盧家億 中交四航局第二工程有限公司

丁平祥 李凱 中交四航工程研究院有限公司

李偉偉 謝小明 張孫文 周友杰 中交四航局第二工程有限公司

榮烏高速為榮成到烏海段高速公路簡稱榮烏高速，是雄安新區(qū)“四縱三橫”外圍骨干高速公路網(wǎng)的重要組成部分，對雄安新區(qū)發(fā)揮首批交通強國建設試點先行示范作用具有重要意義。受工期影響該工程掛籃施工部分需貫穿整個河北冬期，華北地區(qū)冬期寒冷干燥，冬期施工不僅使人員配置、機械運行和生產(chǎn)效率受到影響，而且在嚴寒環(huán)境下，預應力現(xiàn)澆梁體混凝土由于受自身結(jié)構(gòu)限制和特定施工工序影響，按以往經(jīng)驗很難做到養(yǎng)護到位，混凝土極易產(chǎn)生早期受凍，導致其力學性能和耐久性能劣化，嚴重影響工程建造質(zhì)量。研究表明，混凝土中膠凝材料的水化動力隨環(huán)境溫度將發(fā)生較大改變，混凝土的強度與養(yǎng)護齡期和溫度密切相關，一般認為混凝土強度是養(yǎng)護齡期和溫度乘積的函數(shù)，反映了混凝土中膠凝材料水化進程與溫度的數(shù)學公式，這就是常用的混凝土成熟度理論。成熟度理論可以用來推算不同溫度下混凝土強度發(fā)展狀況，但現(xiàn)場養(yǎng)護過程中會出現(xiàn)不同部位溫度不一致現(xiàn)象，若選取點位溫度不當會造成局部混凝土強度偏低卻無法監(jiān)測出來，基于此，本文借助Midas FEA有限元模擬軟件，在前期大量監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎之上，來建立與實體較為接近模型，通過模擬大體積混凝土內(nèi)部溫度場分布，明確溫度較低點，結(jié)合成熟度理論推算不同部位強度情況，以此指導項目順利施工。

1.成熟度理論及模型建立

1.1 基于成熟度理論的低溫混凝土強度發(fā)展規(guī)律

本文借助榮烏高速現(xiàn)澆箱梁混凝土結(jié)構(gòu)所用冬期配合比開展了入模溫度、養(yǎng)護溫度同為5℃、10℃、20℃的相關試驗，并建立了成熟度與混凝土強度的理論計算公式，具體見表1，表2，表3及圖1。

表1 養(yǎng)護溫度與混凝土強度發(fā)展的關系表

表2 養(yǎng)護溫度與混凝土成熟度的關系表

其中：水泥為淶水金隅冀東環(huán)?？萍加邢薰綪.O52.5普通硅酸鹽水泥；粉煤灰為山東華能德州電力實業(yè)總公司提供的F類Ⅱ級粉煤灰；礦粉河北前進冶金科技有限公司提供的S95級粒化高爐礦渣粉；細集料為張家口福泰礦業(yè)有限公司采砂場生產(chǎn)Ⅱ區(qū)中砂；粗集料為淶水縣順合建材有限公司生產(chǎn)碎石；減水劑為蘇博特有限公司的聚羧酸高效減水劑。

圖1中F為抗壓強度，M為成熟度，由圖可知混凝土的強度與成熟度關系，見式（1）：

圖1 成熟度與混凝土強度的擬合公式

1.2 箱梁內(nèi)部溫度場模擬

榮烏高速現(xiàn)澆箱梁采取掛籃施工工藝，為保證冬期順利施工，本工程采取模板電阻絲+巖棉，頂部覆蓋電熱毯，箱梁空腔內(nèi)通蒸汽和熱風炮加熱，迎風面采取防風布覆蓋整個箱室保溫。本文前期針對現(xiàn)澆箱梁混凝土結(jié)構(gòu)實體監(jiān)測數(shù)據(jù)在反復摸索試驗、調(diào)整測溫點基礎之上，收集大量測溫數(shù)據(jù)，借助有限元模擬軟件推導出了0℃以上工況下現(xiàn)澆箱梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場情況，并確定相關邊界參數(shù)取值，模擬見圖2；由圖分析可知：現(xiàn)澆箱梁溫度較低點為現(xiàn)澆箱梁端部及兩側(cè)翼板端部位置，為最為不利的結(jié)構(gòu)部位，應重點加強觀測。

根據(jù)項目所在地歷年冬季溫度統(tǒng)計（最冷的1月平均溫度為-4.3℃），選取平均環(huán)境溫度為0℃、-5℃、-10℃三種工況，利用通過工程現(xiàn)場溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)修正的有限元數(shù)值模型，模擬環(huán)境溫度為0℃、-5℃、-10℃下現(xiàn)澆箱梁混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場分布，并利用成熟度理論預測了箱梁溫度較低點部位的強度發(fā)展。

表3 配合比信息 單位：kg/m3

圖2 現(xiàn)澆箱梁溫度場模擬

2.不同工況下現(xiàn)澆箱梁溫度場及混凝土強度預測

2.1 環(huán)境溫度為0℃時箱梁溫度場的發(fā)展與混凝土強度預測

選取工況為環(huán)境溫度0 ℃，入模溫度20℃，電熱毯為加熱3d，端頭模板拆除時間為1.5d，模板加熱為5d。

（1）箱梁混凝土溫度場分布。針對箱梁內(nèi)部溫度較低點，選取典型點位通過有限元數(shù)值模擬分析其溫度發(fā)展狀況，具體見圖3、圖4所示。選取點位為箱梁上部端面與空氣接觸點4、翼板側(cè)面端部點6、箱梁下部端面與空氣接觸點11及箱梁下部端面與舊混凝土接觸點13。

圖3 典型點位溫度圖

從圖3可知，箱梁溫度場分布較低部位為各端面處，特別是翼板側(cè)面端部為整個箱梁溫度較低處，溫度下降較快，應重點防護。

（2）混凝土強度預測。環(huán)境溫度0℃時所選取點位成熟度及強度如表4、表5所示；側(cè)邊緣強度發(fā)展較慢應是重點關注對象。

2.2 環(huán)境溫度為-5℃時箱梁溫度場發(fā)展與混凝土強度預測

選取工況為環(huán)境溫度-5℃，入模溫度20℃，電熱毯為加熱3d，端頭模板拆除時間為1.5d，模板加熱為5d。

（1）箱梁混凝土的溫度場。針對箱梁內(nèi)部溫度較低點，選取典型點位通過有限元數(shù)值模擬分析其溫度發(fā)展狀況，具體見圖4。選取點位為箱梁上部端面與空氣接觸點4、翼板側(cè)面端部點6、箱梁下部端面與空氣接觸點11及箱梁下部端面與舊混凝土接觸點13。

從圖4可知，箱梁溫度場分布較低部位為各端面處，特別是翼板側(cè)端部為整個梁體溫度較低處，溫度下降較快，環(huán)境溫度為-5℃時翼板側(cè)端部2.5d左右已處于0℃以下，應重點防護。

（2）混凝土強度預測。環(huán)境溫度-5℃時所選取點位成熟度及強度如表6、表7所示；隨著環(huán)境溫度降低，從上表可看出現(xiàn)澆箱梁端部及側(cè)端部強度進一步降低。

2.3 環(huán)境溫度為-10℃時箱梁溫度場的發(fā)展與混凝土強度預測

選取工況為環(huán)境溫度0℃，入模溫度20℃，電熱毯為加熱3d，端頭模板拆除時間為1.5d，模板加熱為5d。

（1）箱梁混凝土溫度場分布。針對箱梁內(nèi)部溫度較低點，選取典型點位通過有限元數(shù)值模擬分析其溫度發(fā)展狀況，具體見圖5；選取點位為箱梁上部端面與空氣接觸點4、翼板側(cè)面端部點6、箱梁下部端面與空氣接觸點11及箱梁下部端面與舊混凝土接觸點13。

從圖5可知，箱梁溫度場分布較低部位為各端面處，特別是翼板側(cè)端部為整個梁體溫度較低處，溫度下降較快，當環(huán)境溫度為-10℃時，澆筑2d左右翼板側(cè)端部已處于0℃以下，應重點防護。

（2）混凝土強度預測。環(huán)境溫度-10℃時所選取點位成熟度及強度如下表8、表9所示；隨著環(huán)境溫度變低，現(xiàn)澆箱梁端部及翼板端部強度隨之降低。

從表中所示成熟度、強度預測值可看出來，現(xiàn)澆箱梁端部及翼板端部混凝土強度為整個箱梁強度較低點，且隨著環(huán)境溫度降低，其強度隨之降低，應加強養(yǎng)護措施，特別是翼板處側(cè)端部，強度更低，應進行重點關注。

表4 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表5 箱梁典型部位混凝土的預測強度值

圖4 典型點位溫度發(fā)展趨勢圖

表6 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表7 箱梁典型部位混凝土的預測強度表

圖5 典型點位溫度圖

2.4 相關改善措施

從上模擬預測可知，現(xiàn)澆梁體端部及翼板側(cè)端部強度較低，特別是翼板側(cè)端部因其薄壁結(jié)構(gòu)為整個梁體溫度最低部位。基于以上問題提出以下相關建議：

（1）針對現(xiàn)澆箱梁混凝土結(jié)構(gòu)翼板側(cè)面端部溫升慢、強度低的問題，建議加強翼板端部的保溫加熱養(yǎng)護，可采取覆蓋棉被及內(nèi)部預埋電阻絲加熱等方式，并應加強端部混凝土溫度的監(jiān)測；

（2）根據(jù)仿真分析與強度預測結(jié)果，當環(huán)境溫度低于0℃時新澆筑箱梁混凝土結(jié)構(gòu)端部0.4m范圍內(nèi)混凝土強度較低，建議在環(huán)境溫度低于0℃時端部0.6m范圍內(nèi)預埋電阻絲加熱養(yǎng)護，并通過試驗確定預埋電阻絲的合理間距。同時，應覆蓋棉被保溫或其他保溫措施等，并應加強該部位混凝土溫度的監(jiān)測；另外，箱梁端部拆模鑿毛期間，應注意端部的保溫，宜邊鑿毛、邊封蓋保溫；

（3）加熱保溫措施對保證混凝土溫度、提高早期強度的意義重大，應嚴格遵循保溫加熱措施到位、保證加熱養(yǎng)護時間。

表8 箱梁典型部位混凝土的成熟度

表9 箱梁典型部位混凝土的預測強度表

3.結(jié)論

通過室內(nèi)試驗5℃、10℃、20℃養(yǎng)護溫度為5℃、10℃、20℃，建立了混凝土強度與成熟度理論模型，通過現(xiàn)場驗證，該模型與現(xiàn)場混凝土養(yǎng)護強度相關性較強；

通過分析前期大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過有限元軟件推算出了混凝土內(nèi)部溫度場分布情況，針對溫度較低點，推算出了不同工況下（0、-5、-10）混凝土強度值，并結(jié)合成熟度理論計算了其5d強度，發(fā)現(xiàn)隨著環(huán)境溫度降低，翼板邊緣、新舊混凝土交界處、迎風面部分位置強度較低；

針對翼板邊緣、新舊混凝土交界處、迎風面部分位置強度較低工程部位，提出了相應的改善措施，以期為類似項目提供指導。