循环冷却水温控系统在桥梁承台大体积混凝土养护中的应用

循环冷却水温控系统在桥梁承台大体积混凝土养护中的应用

张琳

云南省建设投资控股集团有限公司市政总承包部昆明650501

摘要：混凝土裂缝防治一直以来是桥梁工程师们重点关注的课题，究其原因分可为塑性收缩裂缝、温度裂缝、干缩裂缝、沉降裂缝、腐蚀裂缝。其中，大体积混凝土温度裂缝的形成原因十分复杂，涉及建筑材料、施工技术、环境因素等诸多因素。大体积混凝土温度裂缝防治也是桥梁工程大体积混凝土施工质量控制的重难点。本文结合蛮板特大桥9号墩承台大体积混凝土温度控制的工程实践，讲述了循环冷却水温控系统布设要点和温度控制措施，进一步规范了循环冷却水降温系统，提高了承台大体混凝土温度控制质量，有效防止了温度裂缝产生。希望本文对同类工程施工提供参考。

关键词：承台；大体积混凝土养护；循环冷却水；温控系统；温度监测

1工程概况

蛮板特大桥位于元江至蔓耗高速公路（红河段）K111公里处，为跨越马堵山电站库区而设，为元江至蔓耗高速公路控制性工程之一。该桥位于整体式路线段，桥面宽为26.8米。左右幅相同布置，桥跨布置为：（（4*41）+（4*41））米预制T梁+（136+240+136）米矮塔斜拉桥+（3*40）米预制T梁桥，单幅桥长973米。蛮板特大桥主墩9#墩，墩底下设正方形承台加群桩基础，承台纵横向尺寸25.6m×25.6m×6m，采用25×65×φ2.2米钻孔桩基础，承台砼量3932.16m3，承台混凝土设计强度均为C30，配合比设计详见表-1。

表-1C30混凝土配合比（kg）

2循环冷却水温控系统组成及工作原理

循环冷却水温控系统由冷却水循环系统和温度监测系统组成。其工作原理是：在对大体积混凝土进行温度控制时，向冷却水循环系统通水降温，利用温度监测系统采集各测点温度，实时调节各管路循环水流量，使混凝土里表温差、最高温度值、降温速率符合温度控制指标。

冷却水循环系统主要设备设施有：循环水池、分流器、闸阀、Φ42黑铁管、直接接头、900接头、潜水泵4台（两用两备）、500kW备用发电机。（详见图-1）

图-1冷却水循环系统图

3冷却水循环系统

3.1冷却水管路布置

采用预埋冷却水管通循环冷却水进行混凝土内部温度控制，主墩承台冷却管分五层布置，一、三、五层为顺桥向，二、四层为横桥向（详见图-2）。冷却管水平布置间距为1m，竖向布置间距为1m，每层冷却管设置两个回路单元，每个回路进水口设置一个闸阀，与分流器连接（详见图-3）。

图-2冷却水管布置平面图

图-3分流器与冷却管布置图

3.2混凝土热工计算

承台C30混凝土使用“拉法基（红河）水泥有限公司”生产的“普通硅酸盐水泥P·O42.5”，经试验检测得该水泥水化热（时间3d，Q3＝269kJ/kg；时间7d，Q7＝312kJ/kg），C30混凝土配合比详见表1。根据《大体积混凝土施工规范》进行如下计算：

1.水泥水化热

水泥水化热总量：Q0＝4&pide;（7&pide;Q7－3&pide;Q3）＝354.5（kJ/kg）

矿渣粉掺量：k=134&pide;384=34.9%

当采用矿渣粉且掺量控制在34.9%时，内插法可得掺合料水化热调整系数k＝0.88；

胶凝材料水化热总量：Q＝kQ0＝0.88×354.5＝312（kJ/kg）。

2.混凝土绝热温升

混凝土的龄期为（t）时的绝热温升公式：

T（t）=［（W×Q）&pide;（C×ρ）]×（1-e-mt）；

式中：T（t）—混凝土龄期为t时的绝热温升（℃）；

W—每m³混凝土的胶凝材料用量，（取：384kg/m³）；

Q—胶凝材料水化热总量，（取：312kJ/kg）；

C—混凝土的比热，〔取：0.96kJ/（㎏·℃）〕；

ρ—混凝土的密度，（取：2453.4kg/m³）；

m—与水泥品种、浇筑温度等有关的系数，（浇筑温度为27℃时取值0.39d-1）；

е—为常数，（取：2.718）；

t—混凝土龄期（d）。

表-2T（t）值计算成果表

根据以上计算结果可知在第21天，承台混凝土的绝热温升达到最高值50.9。

3.混凝土内部中心温度

混凝土物理、热学性能参数选取见表-3。

表-3混凝土物理和热学性能参数

强度和弹模增长曲线、收缩徐变参数按照MIDAS程序中的规范选取，通过对承台混凝土的水化热有限元仿真计算，入模温度25℃时的承台温度场的总体计算结果如表-4。当混凝土入模温度为25℃时，承台底混凝土在龄期的第2～3天达到的中心理论温度峰值为72.2℃，在入模温度基础上的温升值为47.2℃。

表-4温度总体计算结果

3.3水泵选型及循环水池容积

由图-4、图-5可知，第一、三、五层冷却水管回路由1泵组供水，第二、四层冷却水管回路由2泵组供水，分别设置两个循环水池。

1.混凝土t时段冷却放热量

Qt=Cco×ρ×Vco×ΔTt

式中：Qt—水冷却期间混凝土散热量，kJ；

Cco—混凝土的比热，〔取：0.96kJ/（㎏·℃）〕；

ρ—混凝土密度，（取：2453.4kg/m³）；

Vco—混凝土体积，m³；

ΔTt—t时段混凝土温差，℃。

根据表-2可知，混凝土浇筑完成后，第1天混凝土温差最大，ΔT1为16.4℃。施工方案采取承台混凝土分两次浇筑，第一次浇筑4米，第二次浇筑2米，两次浇筑时间间隔不小于14天。Vco=25.6×25.6×4=2621.44m³。

Q1=Cco×ρ×Vco×ΔT1=101256606kJ

2.冷却水带走热量

Qcool=kc×Q1

式中：Qcool—冷却水带走的总热量，kJ；

kc—总热量中被冷却水带走的热量系数，取0.35；

Q1—第1天的混凝土累计总发热量，kJ；

经计算，冷却水带走的总热量Qcool=35439812kJ。

3.第1天通入冷却水管路的冷却水总质量

mw=Qcool&pide;[Cw×（Tout-Tin）]

式中：mw—冷却水总质量，kg；

Qcool—冷却水带走的总热量；

Cw—水的比热，取4.2kJ/（㎏·℃）；

Tout—冷却水出口温度，℃；

Tin—冷却水进口温度，℃；

取冷却水出口温度与进口温度之差约为10℃，经计算，第1天通入冷却水管路的冷却水为843805kg。

4.每小时经过冷却管回路的流量，

q=mw&pide;ρw&pide;24

式中：ρw—冷却水密度，1000kg/m³

经计算，每小时循环流量q为35.1m³/h

5.水泵选择

第一次浇筑完成后，第一、二、三层冷却水管回路开始通水。第一、三层管路的冷却水流量为23.4m³/h，第二层管路的冷却水流量为11.7m³/h。第一、三、五层使用1号循环水池，第二、四层使用1号循环水池。按照每泵组采用一用一备方案，水泵工作效率取80%，应选用流量为30m³/h、扬程为20～25m的潜水泵。

6.循环水池容积

循环冷却水的系统容积宜小于小时循环水量的1/3。当按下式计算的系统容积超过前述规定时，应调整水池容积。

V=Vf+Vp+Vt

式中：Vf——设备中的水容积，m³；

Vp——管道容积，m³；

Vt——水池容积，m³；

循环冷却水的系统容积V=q×1/3=11.7m³，取12m³。

根据图-4、图-5可知：每层冷却管长度为574m，按照进出水管伸出混凝土顶面长度为1m，经计算可知，系统冷却水管长度为2950m，管道容积Vp为4.1m³。设备中的水容积Vf忽略不计。

水池容积Vt=V-Vf-Vp=7.9m³

考虑第二次浇筑混凝土所需循环冷却水用量，现场施工场地允许，取每个循环冷却水池容积为１０m³。循环冷却水池由冷却水池、回收用高温水池组成，冷却水池容积为６m³，回收用高温水池容积为４m³。（详见图－4）

图－4循环冷却水池示意图

3.4冷却管路布设施工要点

1.承台冷却水管根据设计图（图-2）进行布置。冷却管布置5层，每一层冷却管分为两个回路单元，冷却管与管间距离按1m控制，底层与顶层距离底面及顶面也按1m控制，顺桥向冷却管距离承台侧面距离按1.3m控制，横桥向冷却管距离承台侧面距离按1.3m控制。采用φ25钢筋做竖直支撑，防止冷却管下坠变形，竖直支撑钢筋下端固定在垫层上并与承台底部钢筋焊接牢固，上端与承台上部钢筋焊接牢固。采用φ20钢筋做水平支撑，用φ12钢筋弯曲成U形做管卡，并焊接牢固。（如图-5）

图－5循环冷布设示意图

2.冷却管按设计图纸采用热传导性能较好并有足够强度的黑钢管，公称直径为42mm。管间连接采用直接接头或90度接头连接。

3.冷却管在浇筑前应进行密水试验，以检测其密闭性，并仔细检查每个接头、每根管道，确保冷却水管无破损、渗漏、阻塞。

4.冷却水管的进、出水口高出承台顶面1m；每个回路的进水口均设置闸阀，然后连接在分流器处；对各回路的进、出水口冷却管统一进行编号。

5.冷却水管装好后严禁在管上踩踏、碰撞，防止接头部位损坏漏水。

6.冷却管使用完毕即灌浆封孔，并将伸出承台顶面部分截除。

4温度监测系统和测点布设

4.1温控监测系统

温度测量采用智能型温度传感器，测试分辨率0.1℃，温度测量范围-55℃～125℃。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，单根线缆可串联8个传感器，接入测点数量多，单套监测云箱最多可接入8通道64个温度传感器，系统搭建方便，即插即用，通过手机APP扫一扫即可快速搭建温控监测系统，数据管理简单，现场无需携带电脑等终端显示设备，通过手机APP可随时随地查看实时数据及历史数据变化趋势。无需电脑现场采集，直接通过采集卡一线带智能云盒无线数据传输。

4.2温度控制目的与指标

1.温度控制目的

温度控制的目的是通过向循环冷却水系统不间断通冷却水，使混凝土最大温升值和最高温度峰值、里表温差、层间温差、降温速率、冷却管进出口水温差满足控制指标要求，有效防止冷击效应、层间裂缝。

2.温度控制指标

1）入模温度≤28℃；

2）混凝土的里表温差≤25℃；

3）混凝土在浇筑温度的基础上温升值≤50℃，混凝土内部最高温度≤75℃；

4）混凝土在降温阶段的降温速率不宜大于2℃/d；

5）冷却管进出口的水温差≤10℃；

6）冷却管进水口水温与内部混凝土的温度差≤20℃。

4.3温度测点布置

1、布置原则

使用MIDAS程序对大体积混凝土的养护过程进行模拟计算，从理论上分析掌握混凝土内部温度场和温度应力的发展变化情况。实际施工中需要对施工过程进行监测，并随时与理论值进行对比分析，及时调整参数和修正计算模型，并采取相应的温控措施确保温度应力小于混凝土的抗拉强度，避免温度裂缝产生。本工程测点布置原则：

1）根据承台结构平面图尺寸中轴线，选取1/4承台作为主要测试区域；

2）测点的布置应根据浇筑体温度场分布情况及温控指标的测评进行确定；

3）环境温度测点和进出口水温测点根据具体需求确定。

4）测点布置完成后，要先测试下所有数据是否正常。

2.温度测点布置

蛮板特大桥9号墩承台温度测点分六层，每层7个，共布置42个温度测点（详见图-6、图-7）；每层冷却水管设置两个回路，每个出水口布置1个温度测点，共布置10个测点；两个分流器进水口各布置1个温度测点；外加1个环境温度测点。9号墩承台布置温度测点55个。

图-69号墩承台温度测点平面布置图

图-79号墩承台温度测点立面布置图

测温元件在钢筋及冷却管安装完毕后安装，除感温探头出露外，其余部分采用穿线管保护。温度元件安装固定在设计的位置，确保位置准确、固定牢固。测温元件及导线安装前应在水下1m处浸泡24不损坏，方可用于安装。

测温元件及测温导线须准确定位，依照测点的平面位置及高度，在承台垫层上放线准确埋置竖直钢筋定位测点平面位置，用Φ32钢筋定位安装高度，并与临近的承台钢筋焊接，确保钢筋安装稳固，不松动、不摇晃。温度传感器沿着Φ32钢筋底面用胶布缠绕绑扎固定在竖直钢筋处。测温导线沿Φ32钢筋用胶布缠绕绑扎固定，并引出到承台顶面，导线集束用胶布包裹导线端头，避免弄脏，同时在引出的导线插头上根据各自位置逐一编号标记，便于温度监测时的部位识别。

4.4温度监测频率及要求

1）混凝土入模之前，应至少观测一次，检查监测元件及导线被埋入前有无损坏，并观测模板内的温度。

2）在升温阶段，每2小时查看1次数据；在降温阶段初期，由于降温速率较快应每2～3小时查看1次数据，在降温阶段后期每4～6小时查看1次数据。

2）环境温度、进出口水温与混凝土温度同步观测。

3）特殊情况下（如遇寒潮），适当加密测量观察次数。

4）数据自动采集系统应满足连续监测30天的数据采集和储存要求；从数据采集到结果传输应自动完成，当降温速率过大、里表温差过大时应及时发出报警。

5）每次观测完成后，应及时按时间顺序将采集电子版数据进行汇总，并根据监测数据及时绘制各层测点温度与时间的关系曲线。

5、循环冷却水温度控制措施

1.利用循环冷却水系统进行温控过程时，冷却水从分流器内流出，通过冷却水管后再回到循环水池内。对每层冷却水管的每个回路进行单独编号，设置独立的阀门以调节流量；水温可以通过向冷却水池内加湖中的冷水、出水口的热水来调节。。

2.当冷却水管被混凝土50cm左右时开始通水；在升温阶段，直接通湖水，加大流量并保持各层冷却管回路进水流量一致，以尽可能多的带走混凝土内部的热量，消减温峰，降低最高温度；

3.通过对温度监测数据的分析，在混凝土达到最高温度后立即开始循环，以逐渐提高冷却水池的水温，并减小流量。进水口的水温在温峰及初期降温阶段保持在45℃左右，可以满足降温阶段进出水口温差和水温与芯部温差的要求。

4.在降温阶段，应严格进水流量和水温，使降温速率符合控制指标的要求。进水口的水温应保持稳定，避免经常向水池补冷水造成的进水口水温不稳定。

5.降温速率可以调节冷却水流量和水温双控。降温阶段应加强温度监测与分析工作，通过4～6h的降温速率控制，及时调节进水口流量，可以以控制全天的降温速率水平。

6.当降温速率较大时，可以暂停向冷却水池内补入冷水或增加向冷却水池内补入出水口高温水来提高进水口的水温，也可以减小进水口的流量，以降低降温效果；当降温速率较小时，增加向冷却水池内补入冷水量和增大进水口的流量，以提高降温效果。

7.冷却管水流量的大小、水温及通水时间应根据各温控指标的要求、现场温度监测情况并结合温控指标数值计算来确定。

8.通过浇筑前对模板钢筋洒水降温、浇筑混凝土应避免在高温时段、降低混凝土入模温度，以控制混凝土温度峰值。

9.现场应加强保温覆盖，配备土工布、保温棉和彩条布等保温材料，减少环境温度对表面温度的影响。

结束语

目前，云南省路网建设正处于关键时期，工程项目多、工期紧、任务重，对桥梁工程建设质量提出更高的要求。桥梁承台大体积混凝土养护期间应认真做好温度控制工作，将大体积混凝土主拉应力控制在容许应力范围内。蛮板特大桥9号墩承台采用循环冷却水温控系统进行温度控制，有效防止了温度裂缝产生，取得了良好效果，为规范预埋冷却水管进行大体积混凝土养护提供了借鉴意义。

参考文献：

[1]GB50496-2012，大体积混凝土工程施工规范[S].

[2]GB/T51028-2015，大体积混凝土温度测控技术规范[S].

[3]JTG/TF50-2011，公路桥涵施工技术规范[S].

[4]朱伯方.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京；中国电力出版社，1999.