实践技术：严寒地区大体积混凝土低温施工温控研究

  为研究严寒地区大体积混凝土在低温施工中的温度应力场变化规律，同时验证防止严寒地区大体积混凝土开裂的温控措施设计的和理性，以佳木斯松花江某特大桥柱墩0号块为例，通过水化热控制和有无保温措施对大体积混凝土的影响，采用有限元软件进行数值模拟。根据结果得出：在严寒地区大体积混凝土低温施工，采取降低水化热和外部保温措施，能大大降低里表温差、温降速率，降低结构有害裂缝的产生概率，抗裂性提高显著。

  大体积混凝土是指预期因胶凝材料的水化引起温度变化及收缩而导致形成有害裂缝的混凝土[1]。在混凝土浇注后，由于水泥的水化热迅速增加，混凝土的弹性模量很小，徐变较大，温度上升引起压应力，在冷却阶段弹性模量增大，徐变较小，在一定的约束限制下会产生较大的拉应力[2]。水泥水化热释放热量大，混凝土比热大、导热差以及构件断面尺寸大，致使产生的热量远超表面对流散失，加之严寒地区气温较低，若不采用有效的温控措施，当拉应力超出混凝土极限抗拉强度时，就会产生有害裂缝，不但影响混凝土的耐久性，还会对结构的受力特性产生一定的影响。因此，低温施工防裂技术对于严寒区域大体积混凝土进行温度控制的研究具备极其重大的现实意义。

  1933年美国率先在建造胡佛坝时，系统研究了大体积混凝土温控防裂措施。美国加州大学Wilson·E·L教授[3]首先提出了一种新的有限元方法，对大体积混凝土的温度场及应力场做多元化的分析，并将其用于Workshak的工程实践。20世纪50年代，朱伯芳[2]对温度应力和温度控制进行了详细分析，给出了相应的水化热计算方式和诸多因素，同时提出了冬季施工的温控措施，为大体积混凝土的研究的发展夯实了基础。

  2003年，吴士祥[4]针对哈尔滨绕城高速公路西段松花江大桥主塔基础，研究了冬季大体积混凝土施工防止温度裂缝的实施措施。2013年，唐明敏等[5]以实际工程为例，通过对0号块温度应力场仿真分析和现场监测，大大降低了温升裂缝危害，得到了良好的工程实际应用效果。金毅勐等[6]针对我国严寒地区在低温度的环境中大体积混凝土施工，采用优化浇筑方法、新型养护材料等施工措施提高混凝土实施工程质量。2018年，王炜正等[7]进行现场冬施缩尺物理模型试验，以天津某码头工程的水上墩台为原型，对有限元温度场分析的可行性和指标选择的合理性做验证，提出冬季施工大体积混凝土墩台最佳施工控制技术。2010年，张明雷等[8]通过优化混凝土配合比、调整浇筑分成层高度、通冷却水、保温保湿养护等措施，控温效果明显。2019年，傅宝华[9]对0号块混凝土水化热特性进行数值模拟分析，得出了构件内部温度场的分布规律。金书成等[10]通过混凝土结构温度场、应力场分析，模拟冬季施工外部环境，提出控温标准及施工建议。2020年，严小卫等[11]采用不一样保温措施在室外环境和温度-20～-5℃的条件下，进行了缩尺混凝土养护试验，并给出了适用于极低温条件的混凝土保温措施。

  综上所述，国内外对大体积混凝土低温度的环境下温度控制研究不断深入，理论技术经验可以广泛借鉴。然而，影响大体积混凝土混凝土的因素众多，冬季施工中水泥水化热、入模温度、环境和温度、保温措施等影响较大。本文在现有研究的基础上，以佳木斯松花江某特大桥主墩0号块为研究对象，对其拟在冬季施工的有限元仿真模拟，得到了严寒地区冬季施工大体积混凝土水化热发展规律和温控防裂措施，为同类型工程项目施工提供借鉴。

  参照GB 50496—2018《大体积混凝土施工规范》，以3种C55混凝土配合比为例，见表1，计算不同胶凝材料混凝土水化热。

  绘制图 1 不同胶凝材料混凝土温升曲线，胶凝材料的增多虽提高混凝土强度，但水泥水化带来的温升峰值和速率也随之增大。

  C55混凝土强度和弹性模量发展规律见图2～3，造成温度裂缝的原因是由于温度梯度致使内胀外缩，应力无法释放，在表面产生拉应力集中。抗拉强度直接影响混凝土开裂临界，弹性模量关系到混凝土热膨胀产生的温度应力大小，前期混凝土强度低，很难抵消温度应力产生有害裂缝。韩国混凝土规范中使用抗拉强度与发生的温度应力之比，即裂缝比率表征出没出现裂缝。裂缝比率大于1.5时，不会有裂缝；1.2～1.5时，须防范裂缝出现；0.7～1.2时，须防范有害裂缝出现。

  为应对寒冷地区突发的温度急剧下降，对大体积混凝土的冷击带来的内表温差和温降速率过大。采取保温应急措施可以有效的避免环境温度突变造成的影响，使其温度控制在合理范围内。区域内全年气温统计见图4。

  入模温度直接影响混凝土温升峰值和速率（图5）。入模温度过高，不仅造成里表温差过大引起表面裂缝，同时温度过高会引起混凝土降温阶段温度残余应力过大造成内部裂缝，内外裂缝发展导致裂缝贯穿，严重危害混凝土耐久性和强度。GB 50496—2018《大体积混凝土施工规范》中要求入模温度宜控制在5～30℃。同时考虑冬季施工调高混凝土入模温度成本较大，入模温度控制在 5℃ 及以上。

  混凝土冬施采用蓄热养护，施工现场做好阻挡冷气流围挡，浇筑过程中边打边覆盖，防止新浇混凝土被冷击。浇筑完毕，及时做好保温措施，达到规定拆模强度时，立即用塑料薄膜封闭，覆盖保温材料，做到边拆边覆盖。同时监测混凝土内外、环境温度，随时调整保温措施，直至内外温差、保温层内外温差均在20℃以内方可结束养护。

  以佳木斯松花江某特大桥主墩0号块为例，采用Midas/FEA分析有限元模型，分析0号块在水化热的作用下1000h内升温以及拉应力情况，评估0号块的抗裂性。

  0号块为上部长20m、下部长16m，高7m，厚3m钢筋混凝土T型构件，一次性分层浇筑。计算时考虑大气对流、底部约束、温度荷载及自重荷载，混凝土热工参数见表2。共划分网格3360个单元、节点4305个，模型见图6。

  温度场如图7～8所示，混凝土浇筑前期，水泥水化产生大量的热量远远大于混凝土传到表面对流散失量，在内部逐渐积累，温升峰值出现在0号块中心处，表面热量通过大气对流迅速降低，形成鲜明的温度梯度。绘制内部温度最高点和表面点温度时程曲线 可知，混凝土浇筑后，温度呈迅速上升、缓慢降低的变化规律。在 0 号块浇筑 72h 时内部温度最高为 62.95℃，升温阶段平均速率为 19.26℃/d，最大速率为 41.65℃/d；降温阶段平均速率为 -2.14℃/d，最大速率为 -5.19℃/d；浇筑 90h 内表温差最大 66.76℃。虽温升未超过规范要求的 50℃，降温速率和里表温差已远超于规范要求。

  应力场如图10、11所示，随着混凝土强度和弹性模量的发展，0号块表面一直处于受拉状态；内部前期处于受压状态，随着温度降低逐渐受拉。绘制应力时程曲线，最小为0.36，表明浇筑前期里表温差急剧增大，致使表面拉应力迅速提高；500h内部开始小于1，最小为0.60，可知混凝土内部降温过快，混凝土开始收缩，受外部约束作用使其内部受拉，拉应力超过自身允许拉应力。浇筑完成后60h，表面拉应力最大为6.01MPa，远大于允许拉应力，此时表面红色最易出现表面裂缝。浇筑500h后，拉应力逐渐增大，最大为6.93MPa，远大于允许拉应力，内部裂缝开始出现，继续发展产生贯穿裂缝。

  为提高0号块抗裂性，在混凝土表面加设一布一膜土工布和两层棉被，参照GB 50496—2018《大体积混凝土施工标准》，导热系数取0.05W/(m

  ·K)，进行1000h仿真分析对比，验证所采取保温措施的可行性。3.1 温度场分析

  通过内部温度最高点和表面点绘制 0 号块保温措施后内表温度时程曲线 所示，得出混凝土浇筑后，温度呈迅速上升、缓慢降低的变化规律。在 0 号块浇筑 90h 时内部温度最高为 64.10℃，升温阶段平均速率为 15.76℃/d，最大速率为 41.69℃/d；降温阶段平均速率为 -0.81℃/d，最大速率为 -0.87℃/d。浇筑 72h 时表面温度最高为 55.34℃，升温阶段平均速率为 16.78℃/d，最大速率为 36.88℃/d；降温阶段平均速率为 -0.91℃/d，最大速率为 -1.39℃/d；浇筑 500h 里表温差最大 15.65℃。温升未超过规范要求的 50℃，降温速率和里表温差也符合规范要求。

  通过内部温度最高点和表面应力最大点绘制0号块保温措施后应力时程曲线h时混凝土表面拉应力最大，此时拉应力为1.49MPa，始终小于允许拉应力；浇筑48h时表面应力最大点裂缝比率最小，此时为1.72，满足防止裂缝产生时i=1.5以上。浇筑120h时内部拉应力最大，此时为0.90MPa，远小于允许拉应力；浇筑1000h后裂缝比率到达最小10.33，满足防止裂缝产生时i=1.5以上。可知，采用保温措施后0号块混凝土不会有裂缝。

  通过有无保温措施混凝土内部温度最高点对比，绘制如图17。相较于无保温措施的混凝土温度峰值，采取保温措施后增长了 1.15℃，发生时间推迟 8h，升温阶段平均升温速率降低 3.50℃/d，最大速率增大0.04℃/d，降温阶段平均升温速率降低 1.33℃/d，最大速率增大 4.32℃/d。通过绘制有无保温措施混凝土内部温度峰值点和表面应力最大点应力时程曲线，比对得出，采取保温措施后表面最大应力由 6.01MPa降至 1.49MPa，裂缝比率由 0.36 增大到 1.72；内部最大应力由 6.93MPa 降至 0.90MPa，裂缝比率由 0.60 增大到10.33。合理的保温措施在混凝土结构物件冬季施工的温度控制方面效果非常明显有效，可增强混凝土结构物件的抗裂性能。

  （1）大体积混凝土由于其散热性较差，内部热量易聚集，加之气温低，相较于夏季大体积混凝土施工，产生的温度梯度更大。低温季节施工更一定要通过优选原材料、配合比优化等措施降低水化热和提高抗裂性。

  （2）低温施工中，混凝土的入模温度影响混凝土的前期强度和水化速率，温度过低不利强度发展，温度过高温升控制难度大。控制混凝土出机温度，运输、浇筑过程采取保温措施，确保入模温度在合理范围内。

  （3）在严寒地区大体积混凝土施工中，外部保温为主要影响因素。大体积混凝土采取保温措施后，温度降温速率、里表温差下降明显，降低了内外温度拉应力。保温措施不当，混凝土不仅强度很难保证，同时出现有害裂缝几率更大，严重影响工程质量。采取合理的保温措施，各项温控指标均能很好地控制，混凝土的抗裂性能显著增强。

  [2] 朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制[J]．北京：中国水利水电出版社，2012,8．

  [5] 唐明敏，张宏杰，万水．大体积箱梁0、1号块混凝土浇筑温度控制[J]．世界桥梁，2013,41(02): 62-65．

  [6] 金毅勐，竹怀水，黄达海．严寒地区大体积混凝土低温施工措施综述[J]．水利水电科技进展，2013,33 (04): 89-94．

  [8] 张明雷，董勤军，邓波，等．崇启大桥主墩承台大体积混凝土冬季施工裂缝控制技术[J]．实施工程技术，2010,39(S1): 267-269．

  [9] 傅宝华．0 号块大体积混凝土水化热分析及温度监测[J/OL]．中国建材科技，1-2[2022-05-16]．

  [10] 金书成，徐文远，黄云涌．冬季承台大体积混凝土分层浇筑温控措施研究[J]．铁道建筑，2019,59(11): 55-58．

  [11] 严小卫，刘昌永．严寒地区大体积混凝土在不同保温措施下温度及强度发展研究[J]．混凝土，2020(07): 135-140+144．

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