橋梁工程大體積混凝土水化熱控制施工技術(shù)應(yīng)用研究

向 前

(山西晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司)

橋梁工程大體積混凝土水化熱控制施工技術(shù)應(yīng)用研究

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首先分析了大體積混凝土結(jié)構(gòu)中水泥水化熱對混凝土結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理，進(jìn)而分別在原材料質(zhì)量、配比設(shè)計(jì)以及現(xiàn)場施工管理等幾方面，詳細(xì)介紹了大體積混凝土工程施工管理技術(shù)。

橋梁工程;大體積混凝土;水化熱;施工技術(shù)

0 引言

當(dāng)今，大跨度的橋梁建設(shè)項(xiàng)目越來越多，橋梁混凝土結(jié)構(gòu)中承臺基礎(chǔ)以及結(jié)構(gòu)的截面尺寸也越發(fā)趨于體積大型化，大體積混凝土施工項(xiàng)目也越來越多。大體積混凝土施工過程中很容易由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)水化熱造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度變形以及溫度應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)開裂的發(fā)生。在混凝土施工技術(shù)規(guī)范中，明確要求需要將大體積混凝土水化熱造成的混凝土結(jié)構(gòu)溫差控制在25℃以內(nèi)。因此，這就要求在大體積混凝土工程施工過程中，必須采取必要的溫度控制措施，以控制水泥水化熱反應(yīng)造成的溫差問題。

1 水化熱對大體積混凝土結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理分析

(1)水化熱產(chǎn)生的原因分析。對于常用的硅酸鹽水泥而言，與水拌和后，要是四種主要熟料礦物與水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng):硅酸三鈣在常溫下的水化反應(yīng)3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3－x)Ca(OH)2)、硅酸二鈣的水化(2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2－x)Ca(OH)2)、鋁酸三鈣的水化(鋁酸三鈣先生成介穩(wěn)狀態(tài)的水化鋁酸鈣，最終轉(zhuǎn)化為水石榴石(C3AH6))、鐵相固溶體的水化，這些反應(yīng)均是放熱反應(yīng)，放熱量大小與水泥的細(xì)度以及水泥中所含礦物成分的比例有關(guān)。根據(jù)相關(guān)的調(diào)查研究資料表明，水泥的水化放熱量主要是在水泥混凝土施工早期的3～7 d完成，后期逐步的減少。對于大體積混凝土而言，會由于水化熱反應(yīng)造成混凝土內(nèi)部出現(xiàn)絕熱溫升問題，再加上混凝土本身的導(dǎo)熱性能較差，大量的熱量聚集在混凝土結(jié)構(gòu)物的內(nèi)部無法散失，若沒有相應(yīng)的人工輔助降溫措施，很容易造成混凝土中心的溫度升值接近絕熱溫升。

(2)大體積混凝土結(jié)構(gòu)水泥水化熱的特點(diǎn)分析。由于水泥在水化反應(yīng)過程中會釋放出一定的熱量，因此，混凝土中的水化熱是影響混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度應(yīng)力的關(guān)鍵因素。然而由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，表面直接與外界接觸，素以可以迅速散失熱量，但是內(nèi)部的熱量卻散失相對較為緩慢。這樣就容易造成表面由于水分散失與溫度下降出現(xiàn)溫縮與干縮現(xiàn)象，進(jìn)而并在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力，超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度以后就會造成混凝土開裂的發(fā)生。

(3)大體積混凝土結(jié)構(gòu)水化熱控制關(guān)鍵因素分析。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)公式，水泥水化熱的計(jì)算公式為

式中:τ為齡期，d;Q(τ)為對應(yīng)齡期的累積水化熱，KJ/jg;Q0為最終水化熱，KJ/jg;m為常數(shù)，對應(yīng)水泥的品種、比表面積以及澆筑溫度;

混凝土絕熱溫升計(jì)算公式:

式中:c為混凝土比熱，kj/(kg·℃);p為混凝土密度，kg/m3;F為摻合料用量，kg;K為折減系數(shù)。

從水化熱釋放以及絕熱溫升的計(jì)算中可以看出，在橋梁工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，影響到水泥水化熱控制效果的因素中，在材料方面的關(guān)鍵就是水泥品種、水泥用量、配合比設(shè)計(jì)情況等幾項(xiàng)內(nèi)容，因此在施工過程中應(yīng)該重點(diǎn)進(jìn)行控制管理。

2 大體積混凝土結(jié)構(gòu)工程施工材料的要求

在大體積混凝土水泥水化熱施工控制上，美國、前蘇聯(lián)以及日本等研究相對較早，在對大體積混凝土水化熱的控制上，也主要集中于大體積混凝土的設(shè)計(jì)、施工以及冷卻控制上，并提出了一系列的控制方法，諸如合理分縫分層澆筑塊、降低水泥用量、選擇使用低熱水泥、集料預(yù)冷以及大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場、溫度裂縫與溫度應(yīng)力計(jì)算分析等技術(shù)。我國對于大體積混凝土水化熱的施工研究，朱伯芳院士提出了水管冷卻仿真計(jì)算的復(fù)合算法，奠定了大體積混凝土施工水管冷卻的理論基礎(chǔ)，王鐵夢教授通過收縮預(yù)測公式，建議取消澆筑大體積混凝土?xí)r預(yù)留伸縮縫的做法，綜合國內(nèi)外研究成果，對于大體積混凝土施工水化熱的控制技術(shù)，總結(jié)分析具體施工處理技術(shù)集中在以下幾方面。

2.1 原材料

(1)水泥。水泥中鋁酸三鈣與硅酸三鈣的含量直接關(guān)系到水化熱的熱量，在水泥的選擇上應(yīng)當(dāng)盡量采用水化熱較低的水泥，可以選擇使用礦渣水泥或者是普通硅酸鹽水泥，并嚴(yán)格按照規(guī)范要求控制水泥細(xì)度;同時(shí)盡可能采用低堿含量、耐腐蝕性能較好的水泥品種。

(2)集料。用于橋梁工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工的集料應(yīng)當(dāng)選擇使用潔凈、質(zhì)地堅(jiān)固、級配合格、粒徑形狀好。其中控制粗骨料堆積空隙率不超過40%，壓碎值盡可能控制在12%以內(nèi)，吸水率不大于1%，避免采用有潛在活性物質(zhì)的粗集料。同時(shí)應(yīng)該確保粗骨料的最大公稱粒徑不宜超過保護(hù)層厚度的2/3，且不超過鋼筋最小凈距的3/4。確保粗細(xì)組成應(yīng)按連續(xù)密實(shí)級配要求，確定組成比例，以單位體積容重最大、空隙率最小、混凝土和易性最好作為集料質(zhì)量控制目標(biāo)。

(3)水。對于水質(zhì)要求，應(yīng)該按照《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求，重點(diǎn)控制水中氯離子含量在5 mg/cm以內(nèi)。

(4)外加劑。用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工的外摻劑必須嚴(yán)格按照《混凝土外加劑》中的相關(guān)技術(shù)要求進(jìn)行質(zhì)量控制，選定外加劑前，必須與所用水泥進(jìn)行化學(xué)成分和劑量適應(yīng)性檢驗(yàn)。

2.2 混凝土配比設(shè)計(jì)

對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)混凝土配比設(shè)計(jì)的主要原則就是應(yīng)限制混凝土中膠結(jié)材料的最低和最高用量，在滿足膠結(jié)材料最低用量前提下，盡可能降低硅酸鹽水泥用量。在具體的配比設(shè)計(jì)過程中，(1)應(yīng)當(dāng)注意控制適當(dāng)減小水泥的用量，在強(qiáng)度滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下降低水泥用量，或者是適當(dāng)?shù)牟捎脫郊臃勖夯业却胧﹣斫档退嘤昧?，降低水化熱的產(chǎn)生。(2)在混凝土級配的設(shè)計(jì)上，應(yīng)該注意對級配進(jìn)行優(yōu)化，在充分考慮泵送、抗裂性能等要求的基礎(chǔ)上，降低集料的空隙率減小膠凝材料的用量。(3)應(yīng)當(dāng)注意適量采用粉煤灰以及礦渣粉等混合材料來替代水泥，這樣既可以提高混凝土密實(shí)度，同時(shí)也有助于改善混凝土的水化熱效應(yīng)。(4)可以適當(dāng)采用緩凝劑、膨脹劑等外摻劑，通過延長混凝土凝結(jié)時(shí)間、延緩水泥水化作用以及在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)壓應(yīng)力，來降低混凝土的放熱速率，抵消溫差收縮應(yīng)力，進(jìn)而避免混凝土結(jié)構(gòu)開裂問題的發(fā)生。

3 大體積混凝土結(jié)構(gòu)的水泥水化熱現(xiàn)場施工控制

(1)循環(huán)冷卻水管的埋設(shè)。在橋梁工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，為了降低混凝土內(nèi)部的溫升，減小大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，一般需要在混凝固內(nèi)部埋設(shè)循環(huán)冷卻水管。循環(huán)冷卻水管一般選擇使用直徑Φ25 mm左右的薄壁鋼管，按照冷卻水由熱中心區(qū)流向邊區(qū)的原則，進(jìn)水管口設(shè)在近混凝土中心處，出水管口設(shè)在混凝土邊區(qū)處。在循環(huán)冷卻水管的埋設(shè)上，應(yīng)該設(shè)置有調(diào)節(jié)流量的水閥和測流量設(shè)備，同時(shí)在水管的安裝過程中，借助鋼筋骨架和支撐桁架固定牢靠，以防混凝土灌注時(shí)水管變形及脫落而發(fā)生堵水和漏水，在安裝結(jié)束以后必須進(jìn)行通水試驗(yàn)。一般是在每層循環(huán)水管被混凝土覆蓋并振搗完畢后進(jìn)行通水，流量一般控制在1.2～1.5 m3/h，重點(diǎn)控制進(jìn)、出水的溫差不大于6 ℃，通過循環(huán)冷卻水的吸熱，緩解混凝土內(nèi)部的水泥水化熱反應(yīng)。

(2)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的澆筑養(yǎng)護(hù)施工?，F(xiàn)階段在橋梁工程施工中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般選擇使用分層、分塊的澆筑施工作業(yè)方式，對大體積混凝土的每一塊采取薄層澆筑技術(shù)，以使水泥混凝土內(nèi)部的水化熱得到有效的散失，對于各塊之間可以采用后澆帶的方式進(jìn)行連接。由于橋梁大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，在分層澆筑施工過程中，一般采取坡度為1∶5～1∶8的斜面分層澆筑技術(shù)。在澆筑過程中應(yīng)該按照“快插慢拔，逐點(diǎn)移動(dòng)，順序進(jìn)行”的原則，及時(shí)的進(jìn)行振搗并確保與側(cè)模保持5～10 cm的距離，直至混凝土無氣泡冒出、表面平整泛漿、完全密實(shí)為止。對于大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)，重點(diǎn)是遵循“內(nèi)散外蓄”的保溫原則，以保溫與保濕作為目的，減小混凝土表面熱量的散失降低內(nèi)外溫差，確保大體積混凝土表面的濕潤，避免出現(xiàn)溫縮或者是干縮裂縫。

(3)大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工測溫及溫度控制。為了控制大體積混凝土內(nèi)外溫差，必須在施工階段布設(shè)溫度測點(diǎn)對大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度變化情況進(jìn)行時(shí)時(shí)的監(jiān)測，以便根據(jù)溫度變化情況及時(shí)采取必要的技術(shù)控制措施。對于溫度測點(diǎn)的埋設(shè)，主要是選擇大體積混凝土結(jié)構(gòu)的中心最高溫度以及表面最低溫度處。在溫度控制的具體指標(biāo)要求上，一般是控制混凝土內(nèi)外溫差控制值在25℃以內(nèi)，混凝土降溫速率控制值不大于5℃/d，混凝土的最高溫升控制在60℃之內(nèi)。如果溫度超出指標(biāo)，則必須采取調(diào)整循環(huán)冷卻水流量、加強(qiáng)外部保溫等措施，來控制溫度差。在經(jīng)過一段時(shí)間測量發(fā)現(xiàn)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度變化趨于穩(wěn)定后，即可停止測溫。

4 結(jié)語

在橋梁工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，施工管理技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化原材料質(zhì)量控制、配比管理，并在施工過程中采取相應(yīng)的溫度控制措施，以有效的降低水泥的水化熱，控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力與變形，避免結(jié)構(gòu)裂縫問題的出現(xiàn)，確保橋梁工程整體結(jié)構(gòu)的安全可靠。

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10.16402/j.cnki.issn1008-3383.2015.04.109

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