冬期施工鉆孔灌注樁混凝土溫度測試研究

劉衛星 歐立新 周維英 田 輝

(1.中交第三航務工程局有限公司哈大鐵路客運專線項目經理部,130033,長春;2.西圖建筑工程(上海)有限公司,200030,上海∥第一作者,副經理)

1 概述

新建哈爾濱至大連鐵路客運專線,是為了緩解我國東北鐵路運輸最繁忙的南北主干線之一的哈大鐵路的運輸能力緊張狀況,實現客、貨分線運輸,形成大能力、快速度的客運通道而修建的。中交三航局哈大鐵路客運專線工程經理部承擔哈大鐵路客運專線TJ-3標段第三施工區段伊通河特大橋施工任務。該橋里程范圍為DK702+637.64～DK750+937.64,正線全長48.3 km。橋梁下部結構采用鉆孔樁基礎,矩形空心橋臺,圓端形橋墩;上部結構采用預應力混凝土簡支梁和預應力混凝土連續梁兩種形式。主要工程量有：鉆孔樁 12 656顆,墩臺身1 488個,預應力混凝土簡支箱梁1 289孔,連續梁5聯。

伊通河特大橋工程位于東北高寒、高緯度地區,沿線冬季氣候寒冷,屬中溫帶亞濕潤季風區氣候。其氣侯特點為：四季分明,春季干旱多大風,夏季濕潤多降雨,秋季涼爽多早霜,冬季寒冷而漫長。該地區年平均氣溫5.6～7.1℃,極端最高溫度31.4～34.0℃,極端最低溫度-24.3～-29.4℃,年均降雨量476.2～681.0 mm,年平均蒸發量 1 628.1 mm,平均相對濕度64%,最大月平均日溫差12.2℃,最大積雪厚度30 cm,最大季節凍土深度169～182 cm。大橋位于東北中部山前平原重度季節凍土區。該區每年從10月底開始凍結,翌年5～6月全融化,施工周期與工期要求的矛盾十分突出,因此必須制定相應的冬期施工措施,延長施工周期。

從保證混凝土工程全面質量出發,在冬期施工中必須防止混凝土在硬化初期遭受凍害,并盡早獲得強度。混凝土的溫度降到0℃前,其抗壓強度不得低于抗凍臨界強度。《鐵路混凝土工程施工技術指南》第10.1.3條規定：冬期施工期間,當用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥配制混凝土,且其抗壓強度達到設計強度的30%前,混凝土均不得受凍;當混凝土抗壓強度未達到5 MPa前,也不得受凍。同時根據有關規范以及其它要求[1-5],在采取冬期混凝土施工質量保證措施的情況下,混凝土的入模溫度要求不低于5℃。

針對冬期進行樁基施工的情況,在采取冬期施工質量保證措施的條件下,可測試樁基混凝土入孔溫度以及澆注前、澆注過程和澆注后樁身混凝土溫度隨時間的發展特性,測試混凝土在不同養護環境不同齡期的強度值及其強度增長特性;在土體中不同深度埋設溫度傳感器測試樁基混凝土澆注后所處的外界土壤環境溫度狀態,并根據混凝土成熟度理論近似估算樁身混凝土實際的強度發展情況。因此,展開對冬期施工鉆孔灌注樁混凝土溫度測試的研究,對確保樁基施工質量是十分必要的,也是非常有意義的。

2 測試內容

對伊通河特大橋1319#墩-6#孔(中心里程為DK736+229.26)進行了現場測試,并作如下記錄：

(1)樁基混凝土施工過程中的入孔溫度;

(2)樁基混凝土澆注前、澆注過程以及澆注后的溫度隨時間變化的數據;

(3)樁基混凝土在標準養護、同條件養護、自然養護情況下1、2、3、9、28天的強度數據;

(4)土壤溫度在不同深度隨時間變化的趨勢。

樁基混凝土溫度測點布置如圖1所示。土壤溫度測點布置如圖2所示。

圖1 樁基混凝土溫度測試測點布置圖

圖2 土壤溫度測試測點布置圖

3 測試儀器

(1)北京航源平洋科技發展有限公司溫度測量無線傳輸系統一套;

(2)研華ADAM-4015和ADAM-4561溫度采集傳輸模塊,LabVIEW數據采集程序一套;

(3)熱電偶和PT100溫度傳感器;

(4)水銀溫度計;

(5)屏蔽電纜;

(6)UPS(不間斷電源)及其它常用工具。

4 測試地點、時間及過程

2008年11月 14—21日,對位于DK736+570處拌合站附近的1319#墩-6#孔(中心里程DK736+229.26)進行了測試。被測樁基的數據信息見表1。測試過程中的時間信息如表2所示。

表1 1319#墩-6#孔樁基的數據信息

表2 1319#墩-6#孔現場測試過程時間記錄表

5 測試結果

5.1 入孔溫度測試結果

現場測試過程中,對攪拌車的混凝土入孔溫度進行了測試。每車測量2次,取其平均值。溫度測試結果見表3。

表3 1319#墩-6#孔樁基混凝土入孔溫度記錄表

5.2 樁基混凝土溫度測試結果

現場對1319#墩-6#孔樁基混凝土施工過程進行了全程的溫度采集記錄,每5 min記錄一組測溫數據,并對數據進行了混凝土澆注前和澆注過程中、澆注后兩個階段的統計計算。混凝土澆注前和澆注過程中按10 min間隔進行統計計算,澆注后按2 h間隔進行統計計算。繪制的溫度曲線如圖3、4所示。其中,樁頂處和樁頂下2 m斷面處的溫度值為兩個溫度傳感器觀測值的平均值。

圖3 1319#墩-6#孔混凝土澆注前及澆注過程中溫度觀測數據統計圖(按間隔時間10min統計)

5.3 土壤溫度測試結果

2008年12月3—4日,通過在土壤中不同深度埋設溫度傳感器,觀測了土壤不同深度的溫度變化情況,并進行了較長時間的溫度采集記錄。每10 min記錄一組數據,然后按間隔時間2 h進行數據的統計計算。繪制的溫度曲線如圖5所示。

從圖5中可以看出,在較短時間內,環境溫度變化較大對土壤中溫度變化影響很小,土壤溫度隨不同深度變化很大。觀測期間不同深度的溫度平均值見表 4。土壤溫度與深度的關系曲線見圖6。

5.4 樁基混凝土強度測試結果

通過制作標準試件(試件制作時間：2008-11-15早上6：00,設計強度等級為C30),測試了在標準養護、同條件養護 、自然養護情況下 1、2、3、9、28天的樁基混凝土強度數據,如表5所示。

同條件養護試件溫度的測試是通過將制作好的混凝土試件放在現場,上下鋪蓋棉被,測試棉被中的溫度而得到的。同條件養護、自然養護情況下的溫度對比見圖7(按2 h間隔統計)。

圖4 1319#墩-6#孔混凝土澆注后溫度觀測數據統計圖(圖中曲線按間隔時間2 h統計)

圖5 土壤溫度觀測數據統計圖(按間隔時間2 h統計)

圖6 土壤溫度與深度的關系曲線

表4 觀測期間各測點平均溫度值統計表

5.5 樁基混凝土強度估算結果

從樁基混凝土施工后所處的環境來看,其澆注后周圍由土壤包圍著,所處的環境溫度應是土壤溫度。從土壤溫度觀測數據可以看出,地面下3 m處的溫度為11℃左右,而1319#墩-6#孔樁頂距地面有4.23 m的埋深,因而可以判定,樁基混凝土澆注后所處的環境溫度在11℃以上,并且是一個恒溫狀態。從圖7可以看出,同條件養護試件下的環境溫度不能真正有效地代表樁基混凝土澆注后的環境溫度狀態,可以根據混凝土成熟度理論以及計算方法,估算在11℃恒溫情況下樁基混凝土在1、2、3 d 的強度值,計算結果見表6。

表5 1319#墩-6#孔樁基混凝土強度數據表

圖7 1319#墩-6#孔自然養護和同條件養護溫度對比圖(圖中曲線按間隔時間2 h統計)

表6 樁基混凝土強度估算結果

6 結果分析

6.1 樁基混凝土溫度觀測數據分析

混凝土澆注起止時間為2008年11月15日凌晨1：50—3：00,澆注時的環境溫度在-3℃左右(見圖3)。樁頂上1 m、樁頂、樁頂下2 m處的溫度觀測值在澆注開始時在4～6℃之間,此時測得的溫度值是孔內泥漿的溫度值。隨著澆注過程的繼續,溫度值呈增長趨勢,并達到了8℃左右,說明孔內底部的泥漿溫度比上部的泥漿溫度要高。澆注結束后,最后溫度值在10～13℃之間,此時的溫度值為澆注的混凝土溫度。混凝土入孔溫度值在9.8～11℃之間。地面下1 m處的溫度在澆注開始時為-1℃左右,20 min后達到7℃左右。這是因為在澆注前孔內水面較低,溫度傳感器沒有浸入到水中,此時測得的溫度值為孔內大氣環境溫度。隨著澆注過程的繼續,水面上升,測得的溫度值為孔內泥漿溫度。

由圖4可見,連續觀測時間為6 d,從2008年11月15日開始,到11月21日結束。觀測期間環境溫度最高為4℃左右,最低為-17℃左右,并經歷了從11月16日到11月19日的大幅降溫過程。降溫期間最高溫度為-7℃,最低溫度為-17℃,隨后環境溫度有所回升。但是,外界環境溫度大幅變化對樁體混凝土的溫度幾乎沒有影響。從樁頂上1 m、樁頂、樁頂下2 m斷面處的溫度曲線來看,樁基混凝土的溫度變化過程經歷了三個階段：①溫度快速上升階段(澆筑后0～24 h),澆注后混凝土由11～15℃增長到18～21℃;②溫度平穩階段(澆筑后24～72 h),混凝土溫度在19～24℃之間小幅變化,并在澆筑后48 h達到最高溫度;③溫度緩慢下降階段(澆筑后72 h以后),混凝土溫度呈下降趨勢,并呈收斂狀態,到觀測結束時,混凝土溫度在17～19℃之間。

6.2 樁基混凝土強度數據分析

由測得的不同養護環境、不同齡期的混凝土強度(見表5),以齡期28 d的混凝土強度為對比依據：標準養護強度為38.09 MPa,達到設計強度的127.0%;同條件養護強度為21.25 MPa,達到設計強度的70.8%;自然養護強度為18.43 MPa,達到設計強度的61.4%。從圖7可以看出,盡管同條件養護試件在現場采用了上下鋪蓋棉被的保溫保暖措施,比自然養護環境下溫度狀態有所改善,但是并沒有達到預期的效果。且在測試期間,遇到了大幅降溫過程,養護環境溫度基本都在0℃以下。這兩種養護情況下的混凝土都在不同程度上遭到了凍害,其28 d的強度僅達到了設計強度的60%～70%。同條件養護試件的混凝土強度高于自然養護試件強度約10%左右。

6.3 土壤溫度觀測數據分析

由不同深度土壤溫度的觀測結果(見圖5、圖6)可知：

(1)在較短時間內(如某一天)的環境溫度發生較大變化對不同深度的土壤溫度的影響很小。

(2)土壤溫度隨深度加大,溫度值呈增長趨勢且變化很大。地面下300 cm處的溫度達到了10℃以上。溫度值與深度的關系表現為非線性。

(3)樁基混凝土澆注后周圍由土壤包圍著,所處的環境溫度應是土壤溫度。地面下3 m處溫度為11℃左右,而1319#墩-6#孔樁頂距地面有4.23 m的埋深,因此樁基混凝土澆注后處于土壤溫度為11℃以上的恒溫狀態。據此,估算出樁基混凝土3 d的強度值可以達到設計強度的30%以上。

7 結語

在實測混凝土入模溫度為10℃左右的情況下,澆注后的樁基混凝土的質量滿足《鐵路混凝土工程施工技術指南》規定的冬期施工混凝土的要求。這是因為：

(1)外界環境溫度大幅變化對樁體混凝土的溫度幾乎沒有影響。

(2)樁基混凝土澆注后的環境溫度是土壤溫度。地面下3 m處的溫度為11℃左右,而1319#墩-6#孔樁頂距地面有4.23 m的埋深,因此樁基混凝土澆注后處于土壤溫度為11℃以上的恒溫狀態。

(3)在11℃的恒溫狀態下,樁基混凝土澆注后的溫度按照自身的發展特性進行變化,經歷了3個溫度變化階段：溫度快速上升階段、溫度平穩階段、溫度緩慢下降階段。在溫度觀測7天以后,樁基混凝土溫度仍在10℃以上。

(4)在11℃的恒溫狀態下,根據混凝土強度估算方法,算出3 d后的強度值可以達到設計強度的30%以上,滿足鐵路規范規定的冬期施工混凝土的要求。

[1] 中華人民共和國鐵道部.客運專線高性能混凝土暫行技術條件[S].2005.

[2] TZ 213—2005 客運專線鐵路橋涵工程施工技術指南[S].

[3] TZ 210—2005 鐵路混凝土工程施工技術指南[S].

[4] 王壽華.建筑施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2003.

[5] 項玉璞,曹繼文.冬期施工手冊[M].北京：中國建筑出版社,2005.