大跨径箱梁混凝土的水化热温度研究

一、引言
随着材料的更新，施工技术的进步，预应力混凝土连续箱梁的跨径越来越大，对于采用悬臂现浇工艺施工的箱梁，其在桥墩附近的节段的底板厚度也越来越厚，三门峡黄河公路大桥、黄石长江公路大桥、上海黄浦江奉浦大桥等大跨径预应力混凝土箱梁的墩顶段底板厚度都超过了1.0m。同时，箱梁采用的混凝土设计强度较高，一般都超过50MPa，属于高强混凝
土，相应单方水泥用量较多，水化热引起的混凝土内部温度较普通混凝土要大，有可能因混凝土的内外温度差和温度变形较大而造成混凝土硬化后的表面裂缝，这种情况已经引起了桥梁工程界的重视。
本文结合南京长江第二大桥北汊主桥预应力混凝土连续箱梁的0号块和1号块节段底板混凝土浇筑后的温度测试，初步研究了箱梁混凝土的水化热问题。

二.工程背景
南京长江第二大桥北汊主桥为90m＋3 X 165m＋90出的预应力混凝土连续箱梁桥，箱梁采用悬臂现浇施工法施工。
箱梁在墩处的0号块和1号块节段是在支架上采用现浇混凝土方法施工，箱梁高度分别为 8.8m和 8.655m，底板厚度分别为 1.4m和 1.09m，宽度均为7.5m。
箱梁混凝土的设计强度为50MPa，接配合比设计，实际每立方米混凝土的材料用量为：水泥500kg，砂750kg，石子1040kg，水160kg，JM－8减水剂8kg。
箱梁0号块和1号块节段的施工正值南京地区秋末，白日气温较高，日平均温差约为7～8℃。考虑到箱梁混凝土强度高、单方混凝土中水泥用量较大及施工季节特点，工程指挥部决定对箱梁混凝土的水化热温度影响进行观测与研究，以保证箱梁混凝土浇筑后不出现表面裂纹。

三、测点布置
温度测点采用WZP-035铂热电阻片，埋置在箱梁混凝土内。
由于0号块和1号块节段箱梁高度较高，施工时采用分两次浇筑混凝土，第一次浇筑混凝土从底板至箱梁高度一半处，并且，底板厚度也较大，因此，观测的重点是箱梁底板。
箱梁底板混凝土温度测点的平面布置见图1。图1中，沿底板厚度方向上设3个温度测点，测点2，5，8，…，20，23为板半高处测点，而其余各点为底板的上表面和下表面的测点，埋在距底板上、下表面为 0.10m处的混凝土内。
大气温度采用普通温度计测试。
参考有关大体积混凝土水化热温度观测的方法[4］，测试混凝土的入仓温度，混凝土浇筑后即进行定时测温工作。


四、测试结果与分析
1.箱梁底板混凝土水化热温度曲线
图2中曲线1和曲线2分别为0号块底板测点2和测点8得到的中心处混凝土水化热
温度曲线。由图2可见，箱梁底板中心温度随混凝土的龄期发展经历了温度上升阶段和温度下降阶段，具有一般大体积混凝土水化热温度曲线的典型特征。

底板中心最高温度实测值为67.2°C，是混凝土浇筑后39h达到的。
图2中曲线1比曲线2的下降段平缓，主要是因为测点2所处的底板区域位于0号块的根隔板与箱梁腹板形成的半封闭空间中（横隔板上有人孔），混凝土浇筑后此空间内空气温度较高，受箱梁处大气温度影响较小；而测点8所处底板基本处于大气之中，散热较快，故二者的下降段不同。
2．水化热温度沿底板厚度方向的变化
箱梁混凝土浇筑初期，升温速度快，混凝土内部温升的最高值一般在l～2d内产生，2d内温升可达到或接近最大值，此后趋于稳定，并开始降温。由此可见，大体积混凝土温度场在初期是变化的。由大体积混凝土温度场的分布规律可知，大体积混凝土内部的温度基本上是按抛物线分布的[1]，则根据是1号块节段箱梁底板沿其厚度方向各测点温度拟合得到的水化热温度分布图见图3。图中的测点20为板厚度半高处的测点，而测点19和测点21分别为混凝土上表面和下表面的测点。

由图3可见，随混凝土龄期的增加，内部中心的最高温度与混凝土表面温度的差值越来越小。从图中可以看出，测点19和测点21的温度在同一时刻并不相同。初步分析认为主要是测点19位于底板上表面处，而底板上表面是暴露于大气之中，大气和风有直接散热作用，因而上表面混凝土降温较快，而测点21位于底板下表面，底板下面为钢模板，其导热系数为58W／m·K，故散热相对较慢，因而造成温度的分布不均。
3．箱梁底板混凝土表面温度与内部温度比较
图4为1号块节段箱梁底板混凝土表面温度和内部温度曲线。根据实测资料，混凝土表面温度大约在混凝土浇筑 15h后达到最高值温度 45.9℃，而混凝土内部温度在 24h后才达到最高温度62．7℃。因此，尽管两者的水化热温度曲线相近，但最高温度值不同且达到的时刻不同。
图5为整理的底板混凝土内部与表面温度差值曲线。由图可见，两者的温差在混凝土浇筑后的 28h达到最大差值 18.9℃。
与普通混凝土不同，箱梁采用的高强混凝土往往早强。就北汊主桥箱梁而言，在3d内即可达到设计强度的60％，相应的混凝土弹性模量较高，因而，若不注意混凝土内部和表面温度差，混凝土表面和大气温度差，急于拆除模板或忽视养护工作，就很容易发生由于水化热的温度变化而产生的表面裂缝。


五、混凝土水化热温度估算
1.混凝土内部最高温度估算
常用的最高温升的计算公式有两种，下面分别以文献[1]和文献[2]的公式讨论0号块的最高温升值的预测。
文献［1]的计算公式为：

式中Tmax--混凝土内部最高温度（℃）；
Tj--混凝土浇筑温度（℃）；
Tτ--τ龄期时混凝土的绝热温升（℃）；
ξ--不同浇筑块厚度的降温系数；
W--每立方米混凝土中水泥用量（kg／立方米）；
Q--每kg水泥水化热量（kJ/kg）；
C--混凝土的比热（kJ/kg℃）；
p--混凝土的容重（kg／立方米）；
m--随水泥品种、比表面及浇筑温度而异；
τ--龄期（d）。
按上式计算，估算结果为Tmax=50℃。
文献［2」的计算公式为：
Tmax=Tj+W/η
式中Tmax--混凝土内部最高温度（℃）；
Tj--混凝土浇筑温度（℃）；
W－一每立方米混凝土中水泥用量（kg／立方米）；
η--系数，随混凝土标号、最小尺寸而异，此处取12。
按上式计算，估算结果为Tmax＝67℃。
0号块底板实测最高温度为 Tmax＝67.2℃。与两个估算结果进行比较可知，文献[2]的估算结果与实测值十分相近。文献[1]参照一般大坝施工的有关资料，并按照热传导公式对混凝土内部最高温度进行估算[2]。但是箱梁与大坝有较大差异，主要是箱梁混凝土多为高强混凝土，大坝混凝土相比强度较低；箱梁四面悬空支承在支座上或施工期间支承在临时锚固上，而大坝与地基相连，两者的边界条件不同。而文献［2]的计算公式是经过对上建工程中大体积钢筋混凝土实测资料统计整理后得出的，因而，其计算结果与箱梁底板实测量高温升相近。
2．混凝土表面最高温度估算
混凝土表面最高温度采用的计算公式为[1]：

式中Tbmax--混凝土表面最高温度（℃）；
Tq--大气的平均温度（℃）；
H－一混凝土的计算厚度；
h’--混凝土的虚厚度；
h--混凝土的实际厚度；
ΔT－－混凝土中心温度与外界气温之差的最大值；
λ--混凝土的导热系数，此处可取 2.33W／m· K；
K--计算折减系数，根据试验资料可取0.666；
β--混凝土模板及保温层的传热系数（W/m*m·K）。
估算结果参见表1。表1是0号块、1号块底板混凝土计算与实测值表。


六、结语
高强混凝土在大跨径箱梁中的使用越来越多。由于高强混凝土的水泥用量大，所以水化热就成为大尺寸构件施工中的一个突出问题[3］。本文的初步研究表明，厚度超过 1.0m的箱梁节段底板的高强混凝土，在不掺加活性矿材料的情况下，其内部最高温度约为67℃左右；其水化热的温度曲线具有一般大体积混凝土的特征。因此，对于箱梁高强混凝土的施工，一定要采取有效的工程措施，降低内部最高温度和良好的混凝土养生方法，以防止混凝土由于内部和表面温差过大而产生表面裂缝，同时也保证高强混凝土的后期强度。
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