一种桥墩大体积混凝土外部控温方法与流程

本发明涉及桥墩施工技术领域，特别涉及一种桥墩大体积混凝土外部控温方法。

背景技术：

混凝土是将砂、石、水泥与水混合搅拌制得的一种复合材料，早期具有较好的流动性，可以在模板内浇筑成为任意形状，凝结硬化后又具有较高的抗压强度，故广泛应用于土木工程领域，尤其是桥梁工程建设中，是目前世界上用量最大的工程材料。混凝土具有早期流动性和后期高强度的主要原因在于水泥与水发生的水化反应。水泥的水化反应是一个放热反应，整个反应过程中都在不断的释放出热量，以目前桥梁工程混凝土中用量最大的p·o42.5型水泥为例，经过对某铁路工程桥墩施工实测可知：水泥3d时水化反应放热量为287j/g，7d时达到了348j/g。而水泥在生产混凝土时的用量是比较大的，桥梁工程建设中经常达到300kg/m3以上，在以混凝土用量较多，截面尺寸较大，体型厚大为典型特征的大体积混凝土构件中水泥水化反应产生的放热量是相当巨大的。混凝土材料本身是热的不良导体，大体积混凝土构件内部短时间积聚起来的大量热量是无法迅速传导到周围大气环境中的，这就导致了大体积混凝土内部核心区域温度快速升高。大量工程实践表明，如不采取任何技术措施，桥梁工程中的桥墩墩身混凝土内部核心区域最高温度可达70～80℃。而相对内部核心区域，由于混凝土表面部位热量易于传导到周围大气环境中，所以混凝土表面部位温度一般不会高于周围环境大气温度过多，这就使得大体积混凝土构件具有了较为明显的内外温度差。基于简单的“热胀冷缩”原理，大体积混凝土内部温度较高，相对于表面将发生体积膨胀，而表面温度较低，相对内部将体积收缩，这将在混凝土内部产生一种类似于由内向外横向拉扯混凝土的“力量”，这种“力量”大多出现在混凝土施工阶段的早期，此时混凝土的强度较低，故混凝土极易被此种“力量”拉裂，形成表面可见、横向贯穿的贯穿性温度裂缝，此即为大体积混凝土裂缝。大体积混凝土裂缝贯穿混凝土整个截面，将导致混凝土强度严重下降，钢筋外露锈蚀等一系列严重后果，具有极大的危害性，故在工程上是严格禁止出现的。国家标准《大体积混凝土施工规范》gb50496-2009中明确规定了避免大体积混凝土裂缝出现的技术要求。其2.1.1条首先对大体积混凝土进行了如下定义：“混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土”。据此国标条文，我国绝大多数在建桥梁工程的桥墩墩身混凝土均属大体积混凝土，且我国桥墩造型尤其是铁路桥墩造型均较为规则，截面形状多为双曲型，各项几何参数尺寸较为接近，具有明显的一致性。

国家标准《大体积混凝土施工规范》gb50496-2009第3.0.4规定：“混凝土浇筑块体的里表温度差不宜大于25℃，混凝土浇筑体表面与大气温差不宜大于20℃”。由此可知，降低大体积混凝土内部与表面以及表面与大气之间的温度差，使其均不超过国家标准中规定的限值，是避免大体积混凝土裂缝出现的技术要求。中国专利文献cn201620988283.x《一种大体积混凝土降温装置》提出了一种降低大体积混凝土温度差，避免裂缝出现的降温装置。包括浇筑混凝土之前预先布设在大体积混凝土结构内部的冷却水管、循环泵、水箱、混凝土温度传感器、接触器、续流二极管、三极管和微处理器等。大体积混凝土浇筑后，向冷却水管中注入冷却水，实时检测进水口和出水口的温度值，并输入给微处理器，微处理器根据各点温度值的比较，通过三极管控制接触器线圈的通断电，进而控制接触器主触点的通断，控制循环冷却水流量，使混凝土内部核心区域得以降温，满足国家标准中关于“里表温度差不宜大于25℃”的要求，以期实现避免裂缝产生的目的。

但是，该施工方法仍然存在以下不足：

一、成本高。冷却水管在浇筑混凝土前即需预埋于构件内部，施工完毕后即固化在混凝土中，无法取出，并对结构后期无任何有利作用，属典型的一次性投入，投入产出比低，技术经济效果差。冷却水管多采用异型钢管制作，目前暂无通用型号，均需提前定制，现场二次加工后安装，使用结束后还需再进行防锈处理，材料、人工成本投入较大。大体积混凝土体型普遍厚大，为满足规范要求的降温效果，必须保证足够的冷却水循环距离，需在内部核心区域加密布管，所以工程总用管量较大。现场还需同时设置水箱、循环泵等配套设施，这些均大大增加了工程造价。

二、冬期施工效果不佳。当环境温度较低，尤其是在北方地区冬期施工或高寒地区施工时，混凝土周围大气环境温度通常降至负温。而内部预埋冷却水管只能降低混凝土内部与表面之间温差，对于降低混凝土表面与大气温差没有任何效果。当周围环境温度低至一定程度，混凝土表面与大气温差仍会超过国家标准要求的20℃，从而产生裂缝，故该方法存在一定的技术局限性。

三、难度高、工期长。混凝土构件内部均预先安装有大量钢筋，钢筋相互绑扎形成密集的钢筋骨架，由于结构受力要求，钢筋位置不能发生改变，冷却水管只能穿插布置于钢筋骨架的间隙部位。设计、安装难度均较高，且只能与钢筋绑扎并行施工，彼此制约进度。统计数据表明，采用此种方法至少延长总工期的三分之一。冷却水通入水管后，根据各点实时温度，对冷却水流量同步控制，算法难度较大，技术要求较高。控温结束后，需立即对冷却水管进行防锈处理，处理不慎将会很快发生锈蚀，严重影响混凝土质量，甚至危及结构安全。

四、降低混凝土强度。混凝土作为目前最常见的结构材料，主要目的就是承受荷载，保证结构安全，所以强度是混凝土最为重要的技术指标。混凝土的强度主要取决于内部水泥硬化后的强度，而温度对于水泥强度有直接影响，温度越高，水泥强度越高，混凝土强度就越高。通过冷却水在冷却水管内的循环流动，虽可将内部水泥水化热量带出混凝土，实现降低混凝土内外温度差的目的，但实际上也很大程度地降低了混凝土内部的温度，水泥硬化强度下降，混凝土的实际强度相较不采用该方法时存在损失。而且内部预埋冷却水管又造成了混凝土内部孔隙率增加，密实度下降，混凝土的实际强度存在进一步的损失。

综上所述，采用预埋冷却水管循环降温的方法虽然具有一定的抑制大体积混凝土裂缝出现的效果，但仍存在成本高、难度大、应用受限、强度损失等有待改善之处。因此，研究一种更为经济可行、技术经济效果良好的大体积混凝土控温方法具有迫切的现实意义。

技术实现要素：

本发明提供一种桥墩大体积混凝土外部控温方法，可以解决现有技术中的上述问题。

本发明提供了一种桥墩大体积混凝土外部控温方法，包括以下步骤：

步骤a、预埋混凝土温度传感器：浇筑混凝土前，在桥墩大体积混凝土内部预埋多个混凝土温度传感器，竖向剖面上的周边及内部的测温点对称设置；竖向剖面中部的测温点设置在中部偏下部位；混凝土浇筑前，检测各混凝土温度传感器确保工作正常，各混凝土温度传感器外露接线头用塑料袋严密包扎，防止浇筑时被混凝土污染、损坏；

步骤b、检查对拉螺栓长度：混凝土浇筑前，检查用于固定钢模板的对拉螺栓的长度，确保对拉螺栓的外露长度满足后期防水帆布的固定要求；

步骤c、固定防水硅胶加热带：混凝土浇筑完成，钢模板拆除后，通过耐温防水胶带将防水硅胶加热带按150mm～200mm的间距斜向缠绕固定在桥墩大体积混凝土的外表面，防水硅胶加热带的电源线引出后，通电检测确保防水硅胶加热带工作正常；

步骤d、固定防水帆布：在桥墩大体积混凝土根部间隔黏贴三道自粘型硅胶防水密封条，形成三道硅胶防水密封圈，将防水帆布套在桥墩大体积混凝土外侧，在桥墩大体积混凝土根部用多道绑绳将防水帆布在硅胶防水密封圈对应位置处系紧，防水帆布底部多余部分折叠后系于绑绳内，以防渗漏；

在桥墩大体积混凝土上的对拉螺栓内侧均拧上硅胶防水螺母，然后在对拉螺栓上再依次套上内径稍大于对拉螺栓直径的凸形硅胶密封垫圈和防水帆布上的金属环预留孔，将凸形硅胶密封垫圈的凸头压入金属环预留孔内，再在对拉螺栓上金属环预留孔的外侧用一防水螺栓拧紧，为防止松动，外部再上一道普通螺栓拧紧加固；每一对拉螺栓均按此步骤操作，防水帆布固定后，确保桥墩大体积混凝土外表面至防水帆布的距离为100mm～150mm；

步骤e、向防水帆布与桥墩大体积混凝土之间注入洁净清水：先向防水帆布内注入少量洁净清水，查验防水帆布是否渗漏，如有渗漏，立即处理；如无渗漏，继续通水直至桥墩顶部高度，然后将一个水温传感器放入水中，沉至桥墩中部高度，测温线引出后接入可编程逻辑控制器plc，用以检测水温；桥墩大体积混凝土附近设置一个环境温度传感器，环境温度传感器的测温线接入可编程逻辑控制器plc，用于检测周围环境温度；

步骤f、桥墩大体积混凝土表面水温的自动控制：防水硅胶加热带的电源线通过继电器连接可编程逻辑控制器plc，启动可编程逻辑控制器plc，检查各混凝土温度传感器、水温传感器及环境温度传感器的数据采集是否正常，继电器通断是否正常，检查无误后，运行预先按pid控制算法编写的梯形图控制程序；该程序通过对混凝土内部的各混凝土温度传感器、水温传感器及环境温度传感器的实时温度数据采集，利用预先设定的pid控制算法，控制连接防水硅胶加热带的继电器通断，实现桥墩大体积混凝土表面水温的自动控制，进而控制混凝土表面温度，使得桥墩大体积混凝土内部与表面温差≤10℃，桥墩大体积混凝土表面温差与环境温差≤10℃，完成桥墩大体积混凝土表面温度的闭环控制过程；

步骤g、检查补水：检查水面情况，发现缺水，及时补充清水；

步骤h、设备周转：当实测桥墩大体积混凝土内部与表面温差及表面温差与环境温差均≤10℃时，拆除组件，移至下一桥墩大体积混凝土。

进一步地，所述步骤d中的防水帆布为pvc防水帆布。

进一步地，所述多个混凝土温度传感器、多个水温传感器和环境温度传感器均为pt100型热电阻温度传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明所述方法颠覆了传统的大体积混凝土内部降温的控温思路，变内部降温为外部控制升温。同样起到了降低混凝土内外温差，避免温度裂缝产生的目的。而且，本发明所述方法通过使大体积混凝土表面温度控制升高，实现了混凝土内部全截面的整体温度提升，混凝土温度升高，水泥强度增长更快，即使是为了降低成本，采用了的大量掺混合材料的通用水泥拌制混凝土，混凝土强度仍将得到提高。通过使桥墩混凝土表面与水一直接触，基于水泥的水硬性胶凝特性，混凝土也将获得比暴露于空气中更高的强度。上述的保温保湿情况将使混凝土强度增长获得类似于“蒸汽养护”的理想效果，接近混凝土强度增长的理论最优值。而且，由于取消了冷却水管，混凝土内部不再有较大的孔隙率，混凝土将更加密实，强度又将进一步提高。综上所述，本发明所述方法可使桥墩大体积混凝土强度得到较大程度的提高。

2、本发明所述方法不需预埋冷却水管，桥墩混凝土正常施工即可，对工期无影响。混凝土温度控制过程均由可编程逻辑控制器plc自动完成，操作过程简单，难度低，控制效率较高，效果明显。

3、本发明所述方法保证了桥墩混凝土在强度增长最为关键的早期不受环境温、湿度影响，保证了任何环境条件下桥墩混凝土大部分强度及时增长完成，使其具备了足够的强度抵抗后期环境各种影响，从而使在极端负温条件下正常施工桥墩混凝土具备了技术可行性，北方地区冬期不再“窝工”，高寒地区也可快速施工混凝土桥墩，具有极高的社会、经济意义。本发明所述方法同样也适用于沙漠地区等极端干燥环境混凝土桥墩施工，保证混凝土早期不失水，强度不发生降低，故本发明所述方法具有极其广泛的适用范围。

4、本发明所述桥墩大体积混凝土外部控温方法无需预埋冷却水管，现场也不需要设置水箱、循环泵等配套设备。且基于我国桥墩尤其是铁路桥墩造型较为规则，多为双曲型，几何尺寸较为固定的特点，本发明所述防水帆布等组件均可重复使用，大大降低了工程造价。本发明所述方法在单个桥墩上的操作时间大致等同于单个桥墩的建设时间，实际工程中，当大批量桥墩工程施工时，采用本发明所述方法可以实现连续周转作业，一次投入，流水操作，具有较高的技术经济价值。

附图说明

图1为发明提供的一种桥墩大体积混凝土外部控温方法的流程示意图。

图2为发明提供的一种桥墩大体积混凝土内部多个混凝土温度传感器分布的示意图。

图3为发明提供的一种桥墩大体积混凝土外侧设置防水硅胶加热带及防水帆布的结构示意图。

图4为发明提供的一种桥墩大体积混凝土外部控温方法的电路控制原理框图。

附图标记说明：

1-对拉螺栓，2-防水帆布，3-防水硅胶加热带，4-混凝土温度传感器，5-可编程逻辑控制器plc，6-水温传感器，7-环境温度传感器，8-继电器。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明实施例提供的一种桥墩大体积混凝土外部控温方法，包括以下步骤：

(1)预埋混凝土温度传感器。浇筑混凝土前，按国家标准《大体积混凝土施工规范》gb50496-2009要求，如图2所示，在桥墩大体积混凝土内部预埋多个混凝土温度传感器，本发明预埋混凝土温度传感器，利用胶纸将混凝土温度传感器根部测温线固定在钢筋上，注意使混凝土温度传感器外伸并不得接触钢筋，测温线走线遇绑丝等尖锐物处，需包扎胶纸，防止测温线破损，影响测量。测温点的布置按照国家标准《混凝土结构工程施工规范》gb50066-2011中8.7.4条文规定：“竖向剖面上的周边及内部测温点宜上下、左右对齐；每个竖向位置设置的测温点不应少于3处，竖向剖面的中部区域应设置测温点，竖向剖面周边测温点应布置在基础表面内40mm～80mm位置，间距不宜大于

1.0m，每个横向设置的测温点不应少于4处，间距不应大于10m”。为保证准确测量混凝土内部核心区域最高温度，本发明提出竖向剖面的中部区域测量点应设置在中部稍偏下部位，而不是设置在竖向剖面的几何中心高度，这是因为桥墩大体积混凝土根部埋置于基础土层中，热量传导相较于直接暴露于空气中的顶部困难，所以混凝土内部最高温度点往往出现在竖向剖面的中部偏下高度。混凝土浇筑前，务必检测各混凝土温度传感器是否信号正常，检测无误后，混凝土温度传感器外露接线头用塑料袋严密包扎，防止被混凝土污染、损坏。

(2)检查对拉螺栓1长度。我国桥梁尤其是铁路工程桥梁墩身造型均较为规则，截面形状多为双曲型，各项几何参数尺寸较为接近。故多采用定型钢模板支模，固定钢模板所用的对拉螺栓1位置基本固定。本发明所述大体积混凝土桥墩外部控温蓄水所用的pvc防水帆布即通过对拉螺栓1穿过两侧预留孔后拧紧防水螺母固定。故混凝土浇筑前，应检查对拉螺栓1长度，如遇对拉螺栓1外露长度过短，应提前更换，外露长度应满足防水帆布2的固定要求。

(3)固定防水硅胶加热带。如图3所示，本发明所述方法无需在混凝土浇筑前预埋冷却水管等组件，钢筋、模板和混凝土各工序正常施工即可。模板拆除应选择在风速较低、气温较高时进行。拆模后，将本发明所述为外部控温水加热所用的防水硅胶加热带3按一定间隔斜向缠绕后固定于桥墩混凝土外表面，电源线引出后，通电检测确保工作正常。

(4)固定防水帆布2。将3道硅胶防水圈按200mm间隔套于桥墩大体积混凝土根部。然后将本发明所述pvc防水帆布2套至桥墩大体积混凝土根部，利用3道绑绳在防水硅胶圈位置处分别系紧，紧密程度以使每道硅胶圈均发生挤压弹性变形为准，防水帆布2底部多余部分折叠后系于绑绳内，注意上下两道绑绳折叠部位应错开，以防渗漏。

将防水螺母在对拉螺栓1上反向拧紧，务必使硅胶垫圈朝外，然后将预埋对拉螺栓1按桥墩大体积混凝土根部向上的顺序依次穿过防水帆布2对应预留孔，再将一防水硅胶垫圈套入对拉螺栓1推至预留孔位置，外部用一防水螺栓拧紧，为防止松动，外部再上一道普通螺栓拧紧加固。每一对拉螺栓1均按此步骤操作。防水帆布2固定后，以混凝土外表面至帆布距离150mm～200mm为宜。

(5)向防水帆布2与桥墩大体积混凝土之间注入洁净清水。先注入少量洁净清水，水质要求应满足国家标准jgj63-2006《混凝土用水标准》的要求，查验防水帆布2底部是否渗漏，如有渗漏，立即处理。如无渗漏，继续通水直至桥墩顶部高度，然后将1个水温传感器放入水中，沉至桥墩中部高度，测温线引出后接入可编程逻辑控制器plc，用以检测水温。桥墩附近设置1环境温度传感器，测温线接入可编程逻辑控制器plc，用于检测气温。

(6)可编程逻辑控制器plc自动控制。启动可编程逻辑控制器plc，检查各混凝土温度传感器、水温传感器和环境温度传感器数据采集是否正常，继电器8通断是否正常。检查无误后，运行预先按pid控制算法编写的梯形图控制程序。该程序通过对混凝土温度传感器4、多个水温传感器6和环境温度传感器7实时温度数据采集，利用预算设定的pid控制算法，控制连接防水硅胶加热带的继电器8通断，实现桥墩大体积混凝土表面水温的自动控制，进而控制桥墩大体积混凝土表面温度，完成桥墩大体积混凝土表面温度的闭环控制过程，确保桥墩大体积混凝土表面、中部、内部温度满足国家标准要求，避免桥墩大体积混凝土裂缝出现。

(7)检查补水。可编程逻辑控制器plc自动控制期间，不需要人为干预，仅需检查液面情况，如发现缺水，及时补充清水即可。

(8)操作结束。当实测混凝土内部与表面温差及表面与环境温差均≤10℃，即可认为不会产生大体积混凝土裂缝，本发明所述方法已实现技术目的。可排出防水帆布2内水分，依次拆除各组件，移至下一桥墩，重复本发明所述方法。

进一步地，所述步骤d中的防水帆布2为pvc防水帆布。

pvc防水帆布有pvc涂层，提供双重防水功能，降低渗漏可能性，使得防水帆布2强度高、耐磨性好，周转使用不易发生破坏。

进一步地，所述多个混凝土温度传感器、多个水温传感器和环境温度传感器均为pt100型热电阻温度传感器。

采用pt100型热电阻温度传感器，其工作稳定、精度较高，接口通讯技术较为成熟，且已在大体积混凝土温度测量中得到了广泛的应用，实践证明，其工作稳定、效果良好，其传感器接线引出后接入plc热电阻传感器接线端子。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。