桥梁大体积混凝土浇筑温度裂缝控制施工技术研究

张雷

北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司 北京 100000

摘要

桥梁工程中大体积混凝土结构具有尺寸大、约束条件复杂、水化热释放集中等特点，浇筑过程中内部温度升高与外部散热形成明显温度梯度，容易诱发温度应力并产生裂缝，影响结构耐久性与服役性能。针对大体积混凝土浇筑阶段温度裂缝控制需求，本文围绕温度场演变规律、施工过程控制及智能化管理技术展开研究，从混凝土配合比优化、浇筑工艺调节、温度监测预警、养护措施优化等方面提出系统化控制路径。研究表明，通过全过程温度调控与施工组织协同，可有效降低温度峰值及内外温差，提高桥梁混凝土结构施工质量，为类似工程温度裂缝防控提供技术参考。

关键词

桥梁工程；大体积混凝土；混凝土浇筑温度；温度裂缝控制；施工技术

引言

由于现代桥梁工程向着大跨度、高承载的方向发展，因此桥墩基础、承台、锚碇等大型混凝土结构的应用也越来越多。大体积混凝土施工时，水泥水化反应产生大量的热能，但是结构内部的热量传递速度比外部慢得多，造成内部温度不断上升并形成温度梯度。温度收缩被结构所限制的时候，内部拉应力大于混凝土早期抗拉强度，就会出现裂缝。温度裂缝控制已经成为保证桥梁结构安全的一个重要施工环节。因此本文根据大体积混凝土施工特点，从温度裂缝形成机理、施工控制技术和全过程优化措施三个方面来研究，以提高桥梁工程混凝土施工质量。

一、大体积混凝土浇筑温度裂缝形成机理分析

（一）水化热释放过程与混凝土温度场形成机制

桥梁大体积混凝土浇筑之后，水泥里的硅酸三钙、硅酸二钙这些矿物成分就会与水发生反应，不断释放出热量，使得混凝土内部温度一直上升。由于桥梁承台、墩身基础等结构尺寸比较大，内部热量主要是通过混凝土自身的导热能力向外部散发出去，而表层部位受空气、模板和养护环境的影响较大，散热速度比内部要快得多，从而造成明显的空间温度梯度。温度场分布不均是温度应力产生的基础，所以施工期间要对水化热释放规律做精确剖析。

大体积混凝土内部绝热温升可采用水化热计算模型进行分析，其基本关系为：

式中，T(t)表示混凝土龄期t时的绝热温升值；W表示单位体积水泥用量；Q表示水泥水化热；c表示混凝土比热容；ρ表示混凝土质量密度；m表示水化热释放速率参数。通过该公式可以看出，水泥用量增加会直接提高混凝土内部温升水平，而水化热释放速度则受到水泥类型、环境温度以及龄期影响。

工程实践中通常将混凝土内部最高温度控制在合理范围，并限制混凝土内外温差。根据《大体积混凝土施工标准》相关要求，施工阶段应重点控制混凝土里表温差、降温速率以及温度应变变化。通过降低混凝土入模温度、控制浇筑速度、加强保温养护等措施，可以减小温度梯度，降低温度应力集中程度，使结构处于安全温控状态。

二、桥梁大体积混凝土温度裂缝控制施工技术

（一）原材料优化与配合比温控技术

桥梁大体积混凝土温度裂缝控制要从混凝土材料体系设计入手，用合理的原材料组成来减小水化热释放强度，从而提高混凝土早期抗裂能力。水泥是主要的胶凝材料，它所发生的水化反应所放出的热量会直接决定混凝土内部的温升情况。大型桥梁承台、基础等结构施工时，如果单位体积水泥用量较大，在较短的时间内释放出大量的水化热，会使内部温度急剧上升，温度应力形成几率增大。因此，在施工过程中应该按照结构尺寸、环境条件、设计强度的要求来确定胶凝材料的比例。

实际工程当中，大体积混凝土一般会选用低热水泥或者中低热硅酸盐水泥，并且会加入粉煤灰、矿渣粉这些矿物掺合料来削减水泥水化热。以某大型跨江桥梁主墩承台施工为例，承台混凝土设计强度等级为C40，单个承台浇筑方量约4200m³，施工配合比采用水泥320kg/m³、粉煤灰90kg/m³、矿粉80kg/m³，通过降低水泥比例，使单位体积混凝土早期水化热释放量明显下降。试验检测数据表明，改进配合比之后混凝土内部最高温度由原来的约71℃降到现在的62℃左右，内部温升值明显减小，给以后的温度控制打下了基础。

（二）分层分块浇筑与全过程温控施工技术

大体积混凝土浇筑时施工组织方式影响到内部温度分布情况。合理的划分浇筑区、控制浇筑厚度、调节施工速度都是减小温度梯度的技术方法。桥梁承台、锚碇等大型结构一般具有连续浇筑体积大、热量积聚明显的特点，如果一次性快速完成浇筑，会造成内部热量集中释放，温度峰值迅速上升。所以施工时要根据结构尺寸采取分层连续浇筑的方法，让混凝土内部温度慢慢释放出来。分层浇筑技术主要是通过减少单层混凝土的厚度来控制热量的累积。工程实践当中，大体积混凝土一般用30～50cm分层厚度来施工，用振捣密实的方式来保证层间的结合质量。

在某桥梁主塔基础承台施工中，承台尺寸为45m×32m×6m，总混凝土方量大于8000m³，施工采用50cm分层浇筑工艺，每层浇筑完毕后立即进行振捣并做温度观测。从监测结果可以看出，采用分层施工之后，内部温升过程变缓，最高温度控制在65℃以下，内外温差保持在22℃左右，有效地减少了温度裂缝的发生几率。浇筑时间安排属于温控施工的关键部分。大型桥梁混凝土施工一般会选择在夜间或者低温时段进行连续浇筑，从而减小环境温度对入模温度的影响。夏季施工时混凝土入模温度一般控制在30℃以下，用缩短运输时间、减少停留时间、遮阳等方法降低温升。某山区桥梁基础工程施工中，采用夜间连续浇筑的方式将混凝土入模温度由白天施工时的31℃降到25℃左右，内部最高温度降低约5℃。通过浇筑工艺和温度控制措施的共同作用，可以使大体积混凝土施工过程中的稳定性得到提高。如表1所示。

表 1分层分块浇筑与全过程温控施工技术参数及应用效果分析

控制技术	施工参数	工程应用实例	控制效果
分层连续浇筑技术	分层厚度控制在30～50cm，浇筑后及时振捣，保证层间结合质量	某桥梁主塔基础承台尺寸45m×32m×6m，总混凝土方量超过8000m³，采用50cm分层浇筑工艺	内部温升过程趋缓，最高温度控制在65℃以下，内外温差保持约22℃，降低温度裂缝风险
浇筑区域合理划分技术	根据结构尺寸划分浇筑区域，避免一次性大量浇筑造成热量集中	大型承台、锚碇等连续浇筑结构采用分区施工组织方式	减少内部热量积聚，使温度场分布更加均匀，提高结构稳定性
低温时段连续浇筑技术	选择夜间或低温环境施工，控制混凝土入模温度≤30℃	某山区桥梁基础工程采用夜间连续浇筑，优化施工时间安排	混凝土入模温度由白天31℃降低至约25℃，内部最高温度降低约5℃
综合温控调节技术	结合浇筑速度、运输时间、遮阳措施及温度监测进行动态调整	大体积混凝土施工全过程采用工艺控制与温度管理协同措施	降低温度梯度，提高施工过程稳定性，有效控制温度裂缝产生

（三）智能监测与动态调控技术

由于桥梁工程施工规模不断增大，传统的依靠人工测量温度的方法已经不能满足大体积混凝土全过程温度控制的要求了。智能监测技术用传感器、数据采集设备和信息分析系统来完成混凝土内部温度的持续监测工作，给施工调整赋予即时参照。创建起动态温控体系之后，就能察觉到温度改变趋向并作出相应的应对办法来削减裂缝危险。智能温度监测大多采用埋入式温度传感器布置的方式，在结构尺寸上设置核心区、边缘区和表层区的测点。

工程应用时测点间距一般为5～10m左右，在重点部位可以加大监测密度。以某跨海大桥大型承台施工为例，在该处共布设了96个温度检测点，在各个深度位置上连续收集数据，观测期为30天。从数据上看可以清楚地看出系统能准确地记录出混凝土最高温度出现的时间，也可以提前预知温度的变化趋势，从而让施工人员及时做出养护方案的调整。

三、桥梁大体积混凝土温度裂缝控制优化路径

（一）全过程温度控制体系构建

桥梁大体积混凝土温度裂缝控制要打破单一施工环节的控制方式，创建起包含材料挑选、配合比规划、浇筑作业、养护管理以及后期观测在内的全部温度掌控体系。由于温度裂缝形成的阶段特征明显，各个施工阶段对结构温度的变化影响程度也不一样，所以要结合混凝土热力学的变化规律，对各个环节实施连续的调节。全过程温控体系核心就是提前预估温度变化趋向，经由施工参数改良削减温度峰值，让混凝土内部温度场维持较稳定的状况。施工准备阶段要按照桥梁结构尺寸、混凝土等级和环境条件来完成专项温控计算。对大型承台、桥墩基础等结构用有限元法模拟浇筑后温度变化的过程，预测出内部最高温度、温差变化和降温周期。

工程实践当中，大体积混凝土内部最高温度一般由水泥用量、环境温度和浇筑厚度三者共同决定。某跨河桥梁主墩承台施工前，经过热工计算确定使用C50混凝土，单位体积胶凝材料控制在450kg/m³以内，混凝土入模温度控制在28℃以下。计算结果表明本方案可以使内部最高温度控制在65℃左右，符合温控要求。施工阶段要创建以温度数据为根基的动态调节体系。浇筑时应依照实际情况来调节施工参数，即浇筑速度、分层厚度、冷却水循环强度和保温措施。对于连续浇筑的大体积结构来说，应该合理安排混凝土供应能力，防止施工间歇引起局部温度异常变化。实际工程中用分区分层浇筑的方式可以减小单次热量集中释放的程度，使各个区域温度的变化保持一致。某桥梁基础工程用六个浇筑区划分方案，每个区连续施工，控制浇筑时间间隔，使各区温差不大于20℃，减少结构内约束应力。养护阶段属于温度裂缝控制的关键时段。

混凝土浇筑完毕之后，内部仍然会不断释放水化热，如果表面散热速度过快的话，就会造成内部和表面之间出现较大的温差。因此，应根据监测结果来动态改变保温层厚度和养护时间。工程上常用塑料薄膜、土工布、保温棉等材料组合使用来达到养护目的，减缓表面热量散发速度，使结构慢慢降温。某大型桥梁承台施工中采用覆盖保温加自动测温的方式，把养护期从原来的7天延长到21天，使混凝土降温速度控制在1℃/天以内，防止由于快速降温造成的收缩裂缝。全过程温度控制体系还要加强施工组织的协同。项目管理人员、试验检测人员、现场施工人员要围绕温控目标形成统一的管理流程，把温度监测的结果及时反馈到施工调整环节。建立温度控制的责任体系，可以保证各种技术措施得到落实。工程实践表明，系统的温控管理可以降低大体积混凝土温度裂缝的发生率，提高桥梁结构施工的质量。因此把温度控制贯穿于整个施工过程之中，就是一种实现桥梁大体积混凝土结构安全建造的技术途径。

（二）养护协同与降温技术优化

大体积混凝土浇筑完成之后，养护过程会决定温度变化的速度以及混凝土早期收缩的情况。由于混凝土内部水化热释放是持续的，单靠自然散热很难达到内部温度均匀变化的目的，所以要结合结构特点采用保温、保湿、主动降温等养护技术。科学的养护方法可以减小温度梯度，减少内部拉应力的产生，给混凝土强度稳定增长创造有利的条件。保温养护主要是减缓混凝土表面散热速度，使内外部温度变化趋于一致。大体积混凝土结构表面温度下降过快的时候，表层混凝土就会出现较大的收缩，但是内部混凝土仍然处在高温的状态下，从而在结构内部产生明显的约束。

该桥梁承台工程用双层土工布加塑料薄膜覆盖的方式进行保温，保温层厚度为30mm左右，使表层温度下降速度由原来的2℃/d降到0.8℃/d以下，有效地降低了温度应力水平。保湿养护也是控制裂缝的一种手段。混凝土早期阶段水分蒸发速度快，表面长时间处于干燥状态时，容易造成塑性收缩增大，抗裂性变差。因此施工时要保持混凝土表面湿润，用洒水、覆盖保湿材料等方式来减少水分的流失。对于大型桥梁结构，可以使用自动喷淋系统来进行连续养护，根据环境温度、湿度的变化来调节喷水的频率。采用智能喷淋养护设备的高速公路桥梁施工，混凝土表面湿度一直维持在80%以上，早期收缩变形比原来降低了大约18%。利用分区域养护、动态降温、实时反馈的方式来提高温控措施的针对性。科学的养护协同体系能明显改善大体积混凝土早期性能，给桥梁结构长久耐久运行赋予保障。

（三）数字化监测与预警管理技术

伴随着桥梁工程施工技术不断进步，数字监测技术也成了大体积混凝土温度裂缝控制的关键助力。传统的温度控制主要是靠人工定时检测，不能很好地反映结构内部温度的变化过程，而数字化监测系统则可以借助于各种传感设备来不断地获取温度、湿度以及环境参数等信息，并进而达到施工状态的即时感知目的。用数据分析技术来预估温度改变趋向，能加强对于裂缝危险程度判定的精确程度。数字化监测系统是由传感器网络、数据传输模块、分析平台和预警终端组成的。在桥梁大体积混凝土施工时，要依照结构受力状况及温度变动规律来安排监测点。核心区域要设深层温度测点，表层区域要设温度梯度监测点，还要联系环境温度做综合分析。该特大桥主墩承台施工期间共布设了128个无线温度传感器，对各个高度、各个位置处的温度变化进行不间断的监测，采样间隔时间为30分钟，很好地掌握了混凝土内温度上升的规律。

数据分析模型可以提高温控管理的水平。利用温度变化的数据库同实际测量的数据做比较，就可以判断施工的状态是否符合预定的要求。当系统检测到内部温度上升的速度出现异常或者内外温差接近控制值的时候，就会自动发出警报信息，通知施工人员采取相应的措施。以某高速铁路桥梁为基础施工为例，用数字化温控平台提前10小时发现局部温度升高异常，加保温措施并调节冷却水流量，使温度变化重新回到稳定状态。数字化技术还可以实现施工过程的可追溯管理。长久保存温度监测数据之后，就能创建起完备的施工温控档案，给后来的设计及施工改良赋予数据支撑。结合BIM技术把温度变化信息和桥梁结构模型结合起来做三维可视化分析，可以使管理人员更直观地了解结构内部的情况。对于大型桥梁工程来说，可以设置远程监控中心，使得项目管理人员、技术人员以及施工现场之间可以互相交流信息，从而提高温控管理的效率。

结论

桥梁大体积混凝土温度裂缝控制是一项涉及材料性能、施工工艺、温度监测以及组织管理的系统性工程。研究表明，通过优化混凝土配合比、控制水化热释放、采用分层浇筑与主动降温技术，并结合数字化监测手段，可有效降低内部温升和温度应力水平。施工过程中应建立全过程温控体系，加强养护管理和质量协同控制，使混凝土结构在早期阶段保持稳定状态。未来桥梁工程建设中，应进一步推动智能监测技术与施工工艺融合，提高温度裂缝控制精准性，为大体积混凝土结构长期安全服役提供技术保障。

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