雄安新区大体积混凝土冬施养护技术及其数值分析

闫腾飞，包汉营，敖长江，李 星，袁 山

(1.中国建筑土木建设有限公司，北京 100070； 2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

大体积混凝体自身在常规温度下主要面临的是内外温差大的问题，目前可通过合理手段进行控制[1]，然而冬施条件下面临的问题又与之不同.大体积混凝土冬季施工受养护措施影响较大，严重影响混凝土强度发展[2-3].5 ℃以上，混凝土正常进入化学反应，影响较小；低于-0.3 ℃，混凝土逐渐冻结，强度成长受限.-10 ℃以下，混凝土受冻并失去强度发展.由此可看出，环境温度低于5 ℃将是冬施的标志.

现有学者针对冬季施工相关技术进行分析，李广平[4]以哈尔滨市地铁衬砌建设为背景，开展混凝土极寒条件下的衬砌养护研究，养护效果较佳.陈超等[5]以冷却塔工程为例，采用电加热方法对混凝土进行温度平衡，养护效果较好，具有较高的指导意义.曾海清[6]总结陈述了冬施条件下混凝土养护及模板拆除要点，具有实际应用价值.孟跃朋[7]采用ANSYS软件建立了电伴热混凝土模型，并研究了该冬施养护方法下的温度场，具有较强的创新性.魏京华[8]以平度地区条件为例，从混凝土配合比外加剂等多因素研究了冬施对混凝土质量影响的程度，具有较强的指导意义.冀长勇等[9]对综合蓄热法进行研究，并开展热工计算，对冬施大体积养护混凝土具有重要指导意义.梁国标[10]提出采用复掺技术改善混凝土自身的性能，并尝试采用根本方法提高混凝土冬施性能，找出合理材料.

现有研究对冬施养护技术进行了多方向研究，研究成果丰硕，但不同区域冬施环境差异较大，无法对雄安新区的冬施养护技术起到很好的指导，因此，本文将雄安新区雄东管廊项目PM08大体积混凝土承台冬施浇筑为背景，开展冬施养护技术总结和评估，得出适合雄安新区的冬施养护体术.

雄东片区A社区对外道路(一期)项目位于雄安新区，服务于千年之城建设.根据雄安新区历年气象信息，雄安新区每年11月15日即入冬施，第二年3月15日解除冬施，冬施时间长达4个月.冬季施工对雄安新区建设影响较大.根据雄安新区气候特点将冬施划分为3个时间段：11.15～12.15；12.16～02.15；02.16～03.15，其中最关键的12.16～02.15为严冬阶段，温度值最低.

为研究雄安新区大体积混凝土冬施养护技术，本文先提出雄安新区冬施养护技术措施，后采用数值模拟方法，以PM08左幅承台大体积混凝土(尺寸：10.9 m×14.1 m×3.5 m)施工为研究对象，验证了该技术的可行性.本承台施工期间正处于严冬施工阶段，具有代表意义，可为此类工程提供参考和借鉴.

1 冬施养护措施

1.1 提高出机温度

出机温度T1主要通过控制骨料、水等材质温度进行出机温度调整，由热工计算为依据进行材料温度配置.本项目依据搅拌站距离(现场与搅拌站距离2 km)和工程经验，制定出机温度为25 ℃，并交由混凝土供应公司进行落实.通过工程管理员进行监测，实测温度均值为25.2 ℃.

1.2 混凝土运输

混凝土运送采用外部覆盖保温套的混凝土搅拌车.混疑土出机后应及时运到浇筑地点，运输时间为30 min.在运输过程中，罐车应采用帆布包裹，保温防风且不漏浆.混凝土进场后应以最短等待时间开展浇筑工作，确保温度损耗最低.经实测，拌合物状混凝土到达施工PM08位置的温度为23.4 ℃(15:37)，23.3 ℃(15:42)，23.8 ℃(15:44)；平均值23.5 ℃.

1.3 混凝土浇筑

严冬的雄安新区温度很低，预支的钢模板及PM08基坑底部有局部残霜和冰碴，因此必须进行残霜冰雪清除处理，尤其是钢模板冰雪的清除.可以用生火炉或电预热等在浇筑前对模板进行预热，以便清除冰雪.

浇筑混凝土时，泵管用棉被包裹，降低砼的热量消损.经实测，混凝土泵送管出管温度为22.9 ℃(15:51)，23.1 ℃(15:55)，23.4 ℃(15:57)；平均值23.13 ℃.经实测，本承台浇筑完成时的温度为22.52 ℃.

1.4 混凝土养护

承台采用综合蓄热养护.混凝土浇筑完成后采用棉被进行保温覆盖并在棉被上方覆盖保温篷布，后用绳子捆绑固定.其中，覆盖两层被子，每层厚度为50 mm.在新浇筑混凝土表面先铺一层塑料薄膜，承台顶面需搭设支架后再覆盖棉被与保温篷布，如图2和图3所示.塑料薄膜起防水作用，篷布起到阻挡热量流失与遮挡雨雪作用.

图1 PM08左幅承台浇筑 图2 覆盖棉被 图3 覆盖篷布

此外，在大体积混凝土中放置两层冷凝管，冷凝管布置如图4所示.层间距为800 mm，冷凝管管间距为1 m，管径为27 mm.

2 数值分析

2.1 数值计算模型

基于有限元分析软件Midas FEA对13.9 m×10.1 m×3.5 m(长×宽×高)承台C40标号大体积混凝土浇筑施工并进行水化热数值计算分析.模型尺寸与实际情况PM08左幅承台尺寸一致.根据计算理论，模型取1/4进行计算，水化热模型如图5所示，其中所示模型分承台与下部地基两部分.地基土模型外围设置固定边界，全模型对称面设置对称边界.在承台模型外表面与地基土模型表面设置对流边界，对地基土设置强制温度边界.承台及下部地基土均选用弹性模型，具体材料属性见表1.

表1 材料参数

本数值模型设置的计算节点依据时间可分为：0.5 d、1 d、1.2 d、1.5 d、1.8 d、2 d、2.2 d、2.5 d、2.8 d、3 d、3.5 d、4 d、5 d、7 d、10 d、14 d、21 d、28 d、35 d、42 d.

图4 冷凝管布置示意图 图5 数值模型示意图

2.2 数值计算结果分析

不同期龄下承台温度场分部情况如图6所示.由图6可知，浇筑完成1 d后承台内部最高温度为48.4 ℃，与表面温度差值为12.6 ℃；浇筑完成2 d后承台内部最高温度为59.1 ℃，与表面温度差值为22.7 ℃；浇筑完成3 d后承台内部最高温度为59.6 ℃，与表面温度差值为24.7 ℃；浇筑完成7 d后承台内部最高温度为47.4 ℃，与表面温度差值为19.2 ℃；浇筑完成14 d后承台内部最高温度为36 ℃，与表面温度差值为13.1 ℃；浇筑完成21 d后承台内部最高温度为30.2 ℃，与表面温度差值为8.7 ℃；浇筑完成28 d后承台内部最高温度为27.9 ℃，与表面温度差值为6.5 ℃；浇筑完成42 d后承台内部最高温度为23.1 ℃，与表面温度差值为1.8 ℃.由上述结果可知，混凝土最大内外温差为24.7 ℃，出现在浇筑完成3 d时，未超过规范规定的25 ℃.

图6 不同期龄下承台温度场分部情况

混凝土温度测点布置如图7所示，共计8个测点.承台不同测点处的温度值监测曲线如图8所示.由图可知，在浇筑结束后，大体积混凝土迅速升温，在浇筑后2.5 d时，内部温度达到最大，内部温度最大值为60 ℃，位于2/7测点处.随后整体温度开始呈缓慢下降趋势，并在浇筑后14 d内实现温度快速冷却.

同时根据图8可知，上部测点降温速度显著大于下部测点.以同为对称测点的2/7测点与5/7测点为例，2/7测点在7至14 d时间范围内温度降幅为17 ℃，大于5/7测点在7至14天时间范围内的温度降幅值14.3 ℃，差值为2.7 ℃.同时浇筑14 d以后，混凝土水化放热产生的热量主要集聚在承台下部，这可能与底部地基土介质不利于导热，从而造成散热缓慢.施工过程中应充分关注承台下部混凝土温度，避免冬季施工条件下承台下部内外温度差较大造成的不利影响.

通过对现有数值计算结果分析，混凝土冬季施工养护期间，混凝土可实现其正常的水化反应路径，内部最高温度未超过本项目初步设定的65 ℃范围，同时混凝土内部最高温度与表面温度之差未大于25 ℃，满足施工要求，从而论证了冬季施工大体积混凝土养护技术的有效性，可为雄安地区同类项目提供参考和借鉴.

图7 测点布置图 图8 不同测点水化放热温度变化曲线

3 结论

针对冬季施工大体积混凝土浇筑易受天气影响产生病害问题，本文以雄东管廊项目N9主路PM08号左幅承台浇筑为背景提出雄安新区大体积混凝土冬施养护技术，并开展冬施养护技术条件下大体积混凝土浇筑水化放热数值计算，并分析了雄安新区冬施养护技术条件下的大体积混凝土温度场，得出以下结论：

1) 提出适合雄安新区大体积混凝土浇筑冬施养护技术：控制入模温度为23 ℃左右，并覆盖2层5 cm厚棉被和一层篷布，大体积混凝土内部设置冷凝管.

2) 本雄安新区大体积混凝土浇筑冬施养护技术环境下，尺寸13.9 m×10.1 m×3.5 m承台水化热计算结果为内部最大温度60 ℃(发生在2.5 d时)；内外温差最大24.7 ℃，满足养护要求.

3) 水化温度到达峰值后一段时间内，上部测点降温速度显著大于下部测点.施工过程中应充分关注承台下部混凝土温度，避免冬季施工条件下承台下部内外温度差较大而造成的不利影响.

致谢：

感谢中建八局雄东管廊项目总工程师刘晓飞、技术负责人韦浩、专业工程师贺昭瑞、见习生赵鑫磊等技术人员对本研究工作给予的帮助与支持.