大體積砼施工過(guò)程關(guān)鍵控制因素分析

南進(jìn)江

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004）

大體積砼施工過(guò)程關(guān)鍵控制因素分析

南進(jìn)江

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)，湖南長(zhǎng)沙 410004）

對(duì)于大體積砼施工過(guò)程中極易產(chǎn)生溫度裂縫的問(wèn)題，岳陽(yáng)洞庭湖大橋君山岸重力式錨碇工程施工前根據(jù)其實(shí)際情況對(duì)大體積砼的溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力發(fā)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，制訂合理的溫控方案，控制溫度應(yīng)力在安全范圍內(nèi)發(fā)展，避免因溫度應(yīng)力產(chǎn)生溫度裂縫；施工過(guò)程中在砼內(nèi)部預(yù)埋溫度傳感器對(duì)溫度場(chǎng)分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)溫度場(chǎng)分布及施工各階段溫度的分析，分析大體積砼施工過(guò)程關(guān)鍵控制因素。

橋梁；錨碇；大體積砼；溫度控制；裂縫；控制因素

大體積砼施工過(guò)程中影響溫控結(jié)果的因素有很多，如水泥種類(lèi)、砼配合比、現(xiàn)場(chǎng)砼坍落度、砼入模溫度、施工環(huán)境、覆蓋保溫措施、冷卻水管降溫措施、砼結(jié)構(gòu)物的體表比及上下層砼的施工間隙期，探究其中關(guān)鍵因素可對(duì)日后的溫控起到指導(dǎo)作用。

1 工程概況

圖1 洞庭湖大橋橋型布置（單位：標(biāo)高為m，其他為cm）

大岳（臨湘—岳陽(yáng)）高速公路洞庭湖大橋是杭州至瑞麗國(guó)家高速公路在岳陽(yáng)跨越洞庭湖的過(guò)江通道，是全線(xiàn)的控制性工程。如圖1所示，該橋主橋采用雙塔雙跨鋼桁梁懸索橋，主跨1 480 m（中國(guó)第三，世界第七），主纜跨徑組合為460 m+1 480 m+ 491 m，主梁跨徑組合為1 480 m+453.6 m，橋面寬度33.5 m。君山岸錨碇基礎(chǔ)采用地下連續(xù)墻，墻厚1.2 m，采用與錨體相匹配的葫蘆形，小圓半徑28 m、大圓半徑32 m，順橋向全長(zhǎng)98 m，橫橋向最大寬度64 m。整個(gè)錨碇需澆筑230 000 m3砼。

地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)設(shè)內(nèi)襯支護(hù)，中間設(shè)置一道隔墻，由隔墻將基礎(chǔ)分隔成錨碇前、后倉(cāng)兩部分。前、后倉(cāng)基礎(chǔ)底部均設(shè)置砼墊層、底板，后倉(cāng)設(shè)置實(shí)心填芯砼，前倉(cāng)設(shè)置空倉(cāng)隔倉(cāng)、前倉(cāng)頂板。錨體砼包括下錨塊、上錨塊、散索鞍支墩和前錨室（見(jiàn)圖2）。

錨塊分為上下兩塊，下錨塊高13.5 m，上錨塊高213.49m，累計(jì)26.99m。分層施工，下錨塊分4塊澆筑，上錨塊分左右幅分塊澆筑，中間預(yù)留2 m寬后澆帶，后澆帶用微膨脹砼澆筑。

圖2 洞庭湖大橋君山岸錨碇的構(gòu)造

2 大體積砼施工關(guān)鍵控制因素

君山岸錨碇大體積砼施工中遵循“外保內(nèi)降”的原則，施工前后主要控制以下四點(diǎn)：1）通過(guò)原材料選擇和配合比試驗(yàn)，降低砼的絕熱溫升和最高溫度峰值；2）選擇適合施工季節(jié)的表面保溫措施，降低砼內(nèi)外溫差，使砼內(nèi)溫度場(chǎng)分布盡量均勻，減小溫度梯度；3）通過(guò)內(nèi)部冷卻水循環(huán)系統(tǒng)削減砼內(nèi)部溫度峰值，控制內(nèi)部降溫速率，防止砼內(nèi)部溫度收縮過(guò)快；4）控制上下層間溫差，盡量縮短層間齡期差，防止出現(xiàn)層間裂縫。

2.1 配合比控制

該工程原C35砼采用的P.O42.5普通硅酸鹽水泥的水化反應(yīng)速度和實(shí)際強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，對(duì)砼早期抗裂不利。為減緩水泥的水化反應(yīng)速度和砼早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速度，降低砼內(nèi)部溫升值，減小早期拉應(yīng)力，后續(xù)施工中使用P.LH42.5低熱硅酸鹽水泥，大大降低了砼的絕熱溫升，從根本上降低了砼開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。不同水泥品種的水化熱檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)選擇合適的減水劑或調(diào)整減水劑摻量合理延長(zhǎng)砼拌和物的初凝時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)室試配初凝時(shí)間≥30 h、現(xiàn)場(chǎng)澆筑實(shí)際有效初凝時(shí)間≥25 h，以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)砼澆筑施工時(shí)長(zhǎng)。優(yōu)選性能穩(wěn)定、減水率高的聚羧酸高效減水劑，有效降低每方砼水泥用量，從而降低砼的水化熱溫升。同時(shí)在后期正式澆筑砼時(shí)將減水劑含固量控制在0.95S～1.05S（S為減水劑的含固量控制值）。

表1 水泥水化熱檢測(cè)結(jié)果

控制集料質(zhì)量，其中：細(xì)骨料含泥量≤3.0%，細(xì)度模數(shù)≥2.5；粗骨料選用5～31.5 mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量≤1.0%，并進(jìn)行水洗。進(jìn)行砼試拌，在總用水量中將實(shí)測(cè)粗骨料含水量扣除，確保實(shí)際水灰比的準(zhǔn)確度。

最終設(shè)計(jì)的砼配合比見(jiàn)表2，部分現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 錨碇砼配合比的改善及效果

2.2 表面保溫措施控制

該錨碇施工從12月份開(kāi)始，此時(shí)環(huán)境溫度為一年之中最低時(shí)段之一，很大程度上降低了原材料的溫度，從而降低了砼的出機(jī)溫度，必須采取表面保溫措施，使頂面等效換熱系數(shù)達(dá)到20 kJ／（h·℃）、側(cè)面等效換熱系數(shù)達(dá)到15 kJ／（h·℃），保證砼內(nèi)外溫差盡可能小、內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻分布。

同時(shí)根據(jù)砼表層拉應(yīng)力計(jì)算公式［見(jiàn)式（1）］，在施工階段其他參數(shù)均已固定，控制內(nèi)表溫差對(duì)控制砼表層拉應(yīng)力最具實(shí)際效果。

式中：σs（t）為t時(shí)刻砼表層拉應(yīng)力（MPa）；α為砼線(xiàn)脹系數(shù)（℃-1），可取1.0×10-5℃-1；E（t）為t 時(shí)刻砼彈性模量（MPa）；ΔTnb（t）為t時(shí)砼內(nèi)表溫差（℃）；Kp為應(yīng)力松弛系數(shù)，無(wú)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)取0.5。

另外，在錨碇施工過(guò)程中嚴(yán)格按照溫控情況采取覆蓋保溫措施，保證溫差在施工允許范圍內(nèi)。砼內(nèi)表溫差監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 砼內(nèi)表溫差監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果對(duì)比℃

由表4可知：內(nèi)部與頂面溫差和內(nèi)部與側(cè)面溫差均小于計(jì)算所得內(nèi)部與外表溫差，處于相對(duì)安全范圍，有效減小了砼因溫差而導(dǎo)致的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 溫峰與收縮控制

在降溫階段，由于砼內(nèi)部水化反應(yīng)基本完成，砼內(nèi)部溫度趨于穩(wěn)定且較高，而砼表面因與大氣直接接觸一直處于散熱狀態(tài)，導(dǎo)致砼內(nèi)表溫差較大，在砼內(nèi)部產(chǎn)生較大壓應(yīng)力，外表則呈現(xiàn)受拉狀態(tài)；另外，在砼降溫階段砼自身開(kāi)始收縮，由于底部基礎(chǔ)約束導(dǎo)致底部砼產(chǎn)生拉應(yīng)力；加上砼為抗壓設(shè)計(jì)，拉伸能力很小，溫峰越高對(duì)砼后期收縮越不利。因此，溫峰控制至關(guān)重要。由溫峰引起的內(nèi)部拉應(yīng)力按下式計(jì)算：

式中：σcmax為砼內(nèi)部最大拉應(yīng)力（MPa）；μ為砼泊松比，可取1／6；E0′為砼內(nèi)部達(dá)到穩(wěn)定溫度或穩(wěn)定溫度齡期時(shí)砼彈性模量（MPa）；R為砼基礎(chǔ)約束系數(shù)；Tmax為溫峰（℃）；Tw為砼澆筑塊穩(wěn)定溫度或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度（℃）。

在砼入模溫度及水泥水化熱確定的情況下，通過(guò)預(yù)埋冷卻水管可起到削減溫峰的作用，在前期砼升溫階段適當(dāng)增加冷卻水流量，盡可能多地帶走熱量，使溫峰下降，減少砼因溫峰過(guò)高造成內(nèi)部拉應(yīng)力過(guò)大和后期收縮過(guò)快引起的裂縫。

2.4 施工間隙期控制

在大體積砼降溫階段，由于自身的收縮受到下面基礎(chǔ)的約束，砼收縮過(guò)程中容易產(chǎn)生由下而上的貫穿裂縫。通過(guò)縮減層與層之間的施工間歇期可縮小上下層砼之間的彈性模量，減小上層砼收縮過(guò)程中因底部約束過(guò)大產(chǎn)生開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。

3 君山岸錨碇溫控分析

君山岸錨碇基礎(chǔ)大體積砼施工中采取的溫控措施主要包括：1）在砼澆筑前后對(duì)砼原材料溫度進(jìn)行控制；2）做好出機(jī)溫度、入模溫度統(tǒng)計(jì)；3）采取覆蓋保溫措施及冷卻水溫控措施；4）降溫階段實(shí)施收縮控制。同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況隨時(shí)調(diào)整溫控措施，確保大體積砼施工關(guān)鍵因素在可控范圍內(nèi)。監(jiān)測(cè)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)內(nèi)部降溫過(guò)快（1 h超過(guò)0.1℃），則立即減小通水流量或循環(huán)通水，升高進(jìn)水溫度；如發(fā)現(xiàn)內(nèi)表溫差過(guò)大，表面降溫過(guò)快，則確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)覆蓋情況是否到位并加以落實(shí)。某錨塊中心點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度變化見(jiàn)圖3，計(jì)算溫度變化見(jiàn)圖4。

圖3 某錨塊中心點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度變化曲線(xiàn)

圖4 某錨塊中心點(diǎn)的計(jì)算溫度變化曲線(xiàn)

由圖3、圖4可知：實(shí)際施工中，澆筑完成44 h后砼內(nèi)部達(dá)到最高溫度47.6℃，之后進(jìn)入降溫階段，溫升值19.6℃；計(jì)算得出最高溫度為49.6℃，在澆筑完49 h后到達(dá)，之后進(jìn)入降溫階段，溫升值21.6℃。實(shí)測(cè)溫峰與計(jì)算溫峰相差2℃，溫升時(shí)長(zhǎng)相差5 h。其原因?yàn)椋?）適當(dāng)加大前期通水流速，計(jì)算采用3 m3／h，實(shí)際過(guò)程中采用5 m3／h；2）由于施工時(shí)氣溫較高，升溫階段在冷卻水箱內(nèi)適當(dāng)加冰降低冷卻水溫度，導(dǎo)致前期升溫階段帶走的熱量大于計(jì)算值，造成溫峰降低；同時(shí)由于水泥水化反應(yīng)放熱速率與冷卻水管散熱速率相近時(shí)達(dá)到溫峰，且前期散熱速率大于計(jì)算值，故到達(dá)溫峰的時(shí)間相對(duì)縮短。

如圖5所示，各齡期砼抗拉能力也大于砼內(nèi)部產(chǎn)生的不利溫度應(yīng)力。

通過(guò)針對(duì)各關(guān)鍵因素采取切實(shí)可行的控制措施，該工程在完成底板施工后，經(jīng)各方驗(yàn)收均未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫。

4 結(jié)語(yǔ)

圖5 各齡期砼的容許拉應(yīng)力和溫度應(yīng)力

洞庭湖大橋君山岸錨碇大體積砼施工實(shí)踐表明，大體積砼施工過(guò)程中，通過(guò)及時(shí)優(yōu)化砼配合比、嚴(yán)格落實(shí)表面保溫措施、做好“外保內(nèi)降”措施、控制降溫速率以控制收縮、縮短上下層砼施工間歇期等，可避免大體積砼出現(xiàn)裂縫。

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2016-03-29