應(yīng)力呈現(xiàn)出四周邊緣應(yīng)力較大，而中間應(yīng)力較小的特征。
4 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在施工期內(nèi)為保證承臺(tái)不出現(xiàn)有害溫度裂縫，宜采取如下溫控標(biāo)準(zhǔn)：
4.1砼澆筑溫度：指砼平倉振搗后，上層砼覆蓋前，距砼表面10～15cm處溫度，澆筑溫度≤25℃；
4.2砼內(nèi)表溫差：指砼內(nèi)部平均最高溫度與表面最低溫度之差，砼內(nèi)表溫差≤25℃；
4.3砼內(nèi)部最高溫度：指砼內(nèi)部平均溫度最高值，砼內(nèi)部最高溫度≤65℃
4.4砼降溫速率：≤2.0℃/d。
5 溫控措施
5.1優(yōu)化砼配合比，降低水化熱
合理選擇砼原材料，選擇級(jí)配良好的砂、石料，選擇優(yōu)良的砼外加劑，增強(qiáng)砼強(qiáng)度，提高抗裂能力，降低水泥用量，是降低砼內(nèi)部水化熱溫升的重要環(huán)節(jié)，因此必須進(jìn)行砼配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)。
5.1.1控制原材料質(zhì)量，減少水泥用量
1）水泥：采用PC32.5水泥，使用溫度≤55℃，否則降低水泥溫度。水泥分批檢驗(yàn)，質(zhì)量穩(wěn)定。
2）粉煤灰：根據(jù)粉煤灰砼技術(shù)規(guī)范，大體積砼可按60d作為砼強(qiáng)度等級(jí)考核指標(biāo)，在規(guī)范允許范圍內(nèi)盡量增加粉煤灰摻量，以推遲水化熱溫峰的出現(xiàn)，降低絕熱溫升，粉煤灰采用Ⅱ級(jí)灰。[3]
3）集料：細(xì)集料采用江蘇宿遷中粗砂，細(xì)度模數(shù)2.4～2.6，含泥量<2％；粗骨料采用江蘇盱眙二級(jí)配碎石，5～16mm占30％，16～31.5mm占70％，級(jí)配優(yōu)良，含泥量<2％，其他指標(biāo)符合規(guī)范要求。[1]
4）外加劑：采用緩凝高效減水劑，最大限度降低水泥用量，推遲水化熱溫峰的出現(xiàn)。摻量0.6%(占膠凝材料)。使用前配成溶液，拌和均勻，做好配制記錄；固體外加劑提前分袋稱好。[3]
5.1.2砼配合比
由于優(yōu)化砼配合比，選用P.C32.5復(fù)合水泥，摻入20%Ⅱ級(jí)粉煤灰和超緩凝劑。粗集料采用二級(jí)配，選出最低空隙率和最佳級(jí)配曲線，在保證強(qiáng)度的前提下，盡量降低膠凝材料用量，從而大大降低了水化熱，起到了早期抑制溫升的效果。經(jīng)檢測(cè)比同等級(jí)砼最高溫度推遲三天左右，最高溫度降低30%左右。砼強(qiáng)度按60d齡期考核，但14天應(yīng)達(dá)到22.MPa，28天應(yīng)達(dá)到30 MPa。砼粘聚性良好，不離析、不泌水，坍落度16-18cm，初凝時(shí)間≥35h。
5.2 控制砼澆筑溫度
砼開盤前，測(cè)水泥、砂石、水的溫度，計(jì)算砼出機(jī)溫度，并估算澆筑溫度如超過25℃，應(yīng)在夜間20時(shí)以后澆筑，并控制原材料的溫度，如骨料遮陽灑水降溫，水泥溫度過高應(yīng)要求廠家在出廠前放一段時(shí)間。
5.2.1 砼的出機(jī)溫度：T0
T0=（0.20+Qs）WsTs+(0.20+Qg)WgTg+0.20WcTc+(Ww-QsWs-QgWg)Tw0.20(Ws+Wg+Wc)+Ww
式中：Qs、Qg分別為砂、石的含水量，以%計(jì)；Ws,Wg,Wc,Ww分別為每方砼中砂、石、水泥和水的重量（粉煤灰計(jì)入水泥中）；Ts,Tg,Tc,Tw分別為砂石、水泥和水的溫度。
5.2.2 砼澆筑溫度：Tp
Tp=To+(Tn-To)(θ1+θ2+θ3+...+θn)
式中：Tn砼運(yùn)輸和澆筑時(shí)氣溫；θ1,θ2,θ3,θn有關(guān)系數(shù)，數(shù)值如下：（1）砼裝、卸和轉(zhuǎn)運(yùn)，每次θ=0.03；（2）運(yùn)輸時(shí)θ=Aτ,τ運(yùn)輸時(shí)間，A表8；（3）澆筑時(shí)θ=0.003τ,τ澆筑時(shí)間。
5.3埋設(shè)冷卻水管，控制砼內(nèi)部溫度
5.3.1冷卻水管位置
冷卻水管采用φ50mm薄壁鋼管（壁厚2.5mm）；冷卻水管沿垂直方向布置5層，層間距1m，水平間距1m，每根管長(zhǎng)度≤180m。進(jìn)出水口集中布置，以便統(tǒng)一管理，進(jìn)水口利用閥門控制冷卻水流量。（如圖1、圖2），冷卻水用江水。
5.3.2冷卻水管使用及其控制
1）冷卻水管使用前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，防止漏水、阻水。
2）砼澆筑到各層冷卻管標(biāo)高后即通水，通水時(shí)間10～15天，具體時(shí)間根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定，通水流量大于25L/min；
3）設(shè)置水箱以循環(huán)水冷卻控制進(jìn)出水溫，在保證冷卻管進(jìn)水溫度與砼內(nèi)部最高溫差≤25℃條件下，盡量降低冷卻水溫度。
4）第一層砼澆筑時(shí)第一、第二層冷卻水管通水；第二層砼澆筑時(shí)，第三四五層冷卻水管通水。
5）通水冷卻全部結(jié)束后，用同標(biāo)號(hào)水泥漿或砂漿壓注管道。
5.4內(nèi)降溫、外保溫、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)
由于承臺(tái)冬季施工，要特別重視砼的保溫工作，控制砼內(nèi)外溫差≤25℃。措施：鋼模板外嵌5㎝厚泡沫板，吊掛麻袋，再用土工布圍裹，碘鎢燈照射增加砼表面溫度，頂面覆蓋土工布。砼終凝后在表面灑水養(yǎng)護(hù)，頂面盡量采取蓄水養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)對(duì)砼強(qiáng)度增長(zhǎng)及減少溫差、收縮裂縫具有重要意義。
5.5控制澆筑質(zhì)量，提高抵抗溫差拉應(yīng)力強(qiáng)度
為提高砼均勻性和抗裂能力，必須加強(qiáng)各環(huán)節(jié)控制：（1）砼拌合運(yùn)輸、澆筑振搗、保溫養(yǎng)護(hù)全過程監(jiān)控，嚴(yán)格按規(guī)范施工。（2）為增強(qiáng)砼的抗裂能力，在承臺(tái)外表面布設(shè)一層防裂鋼筋網(wǎng)。（3）短間歇連續(xù)施工，兩次澆筑間歇期控制在10天內(nèi)。
6 砼現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控
為了隨時(shí)跟蹤砼內(nèi)部溫度變化情況，澆筑前按照全面控制承臺(tái)內(nèi)部溫度變化的要求布置測(cè)溫傳感器。真實(shí)反映各層砼的溫控效果，使之控制在溫控范圍內(nèi)，利于異常情況及時(shí)采取措施。
6.1測(cè)點(diǎn)布設(shè) 根據(jù)溫度計(jì)算成果，在承臺(tái)內(nèi)部布置6層測(cè)溫點(diǎn)，每層沿X、Y方向布置14個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)總數(shù)84個(gè)。測(cè)點(diǎn)沿承臺(tái)的1／4部位水平布置，見圖3、圖4。
6.2監(jiān)測(cè)儀器 采用PN結(jié)溫度傳感器， PN—4C型數(shù)字多路巡回檢測(cè)控制儀。溫度傳感器的主要技術(shù)性能：測(cè)溫范圍-50℃～150℃；工作誤差±0.5℃；分辨率0.1℃；平均靈敏度-2.1mv/℃。
6.3測(cè)試要求 砼澆筑后立即測(cè)試，連續(xù)進(jìn)行。溫度測(cè)試，峰值出現(xiàn)前2h監(jiān)測(cè)一次，峰值后4h監(jiān)測(cè)一次，持續(xù)5天，然后每天測(cè)2次，直到溫度穩(wěn)定。
6.4測(cè)試內(nèi)容 澆筑開始，連續(xù)監(jiān)測(cè)各點(diǎn)溫度變化情況，同時(shí)監(jiān)測(cè)砼入倉溫度、氣溫、冷卻管進(jìn)出口水溫、澆筑溫度，計(jì)算內(nèi)表溫差，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，做好記錄(表9)。
7 溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析
7.1整體分析
如圖4，升溫初期呈緩慢上升，之后急劇升溫，升溫階段在3-6天，達(dá)到峰值后，溫度穩(wěn)定2天左右，隨后緩慢下降。第一層最高溫度為30.2℃，斷面平均最高溫30℃；第二層最高溫度為35.6℃, 斷面平均最高溫34.6℃。與升溫相比，降溫階段長(zhǎng)得多。降溫速率較緩慢，最大降溫速率1.8℃/d。
分層施工時(shí)，第一層在施工間歇期內(nèi)，溫度先急劇上升，然后緩慢降溫，當(dāng)被第二層砼覆蓋后，因第二層砼急劇升溫，使第一層砼溫度不同程度的回升。表面測(cè)點(diǎn)溫度與斷面平均溫度相比，總體趨勢(shì)不變，但溫度變化起伏較多，由于表面測(cè)點(diǎn)距表面5cm，向外界散熱快，受氣溫的影響大，故隨氣溫的變化而變化。第二層砼在溫峰過后，頂層測(cè)點(diǎn)溫度緩慢上升，是因頂面良好保溫和側(cè)面回填土的保溫所致。
7.2承臺(tái)中心到邊緣的溫度變化
圖5繪出了承臺(tái)中心到邊緣的溫度曲線，可以看出：從中心到距邊緣3.5m范圍溫度分布較均勻，承臺(tái)邊緣3.5m外溫度變化劇烈，降溫速率快，越靠近中心溫度變化越平緩。
承臺(tái)中心與邊緣溫度，下降速率早期控制在0.5℃~0.8℃/d，后期也未超過1.5℃/d，由于承臺(tái)頂、側(cè)面的良好保溫，故邊緣溫度雖變化劇烈，但下降幅度不甚大，隨著中心溫度向外傳遞逐步在邊緣形成緩變區(qū)，起到了保溫作用，在最寒冷季節(jié)，兩次最低氣溫降到-8℃時(shí)未出現(xiàn)太大的影響。
7.3冷卻水的降溫效果、溫控效果
冷卻效果：兩次澆筑，冷卻水管的進(jìn)、出口水溫差分別為5.7-11.6℃和5.8-10.℃，起到了早期削溫峰及防止溫度回升的效果。根據(jù)內(nèi)部溫度變化，有序地分層通水降溫，對(duì)縮小內(nèi)表溫差起到了極為重要的作用。溫峰過后，用冷熱水調(diào)合成合適的水量和進(jìn)水溫度，調(diào)整降溫的速率，達(dá)到后期溫度緩慢下降的保溫效果，內(nèi)表溫差未超過溫控標(biāo)準(zhǔn)。
溫控效果：第一層斷面最大內(nèi)表溫差均在15.3-19.4℃之間，第二層均在15.4-19.8℃之間，低于設(shè)計(jì)要求的25℃。砼入倉溫度均在6 -12.4℃，滿足冬季施工規(guī)范和溫控要求，各層溫度最大下降速率為1.8℃/d，低于溫控要求，因此承臺(tái)不會(huì)出現(xiàn)有害的溫度裂縫。
8結(jié)語
五河口特大橋主墩承臺(tái)施工，采取了一系列的溫控措施，砼最大絕熱升溫沒有超過40℃，砼內(nèi)外溫差沒有超過25℃，承臺(tái)表面沒有出現(xiàn)溫度裂縫，從而保證了承臺(tái)的施工質(zhì)量。結(jié)果表明其溫控措施是成功的，有效的控制溫度裂縫的產(chǎn)生，對(duì)同類施工積累了成功經(jīng)驗(yàn)。
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