朝陽大橋主墩承臺大體積混凝土溫控過程

吳志卿

（紅谷灘園林建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西南昌 330038）

朝陽大橋主墩承臺大體積混凝土溫控過程

吳志卿

（紅谷灘園林建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西南昌 330038）

大體積混凝土有害裂縫產(chǎn)生的主因是混凝土中膠凝材料水化熱快速升高引起的溫差應(yīng)力與混凝土本身強度增長慢之間矛盾發(fā)展的直接結(jié)果。提前采取措施控制大體積混凝土的內(nèi)、外溫度及內(nèi)外溫差能有效預(yù)控大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生,是混凝土質(zhì)量控制的重點。

主墩承臺；大體積混凝土；溫控；水化熱；裂縫

根據(jù)規(guī)定,混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土,或預(yù)計會因混凝土溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土,稱之為大體積混凝土[1]。大體積混凝土的施工特點：結(jié)構(gòu)體積大,工程條件復(fù)雜,施工技術(shù)要求高,水泥水化熱較大(預(yù)計超過25℃),易使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生溫度變形。除了最小斷面和內(nèi)外溫度有一定的規(guī)定外,大體積混凝土對平面尺寸也有一定限制。因為平面尺寸過大,約束作用所產(chǎn)生的溫度力也愈大,如采取控制溫度措施不當(dāng),溫度應(yīng)力超過混凝土所能承受的拉力極限值時,則易產(chǎn)生裂縫[2]。

南昌朝陽大橋工程通航孔主塔共含有6個主墩承臺,承臺高6.5 m,為六角形結(jié)構(gòu),圓弧包角,平面尺寸為寬18 m、長30 m,混凝土方量2 775 m3,混凝土強度C40。因此,朝陽大橋通航孔主墩承臺混凝土屬于大體積混凝土。下文擬以朝陽大橋主墩承臺大體積混凝土溫控實踐為例,對采取溫控措施預(yù)防、控制此類大體積混凝土裂縫產(chǎn)生進(jìn)行分析。

1 溫控措施

1.1 澆筑分層的確定

為降低混凝土內(nèi)部溫升值,宜盡量多分層澆筑,但同時必須考慮分層對結(jié)構(gòu)受力的不利影響,以及對施工便利性及進(jìn)度的影響。綜合以上因素,將承臺厚度分為2層,分層厚度為：3 m+3.5 m,第1次澆筑方量約為1 285 m3,第2次澆筑方量為1 490 m3。

1.2 混凝土原材料和拌合溫度控制

為減少單位水泥用量,降低水化熱,延長混凝土初凝時間,承臺混凝土原材料必須作好原材挑選和原材的預(yù)控技術(shù)措施。水泥擬選用P.S 42.5的礦渣硅酸鹽水泥,以降低初期水化熱。拌合時水泥溫度不得過高,以免影響混凝土拌和物的攪拌溫度。采用外加劑以減少水泥用量,從而為降低承臺混凝土的溫升開創(chuàng)條件。外摻劑的加入主要以考慮增強內(nèi)部密實度、控制水泥水化熱、降低溫度和溫差為主。在承臺混凝土的級配中要盡量減少水泥用量,除了選擇骨料和緩凝減水劑等能減少水泥用量之外,在保證混凝土抗壓強度和坍落度的同時,還可以摻加適量的粉煤灰和礦粉來降低水泥用量和水化熱?；炷涟柚朴盟捎玫叵滤?選擇的拌合站地下水溫度控制在20°以下;當(dāng)氣溫較高時,混凝土拌合前對水加入冰塊以降溫[3]。

1.3 承臺混凝土配合比

承臺混凝土配合比設(shè)計原則如下：1)在保證混凝土強度和坍落度的前提下,降低水泥用量,采用早期水化熱低的礦渣水泥和優(yōu)質(zhì)摻合料,減小水灰比;加大骨料粒徑,增加碎石用量,采用低含泥量的砂、碎石材料(控制含泥量1%以內(nèi)),改善骨料級配;合理使用外加劑。2)承臺混凝土配合比中根據(jù)施工要求及控制溫度峰值等要求摻加外加劑。外加劑的摻量應(yīng)嚴(yán)格控制計量,少摻和過量均對工程混凝土不利。3)控制坍落度?，F(xiàn)場承臺混凝土澆筑施工采用泵送方式,要求坍落度為16～18 cm。4)混凝土應(yīng)是低收縮率的,實驗室內(nèi)試件收縮率一般以2×10-4～4×10-4作為控制目標(biāo)。經(jīng)過綜合比選：承臺混凝土初步配合比為礦渣水泥(P.S 42.5)：砂：碎石：水：粉煤灰：外加劑(LCX-9)=315：668：1137：160：120：4.35。

1.4 冷卻水管

為控制混凝土在澆筑、養(yǎng)護(hù)過程中水化熱,采取在混凝土體內(nèi)布置冷卻水管。通過混凝土水泥水化熱的發(fā)生量和布置冷卻水管的散熱量進(jìn)行冷卻水管布置和安裝的計算[4]。冷卻水管采用熱傳導(dǎo)性能好,并具備一定強度的黑鐵管,規(guī)格D50×2.5 mm。

冷卻水管布置：高度方向間距不大于1.0 m,承臺底面一層水管距承臺底0.75 m,頂面1.0 m；平面方向間距1.5 m,距承臺側(cè)邊線0.75 m。冷卻水管連接采用螺紋對接。

2 混凝土溫度及控制裂縫計算

2.1 混凝土內(nèi)部的最高溫度計算

混凝土內(nèi)部的最高溫度按式(1)計算：

式中：Tmax為混凝土內(nèi)部最高溫度；T0為混凝土澆筑時溫度,取30℃；T（t）為混凝土理想絕熱狀態(tài)下不同齡期的溫升值；ξ為與混凝土澆筑厚度、齡期和絕熱溫升有關(guān)的系數(shù),查表得3 d為0.68;Mc為每立方米混凝土水泥用量；Q為每千克水泥水化熱量,查表得P. S425水泥為335 J/kg；C為混凝土的比熱,一般取0.96 kJ/kg×k；ρ為混凝土的密度,取2 400 kg/m3；t為混凝土的齡期,取3 d；m為混凝土的比表面積、澆筑溫度系數(shù)。根據(jù)本工程承臺施工在夏季的情況,混凝土澆筑溫度取較高值30℃,查表得3 d的1-e-mt= 0.704。

根據(jù)施工經(jīng)驗和查閱相關(guān)資料[5],大體積混凝土內(nèi)部溫升值在澆筑后3 d最高,即：T（3）=McQ(1-e-mt)/ (Cρ)=315×335×0.704/(0.96×2 400)=32.2℃。則計算的混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax=T0+T（t）×ξ=30+32.2×0.68= 51.9℃,小于規(guī)范規(guī)定的最高不得超過75℃,符合要求。

2.2 混凝土的溫度裂縫控制計算

2.2.1 自約束裂縫控制計算(表面裂縫)

混凝土澆筑初期,內(nèi)部的溫度在升高,但混凝土表面的溫度可能因為外界溫度降低而急劇降低,引起混凝土表面收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)表面裂縫[6-7]。由溫差產(chǎn)生的表面最大拉應(yīng)力由式(3)計算：

式中：σmax為混凝土最大拉應(yīng)力；E（t）為混凝土不同齡期的彈性模量,E（t）=Ec(1-e-0.09t),Ec為最終彈模,查表得3.25×104MPa;α為混凝土熱膨脹系數(shù),查表取1×10-5;△T1為混凝土中心與表面的溫差,取51.9-30=21.9℃(采取蓄 30℃溫水養(yǎng)護(hù));υ為混凝土的泊松比,取0.175。

根據(jù)施工經(jīng)驗,大體積混凝土內(nèi)部溫升值在澆筑后3 d最高,其內(nèi)外溫差最大,則最大拉應(yīng)力：

σmax=(2/3)×E（t）α△T1/(1-υ)=(2/3)×3.25×104×(1-e-0.09×3)×1×10-5×21.9/(1-0.175)=1.36 MPa。

承臺混凝土設(shè)計強度等級為 C40,混凝土劈裂抗拉強度參考值按經(jīng)驗取值,見表1。

表1 承臺混凝土劈裂抗拉強度參考值 MPa

查表得C40混凝土3 d的劈裂抗拉強度經(jīng)驗值為1.4 MPa,大于最大溫度應(yīng)力1.36 MPa,混凝土表面不會出現(xiàn)溫度裂縫,但安全系數(shù)很小。

上述混凝土的最大內(nèi)部溫度計算是在沒有冷卻水循環(huán)的情況下得出,實際施工時采取冷卻水循環(huán),特別在混凝土澆筑后的2～3 d必須加強冷卻水循環(huán)和蓄水保溫,降低混凝土內(nèi)外溫差,確?；炷敛怀霈F(xiàn)表面裂縫。

2.2.2 外約束內(nèi)部裂縫控制計算(貫穿裂縫)

混凝土澆筑初期,其溫度升高較快,一般在澆筑后3 d最高,混凝土體積膨脹,其后為降溫過程,混凝土體積收縮,但因基礎(chǔ)的約束,在新澆筑混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的劈裂抗拉強度時,引起混凝土開裂,甚至產(chǎn)生貫穿裂縫。混凝土溫度收縮應(yīng)力可按式4計算：

式中：σmax為混凝土最大拉應(yīng)力；E（t）為混凝土不同齡期的彈性模量,E（t）=Ec(1-e-0.09t),Ec為最終彈模,查表得3.25×104MPa;α為混凝土熱膨脹系數(shù),查表取1× 10-5；△T為混凝土中心與表面的綜合溫差;υ混凝土的泊松比,取0.175;S（t）為考慮徐變影響的松弛系數(shù),按3 d齡期查表取0.186,按7 d查表得0.21;R為考慮混凝土的外約束系數(shù),按混凝土地基取1.0。

1)3 d的最大外約束拉應(yīng)力

混凝土3 d的溫升值最大,按照外界最低溫度15℃計算,有溫差51.9-15=36.9℃。查表得C40混凝土3 d的劈裂抗拉強度經(jīng)驗值為1.4 MPa,大于最大溫度收縮應(yīng)力0.64 MPa,安全系數(shù)為2.19,混凝土不會出現(xiàn)溫度裂縫。

2)7 d的最大外約束拉應(yīng)力

混凝土7 d的溫升值已經(jīng)較低,按照施工時期外界最低溫度15℃計算,為偏于安全計取3 d時的溫差51.9-15=36.9℃。

查表得C40混凝土7 d的劈裂抗拉強度經(jīng)驗值為2.4 MPa,大于最大溫度收縮應(yīng)力1.43 MPa,安全系數(shù)為1.68,混凝土不會出現(xiàn)溫度裂縫。

3)27 d的最大外約束拉應(yīng)力

混凝土內(nèi)部溫度在3 d后已經(jīng)處于溫度下降過程,其27 d后的混凝土內(nèi)部溫度基本與外部相同,其綜合溫差已經(jīng)很少,主要受外部氣溫的突降或突升影響,按外部溫差突變15℃考慮。查表得C40混凝土27 d的劈裂抗拉強度經(jīng)驗值為3.5 MPa,＞27 d最大溫度收縮應(yīng)力3.07 MPa,安全系數(shù)為1.14,混凝土不會出現(xiàn)溫度裂縫[8]。

3 溫度監(jiān)測與控制

3.1 混凝土測溫及溫差控制

在承臺澆筑和養(yǎng)護(hù)期間,必須對混凝土體內(nèi)的水化熱發(fā)生的情況進(jìn)行詳細(xì)地了解,并計算分析混凝土收縮應(yīng)力是否大于混凝土抗拉應(yīng)力造成裂縫,經(jīng)過前面第2.2節(jié)計算,在一定的溫控條件下,混凝土溫升值和溫度應(yīng)力不會造成混凝土裂縫。現(xiàn)場可以根據(jù)混凝土的溫度變化情況及時調(diào)整冷卻水管水流量及養(yǎng)護(hù)條件,使混凝土內(nèi)表溫差≤20℃,平均降溫速率≤2℃/24 h。

通過混凝土內(nèi)部測溫對冷卻管循環(huán)水進(jìn)行控制,通水過程中要對水管流量、進(jìn)出口水溫度、測溫傳感器溫度每隔1～2 h進(jìn)行一次測量,以測溫結(jié)果作為冷卻水管施工效果的判別,若不滿足設(shè)計要求,則調(diào)整進(jìn)水口的流量和水溫,以滿足降溫要求。

3.2 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)橋規(guī)規(guī)定,并結(jié)合現(xiàn)場情況及以往經(jīng)驗,提出以下溫控標(biāo)準(zhǔn)：混凝土的澆筑溫度應(yīng)小于T+4℃(T為澆筑期旬平均氣溫);混凝土的上下層溫差應(yīng)＜20℃;混凝土的內(nèi)部最高溫度應(yīng)＜75℃,內(nèi)表溫差應(yīng)＜25℃。

3.3 混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)應(yīng)注意以下幾個方面：1)澆筑承臺大體積混凝土?xí)r,宜選擇在氣溫較低的情況下進(jìn)行,以便降低入模溫度;且在夜間開始進(jìn)行施工較為合適。2)嚴(yán)格控制各測溫點與混凝土體表溫差在25℃以下,大氣溫度發(fā)生陡降時,混凝土表面應(yīng)采取保溫措施。3)加強振搗,以獲得密實的混凝土,來提高密實度和抗拉強度;澆筑后,及時排除表面積水,進(jìn)行二次抹面,防止早期收縮裂縫的出現(xiàn)。4)混凝土表面采用蓄水養(yǎng)護(hù),以減小內(nèi)表溫差。5)為了達(dá)到保溫、養(yǎng)護(hù)目的,混凝土表面首先應(yīng)采取灑水(或蓄水)養(yǎng)護(hù),待混凝土終凝后,采取承臺內(nèi)蓄淡水進(jìn)行保溫,防止混凝土出現(xiàn)裂縫。

4 案例分析

以朝陽大橋20#主墩承臺溫度監(jiān)控為例。朝陽大橋主橋20＃承臺于7月21日凌晨開始澆筑,21日早上8點左右澆筑完成,在澆筑前為了監(jiān)測溫度水化熱共布置了20個溫度測點。測點5、測點6、測點8的溫度變化曲線見圖1。

圖1 測點5、測點6、測點8的溫度變化曲線

從測量結(jié)果來看,最大溫度出現(xiàn)在混凝土澆完后的第2天,即7月21日,溫度最高點為21日20：04時測點6處溫度監(jiān)測值80.9℃,測點8及測點5溫度最高點分別為74.4℃、74.6℃,出現(xiàn)時間分別為21日的18：44及14：12,通過采取對冷卻水加冰塊的方式進(jìn)一步降低水化熱溫度。朝陽大橋20#承臺在澆筑完成后,對混凝土面進(jìn)行巡視,未發(fā)現(xiàn)有裂縫發(fā)生。混凝土溫控過程達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語

綜上可見,大體積混凝土內(nèi)外溫差是大體積混凝土質(zhì)量控制的重點。通過加強對混凝土施工工藝、混凝土原材料、混凝土配合比設(shè)計和混凝土澆筑過程降溫措施管理能夠有效阻止和預(yù)防大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生。

[1] GB50496-2009,大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[2] 倪平安.大體積混凝土施工過程中質(zhì)量控制[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2010(10)：31-35.

[3] 魏偉.淺談橋梁承臺大體積混凝土溫控技術(shù)[J].江西建材,2014(6)：135-136.

[4] 趙江波.高層建筑施工技術(shù)創(chuàng)新分析與研究[J].城市建筑,2013(1)：47-50.

[5] 葉琳昌,沈義.大體積混凝土施工[M].北京：中國建筑出版社,1987. [6] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑出版社,1997.

[7] 王鐵夢.建筑物的裂縫控制[M].上海：上?？萍汲霭嫔?1987.

[8] 江正榮.建筑施工計算手冊[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

Introduction to Chaoyang Bridge Main Pier Pile Caps with Mass Concrete Temperature Control Process

WU Zhiqing

(Honggutan Landscape Construction Group Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330038,China)

Harmful cracks of mass concrete are mainly due to conflict between rapid hydration heat rising of binding material in concrete and slow rise of concrete strength itself.Take steps to control inner and outer temperature of mass concrete,and temperature difference between inside and outside can precontrol the generation of mass concrete cracks effectively.These are main points of concrete quality control.

main pier pile cap;mass concrete;temperature control;hydration heat;cracks

TU755;U443.2

B

1004-4345(2014)05-0072-04

2014-09-12

吳志卿(1978—),男,工程師,主要從事市政工程現(xiàn)場施工工作。