摘要：本文根据试验研究及Midas有限元分析结果可以看出，大体积混凝土施工无论是采用分层间歇浇筑还是分层连续浇筑方式，通过采取掺加冰屑、石料预冷、外表面保温、设置冷却管等技术措施，大体积混凝土的温升峰值、最大里表温差、温降速率是可控的，以供同行业者参考。
关键词：拱座基础混凝土；裂缝；混凝土材料；有限元分析
1项目概述
来宾马滩红水河特大桥主桥桥跨布置：计算跨径L=320m的钢管混凝土拱桥；主桥长336m。引桥桥跨布置：柳州侧引桥采用5×30m先简支后连续的预制小箱梁桥，南宁侧引桥采用2×30m先简支后连续的预制小箱梁桥，引桥长210m，全桥长553m。
主桥5#、6#为主墩，主墩基础形式为扩大基础，采用明挖施工，现浇混凝土。主墩基础采用C30混凝土，拱座采用C40混凝土，封拱脚部分采用C50混凝土。
2初拟施工方案
根据初拟施工方案，拱座基础混凝土采用整体分层间歇浇筑，各分层间歇时间控制在7d以内，并在每一层设置冷却水管。
在每次浇筑的混凝土高度范围内，均布设冷却水管，冷却管采用公称直接32 毫米的标准铸铁铁水管，管与管之间的连接采用与之配套的接头。采用水泵抽水，冷却水化热，管内水流流速不小于 0.7m/s。冷却管在安装完成后应做密水检查，拱座养护过程中必须保证管道畅通，养护完毕应立即灌注 30#水泥，砂浆封孔，截除伸出拱座的钢管，如上下层冷却管的进出水管相碰撞时，适当移动冷却管位置。
根据初拟的施工方案，采用分层间歇浇筑，每次浇筑层厚度为1.5~4m，并且均布设有冷却水管，是控制大体积混凝土温升峰值及最大里表温差较为有效的施工方案。但这一方案也存在其固有的缺点。
其一，分层间歇浇筑指的是前一层施工完成，待混凝土完全硬化后方浇筑上一层混凝土，尽管在新旧混凝土界面上进行清除表面松弱层、设置剪力槽与锚固钢筋等措施，但与连续分层浇筑施工工艺比，其结构的连续性较差。其二，拟设方案中冷却水管布设为水平间距1.5m，竖直间距1m，在混凝土中布置如此密的冷却水管，由于钢管与混凝土材料的差异，必然在交界面产生应力集中，对大体积混凝土的结构受力是不利的。
3.施工优化方案
施工方案优化主要从两方面进行，一是对水泥混凝土配合比及性能进行检验和优化，二是从施工工艺进行模拟分析及提出建议。
⑴混凝土材料
混凝土材料试验研究主要包括：不同缓凝减水剂的效果比选；表面养护剂在塑性裂缝控制的效果分析；内养生剂对混凝土收缩、温升的影响分析及性能验证。
⑵施工工艺控制
基于初拟方案的以上缺点，本研究设想采用连续分层浇筑、加大冷却水管间距、混凝土外表面覆盖保温层等技术措施，一方面有效控制大体积混凝土开裂，另一方面提高混凝土的结构连续性与受力均匀性。
4.混凝土材料性能研究
4.1 混凝土配合比
拱座基础采用C30 混凝土，各原材料掺配比例如下表所示。
表1拱座基础C30混凝土配合比（kg/m3）
4.2 不同缓凝减水剂比选
试验中对三种缓凝减水剂及添加0.2%内养生剂进行凝结时间检测，结果如下表所示。
表2 不同缓凝减水剂凝结时间检测结果
根据检测结果看出，内养生剂对混凝土的凝结时间影响不大。TKAS-1型缓凝减水剂的初凝时间约在12h，终凝时间约16h；TKAS-2型和TKAS-3型缓凝减水剂的初凝时间约20h，终凝时间约26h。
4.3 表面养护剂对塑性裂缝控制的效果分析
塑性裂缝采用平板法进行检测，试模尺寸为800mm×600mm×100mm，分别检测标准养护及喷洒养护剂方案的裂缝数目、裂缝长度和最大裂缝宽度，并计算单位面积的开裂面积，结果如下表所示。
表3 塑性裂缝检测结果
根据试验结果看出，未喷洒养护剂的最大裂缝宽度为0.67mm，单位面积总开裂面积为1321 mm2/m2；喷洒表面养护剂的最大裂缝宽度为0.12mm，单位面积总开裂面积为43mm2/m2。喷洒养护剂后混凝土的塑性裂缝大大减少，从而控制塑性裂缝在后期发展的可能性。
4.4 内养生剂对混凝土收缩与温升的影响分析
⑴ 干燥收缩
根据配合比成型100mm×100mm×515mm的长方体试件，检测不同龄期的干燥收缩率，结果如下表所示。
表4 干燥收缩检测结果
根据检测结果可以看出，添加内养生剂后不同龄期的干缩率均大幅地降低，其主要是因为内养生材料可通过在混凝土内部逐渐缓释水分，维持混凝土内部温湿分布均匀，从而对混凝土收缩变形进行调控。
⑵胶凝材料水化热
采用SHR-650II型水泥水化热测定仪（热溶解法）检测胶凝材料不同龄期的水化热。制作100g水泥+40mL蒸馏水及60g水泥+40g粉煤灰+0.12g内养生剂+40mL蒸馏水两种试验样品，检测3d、7d胶凝材料的水化热。
5有限元分析模型及参数
5.1 热传导方程
根据热量平衡原理，温度升高所吸收的热量等于从外面流入的净热量与内部水化热之和，即：
化简后得到固体中热传导方程如下：
，
5.2 热源函数
热源函数主要提供水泥混凝土放热进程函数以及所处大气环境下的对流放热系数，如下：
根据本项目所采用的混凝土配合比，Midas有限元分析所采用的热源函数为：
统计资料显示，项目所在位置的平均风速为2.4m/s，计算可到表面对流系数为55.028 kJ/（m2.h.℃）。
本研究采用的边界条件如下：
混凝土浇筑温度TEMP=23.9℃或27.2℃；混凝土与地基或不同浇筑层混凝土接触面为第四类边界条件，二者进行热传导，接触面温度相同。
未设保护层时，混凝土外表面与空气第三类边界条件，即与空气发生热对流交换，环境温度Ta随季节变化，风速取2.4m/s，放热系数βs=55.028kJ/（m2.h.℃）；设置保护层时，混凝土外表面经保温层与空气发生热对流交换，环境温度Ta随季节变化，风速v=2.4m/s，保温板等效放热系数βs=7.734kJ/（m2.h.℃）。
设置冷却水管时，混凝土与冷却管为第四类边界条件，相互接触进行热传导，接触面温度相同；冷却管与水为第三类边界条件，进口水温度20℃，水流速取0.9m/s，比热为4.2kJ/（kg.℃），等效放热系数βs=197.89kJ/（m2.h.℃）。
5.3 结构模型
研究中以南宁岸的实际尺寸进行计算分析，拱座基础尺寸为20m×31m×15m，可知其为轴对称结构，因此取一半结构10m×31m×15m。为方便网格划分，斜竖线简化为垂直竖线。地基在横向与竖向均取拱座基础以外8m。
6结论与建议
根据试验研究及Midas有限元分析结果可以看出，大体积混凝土施工无论是采用分层间歇浇筑还是分层连续浇筑方式，通过采取掺加冰屑、石料预冷、外表面保温、设置冷却管等技术措施，大体积混凝土的温升峰值、最大里表温差、温降速率是可控的。通过以上分析，针对本项目大体积混凝土施工方案建议如下：
⑴混凝土材料
在保证混凝土足够的工作性能、力学性能的基础上，可通过在混凝土表面喷洒养护减少塑性裂缝、掺加内养生降低收缩变形和水化温升等方面优化混凝土配合比，从而提高混凝土的抗裂性能。
⑵施工工艺
混凝土施工工艺可采用分层间歇浇筑或分层连续浇筑，施工时应在拌合水中掺加冰屑以及对石料提前浇水预冷，冰屑掺加量可取40%；冷却管间距适当增大，根据浇筑方式进行选取；混凝土外表面采取保温措施，减小里表温差和温降速率，保温篷布的装拆时间点可根据实际温度监测数据决定；在混凝土强度满足要求的前提下分层间歇时间间隔尽量缩短，分层连续的间隔时间控制在混凝土初凝前即可。推荐采用的施工工艺如下表所示。
表5大体积混凝土推荐施工工艺方案
注：“☆”数量越多，表示推荐程度越高。
论文作者:覃浩
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：混凝土论文; 裂缝论文; 水化论文; 塑性论文; 体积论文; 水管论文; 基础论文; 《基层建设》2019年第13期论文;