高温入模承台大体积砼水化热监测分析

时间：2024-08-31

杨勇，彭昆

(广东省长大公路工程有限公司，广东广州 510620)

大体积砼的水化热较大、结构散热困难，易导致结构物产生温度裂缝，影响工程结构的质量及耐久性。因此，温度控制是保证大体积砼施工质量的重要措施。研究和工程实践表明，控制砼的入模温度是十分有效的措施。珠海市洪鹤大桥3#主墩承台大体积砼需在30 ℃左右的高温季节进行施工，为确保其施工质量，避免产生温度裂缝，对承台大体积砼温度进行监测，根据监测结果指导现场施工。

1 工程概况

珠海市洪鹤大桥主航道桥为双塔双索面叠合梁斜拉桥，跨径布置为(73+162+500+162+73) m，全长970 m。3#主墩承台平面尺寸为(43×17) m，高6 m(见图1)，承台砼浇筑量为4 386 m3，砼标号为C40。承台砼沿高度方向分2层浇筑，每层浇筑厚度为3 m，单次浇筑量为2 193 m3。

图1 珠海市洪鹤大桥3#主墩承台结构示意图(单位：cm)

砼原材料如下：水泥为广东英德海螺P.Ⅱ42.5水泥；粉煤灰为台山电厂的Ⅰ级粉煤灰；矿渣粉为唐山曹妃甸盾石新型建材有限公司的S95；外加剂为江苏苏博特缓凝减缩型聚羧酸减水剂；粗骨料为5～10、10～25 mm级配碎石；细骨料为Ⅱ区中砂；拌和水采用饮用水。砼设计强度等级为C40，按海工大体积砼的相关要求进行配合比设计(见表1)。

表1 珠海市洪鹤大桥3#主墩承台大体积砼配合比

2 大体积砼温度监测方案

该桥3#主墩承台大体积砼施工时间为8—9月，气温较高，对大体积砼施工不利。为了解砼温度变化及高温入模对砼温度的影响，采用智能化数字多回路温度巡检仪对砼温度进行监测，温度传感器采用热敏电阻传感器，其主要性能指标如下：测温范围为-50～+150 ℃；工作误差为±1 ℃；分辨率为0.1 ℃；巡检点数为32点；显示方式为LCD(240×128)；功耗为15 W；外形尺寸为(230×130×220) mm；重量≤1.5 kg。

根据结构的对称性和温度变化的一般规律，在主塔中心线对称的一侧布设测点，温度传感器布置在每层砼中心线上，该区域基本能代表整个砼断面的最高温度分布。选取1/4结构布置测点，在平面内，靠近表面区域温度梯度较大，测点布置较密，而中心区域砼温度梯度较小，测点布置减少。承台分次浇筑砼底面以上100 cm高度布置测温点监测内部温度及表面温度，砼底面以上200及230 cm布设测温点进行校核(见图2)。

图2 主墩承台温度监测点布置(单位：cm)

砼浇筑前，将屏蔽信号线连接到测温仪器箱，传感器测头采用角钢保护。测试在砼浇筑后立即进行，连续不断。浇筑过程中，每2 h测量一次温度；砼浇筑完毕后至水化热升温阶段，每2 h测量一次；水化热降温阶段第一周，每4 h测量一次；之后每天选取气温典型变化时段测量，每天测量2～4次。

3 冷却水管布设

主墩承台按3 m+3 m分2次浇筑，每个浇筑层布设3层水管，水管水平管间距为100 cm，垂直管间距为100 cm，距离砼表面或侧面的距离不小于50 cm，承台单层4～5套水管，每套水管长度不超过200 m。水管采用φ48×3.0 mm无缝钢管，接头采用“大管套小管”的方式焊接连接。安装完成后试通水进行水密性检查，确保冷却水管的水密性。

4 监测结果及分析

4.1 温度控制指标

JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》对大体积砼的温度评价指标主要有：1) 大体积砼热期施工时，入模温度不宜高于28 ℃；2) 大体积砼内部最高温度不大于75 ℃，砼在入模温度的基础上实际温升值不大于50 ℃；3) 砼内部最高温度与同一时刻距表面50 mm处的砼最低温度之差(内表温差)控制在25 ℃以内；4) 砼内部降温速率不宜大于2 ℃/d。

4.2 承台第一层砼温度监测结果

承台第一层砼浇筑时间为8月5日19：00—6日15：00，历时20 h，浇筑时气温为28～34 ℃，现场实测砼入模温度为30～33 ℃。砼温度监测于8月5日19:00开始，8月23日14:00结束，监测结果见图3。

图3 承台第一层砼温度特征值历时曲线

由图3可知：砼浇筑完成后8～9 h开始快速升温，42 h左右达到温度峰值；温度峰值后砼温度缓慢下降至基本稳定。砼内部最高温度为77.9 ℃，最大内表温差为33 ℃，温度峰值后24 d内降温速率为2.3～3.0 ℃/d，各项温控指标均超过规范建议值。砼浇筑后第7～8 d，砼表面最低温度出现33.3 ℃的极值点，同时内表温差达到最大值33 ℃。

4.3 原因分析

为了解承台大体积砼的温控变化规律，利用MIDAS/FEA软件进行模拟仿真计算，结果显示：气温为25 ℃、砼入模温度为28 ℃时，承台第一层砼浇筑后，内部最高温度为60.5 ℃，最大内表温差为19 ℃，达到内部最高温度的时间为浇筑后66 h。砼自身绝热温升为32.5 ℃，在规范建议值范围内。实际施工监测的砼入模温度为30～33 ℃，内部最高温度为77.9 ℃，最大内表温差为33 ℃，42 h左右达到温度峰值。入模温度升高约5 ℃，内部最高温度升高17.4 ℃，内表温差升高14 ℃，温度峰值出现的时间提前24 h。

根据仿真计算结果，导致温控指标超过规范建议值的原因如下：1) 施工气温较高导致砼入模温度过高，过高的入模温度加速砼的水化反应，砼提前24 h达到温度峰值。水化热在砼浇筑完成后的短时间内集中释放，砼散热时间缩短，导致温峰值超过规范建议值。2) 承台采用钢模板施工，保温性能较差，虽然施工气温较高，但与砼内部温度相比，温差较大，砼表面散热较多，导致砼内表温差超过规范建议值。3) 由于前期砼内部温升较快，为增加温控效果，采用较低温度的冷却水进行降温，当砼内部达到温度峰值后，砼水化反应基本完成，内部热量得不到补充，而冷却水温度没有及时调整，导致温度峰值后短期内降温速率过快。调整冷却水温度后，砼内部降温速率保持在1.5～1.8 ℃/d。4) 砼外侧模板拆除，使砼表面水分迅速蒸发，砼表面温度加速降低，而砼内部降温无法同步，导致砼浇筑后第7～8 d表面最低温度出现极值点，同时内表温差达到最大值。模板拆除完成后，采用黏土回填承台侧面基坑，回填土对承台砼起到一定保温作用，使砼表面温度有一定回升，内表温差值同步减小。

4.4 温控措施调整

根据承台第一层砼的施工经验对温控措施进行调整：砼浇筑前，采取措施控制砼入模温度；砼浇筑后，重点控制砼的内表温差，避免温差过大产生温度拉应力。事实上，当砼内部最高温度难以控制时，需采取保温措施控制砼表面温度和降温速率。具体措施如下：

(1) 控制原材料使用温度，尽量降低砼入模温度。选择夜间气温相对较低的时段施工；提前几天将水泥等胶凝材料存入储料罐，并在罐体外洒水降温；施工当天，提前在砂石料表面洒水，并利用大型鼓风机吹风降温；在拌和水池中加入冰块，降低拌和水温度。

(2) 延迟模板拆除时间。砼浇筑完成后，即回填钢板桩围堰与模板之间的空隙，提高砼周边的保温效果，待砼内部温度稳定后再开挖拆模。

(3) 承台顶面覆盖土工布，利用冷却水出口端的热水在承台表面蓄水养生，蓄水深度10 cm。

(4) 及时通冷却水并调整冷却水进口端的水温。砼完全覆盖本层冷却水管后即通水，进水温度按常水温度25 ℃控制，以尽量散去水化热；砼浇筑完成36 h后开始调整冷却水进水温度，控制水温比砼内部监测温度低15 ℃，以免温度峰值后的短期内砼内部降温速率过快。

(5) 在确保砼配合比不变和砼施工性能的前提下，适当增加砼缓凝剂用量，延长砼水化时间。

4.5 承台第二层砼温度监测结果

根据承台第一层砼施工经验及温控调整措施进行第二层砼浇筑，施工时间为9月6日18：00—7日17：00，浇筑时气温25～30 ℃，现场实测砼入模温度为25～28 ℃。砼温度监测于9月6日18:00开始， 9月15日16:00结束，监测结果见图4。

图4 承台第二层砼温度特征值历时曲线

由图4可知：砼浇筑后9～10 h开始快速升温，48 h左右达到温度峰值；温度峰值后砼温度缓慢下降至基本稳定。砼内部最高温度为74.2 ℃，最大内表温差为23.8 ℃，温度峰值后砼内部降温速率为1.3～1.7 ℃/d，满足规范要求。

4.6 结果分析

承台第二层砼施工时气温比第一层砼施工时低3 ℃，但砼入模温度降低7 ℃，主要是因为第二次砼浇筑时降低了原材料使用温度，说明控制原材料使用温度能有效降低砼入模温度。

砼内部最高温度比第一次降低3.7 ℃，这与砼入模温度降低有关，但并未随入模温度降低7 ℃。这是因为在承台第二层砼浇筑时，第一层砼内部温度仍有50 ℃，第二层砼入模时吸收了部分来自第一层砼的热量；第二层砼水化反应温度升高后，第一层砼又限制了其底面热量的散出，从而导致第二层砼内部最高温度降低量未与入模温度降低量一致。

在砼结构外侧采取保温措施，利用冷却水蓄水养生，使砼表面温度基本稳定，减小砼内表温差；浇筑完成后第10 d砼结构表面温度突然降低，是由拆模导致保温措施失效所致；降温速率减小则与冷却水温度调整有关。

砼快速升温时间延迟约1 h，砼内部温度峰值出现时间延迟6 h，这与增用砼缓凝剂有关；28 d龄期时，对砼试块进行强度抗压试验，现场进行回弹试验，砼强度均达到设计强度；通过目测，承台表面裂纹极少，仅在承台长边靠中间位置的两侧面各发现2条裂缝，裂缝宽度均在0.15 mm以下。经过持续1个多月的跟踪观察，裂缝长度及宽度基本稳定，随后进行了封闭处理。