大体积混凝土温场变化与强度发展关系研究

大体积混凝土温场变化与强度发展关系研究

宁钦, 

广西路桥工程集团有限公司（广西南宁530000）

摘要：结合笋萝沟1号大桥承台大体积混凝土，在实际施工之前利用有限元软件Midas-Civil建立实际施工模型，对承台浇筑后0-1000小时水化热进行温场校核，发现基本吻合一致；实测测点对应时间温场及强度，对数据进行统计分析，发现测点温升段，温场变化较大时，强度增长速率较快，温场变化较小时，强度增长趋于平缓，对温降段，不管温场如何变化，强度增长均趋于平缓。

关键词：大体积混凝土；混凝土强度；温场变化；施工关键技术

Abstract: Combined with the mass concrete of the bearing platform of No.1 Bridge of Sunluogou, the actual construction model is established by using the finite element software MIDAS civil before the actual construction, and the temperature field of the hydration heat of 0-1000 hours after the pile cap is poured is checked, and it is found that the temperature field and strength of the measured point correspond to the time temperature field and strength, and the data are statistically analyzed, and it is found that the strength increases when the temperature field changes greatly at the measuring point For the temperature drop section, no matter how the temperature field changes, the strength growth tends to be flat.

Key words: Mass concrete; concrete strength; Temperature field variation; Key construction techniques

一、工程概况

兰临高速公路长下坡路段改造处治工程SG-2合同段位于兰州市七里河区西果园镇，标段起屹桩号为：K15+120～K18+380，路线全长3.26km,其中笋萝沟1号大桥桥长1000m，配跨为3×50m波形腹板钢箱-混凝土组合梁+（65+120+120+120+65）连续刚构+7×50m波形腹板钢箱-混凝土组合梁，连续刚构主墩下承台尺寸为16.5m×16.5m×3.5m，上承台尺寸12.5m×12.125m×2m，设计三层管冷进行温控，混凝土方量为1180方，为大体积混凝土。大体积混凝土配合比为（水泥：细集料：粗集料：水：减水剂=400：828：1012：160：4.0，单位：kg），承台施工日期为2020年6月，施工及养护期间日平均气温约20℃。

图1 大体积混凝土承台结构1/4剖面图2 测温点布置示意图（cm）

二、水化热分析原理

1.热传导方程

根据热量平衡原理，混凝土温度上升所需的热量必等于外部交换热量与自身胶凝材料水化放热之和，故对于封闭混凝土结构体积元，有：

2.初始条件与边界条件

3.热传导方程的有限元解法

三、测温点布置

测温点布置于下承台处，共布置9个；温度感应器埋设距离混凝土表面约10cm。1台相应的混凝土温度监测设备配置1台三级电箱，接入电功率 220kW，且可同时对 36 个测点进行监测，并使用移动/联通信号进行数据传输。

四、温场仿真分析

1.参数取值

根据文献[1]、GB50496—2009《大体积混凝土施工规范》、工程设计文件及实际施工环境，可取得相关参数，部分参数取值见表1。

表1 部分参数取值

2.有限元模型

本文采用Midas-Civil软件建立三维有限元实体模型进行分析。考虑到构件及内部埋设冷却管的对称性，故可取原构件的1/4进行研究，如图3。计算模型采用六节点与八节点空间等参元建立，总计17589个节点，15184个单元。

图3 承台温度场分析模型图4 20h龄期温度场分布云图

3.温度场分析校核

混凝土承台20h、80h和170d龄期的温度场分布云图下如图4～6。9个测温点的计算（实测）温度－时间曲线如下图7～15。由图7～15可得仿真计算温度及实测温度走向趋势基本一致。

图5 80d龄期温度场分布云图图6 170h龄期温度场分布云图

图7 监测点1计算温度-时间曲线图8 监测点2计算温度-时间曲线

图9 监测点3温度－时间曲线图10 监测点4温度－时间曲线

图11 监测点5温度－时间曲线图12 监测点6温度－时间曲线

图13 监测点7温度－时间曲线图14 监测点8温度－时间曲线

图15 监测点9温度－时间曲线

五、实测温场变化与强度发展分析

分析承台表面4号点、7号点、8号点及9号点强度及温度变化关系如图16～19。由图16～19得测点温升段，温场变化较大时，强度增长速率较快，温场变化较小时，强度增长趋于平缓，对温降段，不管温场如何变化，强度增长均趋于平缓。

图16 监测点4温度/强度-时间曲线图17 监测点7温度/强度-时间曲线

图18 监测点8温度/强度-时间曲线图19 监测点9温度/强度-时间曲线

六、关键施工技术

1.温控标准

（1）混凝土浇筑温度夏季控制在30℃以内，冬季控制在20℃以内。（2）最大内表温差及相邻块温差≤25℃ 。（3）混凝土表面温度与气温之差≤15℃（混凝土表面养护水温度与混凝土表面温度之差≤15℃）。（4）混凝土最大降温速率≤2.0℃／d。针对笋萝沟1号大桥承台设置有冷却管的，施工时管冷及混凝土等参数如表2。

表2 管冷及混凝土施工参数表

2.温控方案设计

A.温控探头安装。安装承台钢筋与冷却管的同时，根据承台温度监测点布置图，在钢筋骨架相应位置安装预埋式测温探头。（1）底板温度监测点共布置9个。（2）1台相应的混凝土温度监测设备配置1台三级电箱，接入电功率220kW，且可同时对36个测点进行监测，并使用移动/联通信号实时进行数据传输（图20）。

图20 承台温度监测点布置图（cm）图21 拌和施工工艺图

B.混凝土的拌制。严格遵循材料配比标准选取原材料，确保原材料各项指标符合工程要求，控制好拌和时间。拌合施工工艺（图21）。（2）混凝土拌制注意事项。首先需要进行热工计算，然后通过试拌明确水以及骨料的温度极限值。拌制时宜采用冷却水将温度控制在合理范围内。搅拌过程中，需要控制水泥温度，低于40℃后方可进入搅拌机。

C.混凝土浇筑。使用天泵完成混凝土浇筑工作，还需辅助使用滑槽结构，以提升混凝土浇筑效率。在混凝土入模之前，需要对其温度以及坍落度等指标进行检测。在进行混凝土浇筑时，其自由倾落度应控制在2m范围以内；一旦超过2m，则需要使用滑槽、漏斗等设备，以辅助混凝土输送。由于大体积混凝土结构容易出现开裂等现象，因此有必要在浇筑施工前对其采取降温防裂措施。本工程施工中，笋萝沟1号大桥主墩承台均设置3层S型冷却水管。采用分层连续浇筑的方法进行施工。确保各层厚度控制在30cm，以混凝土初凝时间为基准，由此确定各层浇筑间隔时间。宜采用水平分层的方式进行混凝土浇筑，然后对其进行振捣处理，以提升其密实度。在结束混凝土浇筑施工后应确保所在层的循环冷却水管完全被覆盖，然后方可对管内通水。做好冷却管通水养护，并测量监控水温，通过水流速度控制水温不超过规定的要求，并且内外温差不超过25C。

3.混凝土入模温度控制措施

影响混凝土入模温度的因素主要存在于两个环节：一是生产混凝土时原材料的温度，二是混凝土运输过程中的升温。为此，需要做好原材料的温控工作，确保出机温度符合施工技术标准，在运输环节应采取辅助措施控制温度上升速度。具体做法如下：（1）通过料仓喷雾、罐体淋水以及原材料提前进场这三种方式控制原材料温度。（2）通过在骨料存储区及上料区加盖顶棚，尽量避免在高温下进行混凝土施工作业，必要时采取降温措施以降低拌和物的温度等方式控制混凝土的出机温度。（3）通过泵送浇筑、混凝土罐车罐体刷白等措施控制运输和泵送混凝土升温。

A.原材料的温控措施。（1）搭建料棚，避免烈日直晒。（2）在料棚喷水雾，通过对骨料喷雾的方式控制料棚内部温度上升。（3）使用酒水的方式缓解砂石料上料时急剧升温的现象。（4）加强储料管理。控制料棚内管段混凝土砂石料数量，同时其堆存时间不可少于3d，由此确保热交换质量。由于罐体容易升温，因此需要对其进行刷白处理。

B.低温水保障措施。夏季施工时，尽量避免在中午等高温天气下施工作业。混凝土拌和用水应采用低温水，必要时应对拌和用水采取降温措施以达到降低拌和物温度的目的。混凝土拌和用水采用水池蓄水，蓄水池加盖顶棚，防止拌和用水在烈日直晒下升温。

C.混凝土运输、泵送中的温度控制。在进行混凝土运输时，搅拌车罐体的转速不宜过快或过慢。以浇筑速度为参考，在此基础上确定搅拌车数量，减少中间的空挡时间。

D.大体积混凝土成品质量保证措施。（1）混凝土上表面二次抹面结束后，立即对混凝土进行养护。（2）二次抹面结束后，对混凝土表面进行适当洒水，润湿即可，避免洒水过多在混凝土表面形成积水。（3）表面润湿后，立即在其上覆盖一层聚氯乙烯薄膜。（4） 必要时，薄膜覆盖完毕后，再在薄膜上覆盖一层棉被，并用重物压好。（5）养护时长：≧14d，或根据监测结果发现承台混凝土内部温度与大气温度之差不高于15℃。（6）在混凝土浇筑完成后立即开始测温。在混凝土温度上升阶段每2—4h测一次，温度下降阶段每8h测一次，同时监测大气温度，以便掌握承台内部温度场情况，控制承台内外温差在25℃以内。

七、结语

结合笋萝沟1号大桥大体积混凝土承台工程实际，为大体积混凝土结构施工后提供温场变化对混凝土强度发展关系提供可靠的试验数据，对比数据分析得出，混凝土温升段，温场变化较大时，强度增长速率较快，温场变化较小时，强度增长趋于平缓，对温降段，不管温场如何变化，强度增长均趋于平缓。为今后通过对温度进行监控，可以预估到大致混凝土强度，可为大体积混凝土强度发展快慢，提供温控范围，以根据实际需要调整温控措施。现场实际施工可采用温控监测设备，对混凝土内外温差进行控制。

参考文献：

[1]朱伯芳.混凝土坝水管冷却仿真计算的复合算法.

[2]中国冶金建设协会．GB50496－2009大体积混凝土施工规范[S].北京:中国计划出版社,2009:7-8．

[3]余沛,张瑞敏,等.基于MIDAS的大体积混凝土桥梁承台温度场有限元分析[J].天津城建大学学报,2018,4(8):273-277.

[4]俞亚南,张巍,等.大体积承台混凝土早期表面开裂控制措施[J].浙江大学学报:工学版,2010(8):1621-1628.

[5]黎生南.桥墩承台大体积混凝土抗裂计算与温度控 制[J].武汉理工大学学报,2010,32(24):63-65.

【作者简介】宁钦（1996.07-），男，汉族，广西浦北县人，本科学历，广西路桥工程集团有限公司项目副总工程师，主要研究方向：施工技术管理。