高速鐵路現澆箱梁大體積混凝土施工技術研究

朱海波

摘要：本文通過青榮城際鐵路跨青銀高速公路特大橋1-48m現澆箱梁大體積混凝土施工實例，就大體積混凝土施工技術進行了闡述，大體積混凝土施工技術要求高，施工中特別要防止混凝土因水泥水化熱引起溫度應力裂縫，因此需要在材料選擇、技術措施等環節進行有效控制，才能保證大體積混凝土施工質量。

Abstract： Through the 1-48m cast-in-place box beam mass concrete construction of Qingyin highway super-large bridge of Qingrong inter-city railway， this paper expounds the mass concrete construction technology. The technology requirements of mass concrete construction are high. During the construction， the temperature stress crack of concrete caused by the cement hydration heat should especially be prevented. So， the effective control of material selection， technological measures can ensure the quality of mass concrete construction.

關鍵詞：高速鐵路；大體積混凝土；施工技術；研究

Key words： high speed railway；mass concrete；construction technology；research

中圖分類號：U445.57 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0147-03

0 引言

大體積混凝土是指混凝土結構實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土。近年來，隨著公路和鐵路的迅猛發展，大體積混凝土越來越多的應用在橋梁施工中。由于大體積混凝土具有結構尺寸大，工程條件復雜、施工技術要求高、水化熱較大，易使結構物產生溫度應力裂縫等特點，在施工過程中，應選用合理的配合比、制定合理的混凝土澆筑方案和溫控措施等。本文就青榮城際鐵路1～48m現澆箱梁大體積混凝土施工技術進行研究。

1 工程概況

青榮城際鐵路位于膠東半島，連接了青島、煙臺、威海地區的主要城市，是半島城市群的重要聯絡通道?？缜嚆y高速公路特大橋1～48m簡支現澆箱梁采用預應力混凝土箱梁結構（見圖1），全長為49.5m，計算跨度為48m，上跨藍鰲路，箱梁頂寬12.2m，高4.3m，底寬6.7m，頂板厚度除梁端為65cm外余均為40cm，底板厚度為30cm，腹板厚度50cm。梁體為單箱單室、直腹板等截面結構。一次性混凝土澆筑方量估計為730m3，屬于大體積混凝土。

2 施工準備工作

2.1 材料選擇

①水泥：考慮普通水泥水化熱較高，特別是大體積混凝土，大量水泥水化熱不易散發，混凝土內部溫度過高，與混凝土表面產生較大的溫度差，混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力。當表面拉應力超過早期混漲土抗拉強度時就會產生溫度裂縫，因此確定采用的P·O52.5硅酸鹽水泥，水泥3d天的水化熱不宜大于240kJ/kg，7d天的水化熱不宜大于270kJ/kg，水泥中的鋁酸三鈣含量不宜大于8%，水泥在攪拌站的入機溫度不應大于60℃。

②粗骨料：粒徑5～31.5mm，含泥量不大于0.5%。選用粒徑較大、級配良好的石子配制的混凝土，和易性較好，抗壓強度較高，同時可以減少用水量及水泥用量，從而減少水化熱。

③細骨料：中砂含泥量不大于3%。選用平均粒徑較大的中、粗砂拌制的混凝土比采用細砂拌制的混凝土可減少用水量10%左右，同時相應減少水泥用量，使水泥水化熱減少，降低混凝土溫升，并可減少混凝土收縮。

④粉煤灰：混凝土澆筑方式采用泵送，配合比中摻加適量粉煤灰，不僅可以改善混凝土和易性，還可減少水泥用量，從而降低水化熱。

⑤外加劑：根據設計具體要求進行，減水劑可降低水化熱峰值，對混凝土收縮補償功能，可提高混凝土的抗裂性。

2.2 混凝土配合比

①混凝土由拌和站自拌，因此要求實驗人員根據現場技術要求，提前做好混凝土配比。

②混凝土配合比應按照國家現行《混凝土結構工程施工及驗收規范》、《普通混凝土配合比設計規程》及《粉煤灰混凝土應用技術規范》中的有關技術要求進行設計。

2.3 現場準備工作

①箱梁鋼筋施工完畢，預留洞、預埋管、線到位，并進行隱蔽工程驗收。

②箱梁施工采用木模，支撐必須牢固。

③混凝土澆筑前進行標高測量，并作明顯標記，供澆筑混凝土時標高控制。

④澆筑混凝土時預埋的測溫管及保溫隨需的塑料薄膜、土工布等應提前準備好。

⑤進行施工用電線路檢查，以保證混凝土振搗及施工照明用電。

⑥及時了解天氣預報，應避開雨天進行混凝土澆筑施工。

3 大體積混凝土溫度變化及其控制措施

3.1 溫度應力的主要成因

①大體積混凝土在硬化期間，水泥水化后釋放大量的熱量，使混凝土中心區域溫度升高，而混凝土表面和邊界由于受氣溫影響溫度較低，從而在斷面上形成較大的溫差，使混凝土的內部產生壓應力，表面產生拉應力（稱為內部約束應力）。

②當混凝土的水化熱發展到3～7d達到溫度最高點，由于散熱逐漸產生降溫產生收縮，且由于水分的散失，使收縮加劇，這種收縮在受到基巖等約束后產生拉應力（稱為外部約束應力）。

3.2 C50現澆箱梁大體積混凝土混凝土裂縫控制的施工計算

①混凝土最高水化熱溫度及3d、7d的水化熱絕熱溫度：

C=335kg/m3；水泥：水化熱Q=400J/kg，c=0.96J/kg·k；ρ=2400 kg/m3。

②混凝土最高水化熱絕熱溫升：

Tmax=CQ/cρ=（335×400）/（0.96×2400）=58.16℃

3d的絕熱溫升：

T（3）=58.16×（1-e-0.3*3）=34.51℃

7d的絕熱溫升：

T（7）=58.16×（1-e-0.3*7）=51.04℃

15d的絕熱溫升：

T（15）=58.16×（1-e-0.3*15）=57.52℃

③混凝土內部中心溫度計算：

Tmax=Tj+T（t）ζ=15+58.16×0.49=43.498℃

Tmax=Tj+T（t）ζ=15+58.16×0.44=40.59℃

Tmax=Tj+T（t）ζ=15+58.16×0.41=36.846℃

式中：Tj——混凝土澆筑溫度℃；

T（t）——在t齡期時混凝土的絕熱溫升，℃；

ξ——不同澆筑塊厚度的溫降系數。

④混凝土表面溫度計算：

Tb（t）=Tq+（4/H2）h'（H-h）ΔT（t）

Tb（3）=15+（4/2.742）×0.37×（2.74-2）×（61.489-33）=19.155℃

Tb（7）=15+（4/2.742）×0.37×（2.74-2）×（58.590-33）=18.733℃

Tb（14）=15+（4/2.742）×0.37×（2.74-2）×（54.846-33）=18.187℃

混凝土表面與內部最高溫差：

ΔT（t）=Tmax-Tq=43.498℃-15=28.498℃>20℃

不滿足混凝土內外溫差≤20℃設計的要求。需采取保溫措施。

式中：Tb（t）——齡期t時，混凝土的表面溫度，℃；

Tq——齡期τ時，大氣的平均溫度，15℃；

H——混凝土的計算厚度，m；H=h+2h`=1.3+2×0.37=2.04m；

h——混凝土實際厚度，m；

h`——混凝土虛厚度，m。

h`=kλ/β=0.66×2.33/4.11=0.37m

λ——混凝土的導熱系數，取2.33W/（m·k）；

k——計算拆減系數，取0.66；

β——模板及保溫層的傳熱系數，W/（m2·k）；

β=（σ/λ+1/Bq）-1=（0.02/0.1+1/23）-1=4.11W/（m2·k）；

σ——各種保溫材料的厚度，m；

λ——各種保溫材料的導熱系數，蓋土工布或麻袋時取0.1 W/（m2·k）；

ΔT（t）——齡期τ時混凝土內最高溫與外界氣溫之差，℃；

ΔT（t）=Tmax-Tq。

⑤混凝土各齡期收縮變形值計算：

εy（t）=εy0（1-e-0.1t）×M1×M2×…×M10

查表得：M1=1.0，M2=1.35，M3=1.0，M4=1.42，M5=1.75，M6=1，M7=0.88，M8=1.2，M10=0.61

則有：M1M2M3M4M5M7M8M10=1.0×1.35×1.0×1.42×1.75×1×0.88×1.2×0.61=2.161

1）3d收縮變形值

εy（3）=εy0×（1-e-0.3）×2.161

=3.24×10-4×（1-2.718-0.3）×2.161=1.815×10-4

2）7d收縮變形值

εy（7）=εy0×（1-e-0.7）×2.161

=3.24×10-4×（1-2.718-0.7）×2.161=3.524×10-4

3）15d收縮變形值：

εy（15）=εy0×（1-e-1.5）×2.161

=3.24×10-4×（1-2.718-1.5）×2.161=5.439×10-4

⑥混凝土收縮變形換算成當量溫差：

3d齡期

T（y）（3）=-εy（3）/α=（-1.815×10-4）/（1.0×10-5）=-18.15℃

7d齡期

T（y）（7）=-εy（7）/α=（-3.524×10-4）/（1.0×10-5）=-35.24℃

15d齡期

T（y）（15）=-εy（15）/α=（-5.439×10-4）/（1.0×10-5）=-54.39℃

⑦各齡期混凝土模量計算：

E（t）=Ec×（1-e-0.09t）

3d齡期

E（3）=3.0×104×（1-e-0.09*3）=7.098×103N/mm2

7d齡期

E（7）=3.0×104×（1-e-0.09*7）=1.16×104N/mm2

15d齡期

E（15）=3.0×104×（1-e-0.09*15）=2.22×104N/mm2

⑧各齡期混凝土的溫度收縮應力計算：

由于在十一月份澆注底板混凝土，氣溫較低，假設入模溫度To=33℃，Th=25℃。

3d齡期

ΔT=T（3）+To-Th=28.79+33-25=36.79℃

σ=E（3）·a·ΔT/（1-ν）·S（t）·R

=7.098×103×10×10-6×36.79/（1-0.15）×0.5×0.5

=0.768N/mm2

7d齡期

ΔT=T（7）+To-Th=42.58+33-25=50.58℃

σ=E（7）·a·ΔT/（1-ν）·S（t）·R

=1.16×104×10×10-6×50.58/（1-0.15）×0.5×0.5

=1.72N/mm2

⑨混凝土抗拉強度計算：

抗裂安全系數：

K=λ·ftk（t）/σ=2.64/1.72=1.53>1.15

因此，采取的措施滿足抗裂要求。

式中：

K——大體積混凝土抗裂安全系數，應≥1.15；

ftk（t）——到指定期混凝土抗拉強度設計值，C50混凝土查表得2.64（N/mm2）。

3.3 裂縫控制的施工技術措施

通過以上分析可知，在露天養護期間，7d齡期時，抗裂安全系數K值大于1.05，混凝土表面與內部溫差不大于25℃，符合設計要求。此時混凝土不會出現裂縫。

4 大體積混凝土施工

在梁體的底板、腹板和頂板埋設測溫線，每個斷面按照兩個半軸平面不少于4個點布設，豎向布設間距不大于60cm，且距混凝土頂、底表各5cm以及中心布點。采用JDC-2型建筑溫度測定儀測溫?，F場入模溫度采用測溫儀插入測定。施工過程過程中嚴格溫度監控，并做好混凝土養護作業，確保混凝土溫度控制在合格范圍內。

混凝土澆筑采用兩泵八罐，同時備用一臺泵車，以保證混凝土澆筑的連續性，先澆筑底板，后澆筑底板，再頂板。澆筑過程中應左右腹板對稱澆筑。

混凝土振搗采用插入式振動棒分層振搗，每層厚度不超過30cm；移動間距不超過振動棒作用半徑的1.5倍；與側模保持50～l00mm的距離；插入下層混凝土50～l00mm；要求快速插入，每一處振動待混凝土面泛漿均勻，無氣泡冒出時，緩慢撥出，切記勿漏振、過振；應避免振動棒碰撞模板、鋼筋、波紋管及其他預埋件。

混凝土澆筑完成后，及時對混凝土表面進行收漿，然后將土工布濕潤后，覆蓋于混凝土表面，此時，應注意土工布嚴禁直接接觸混凝土面。待混凝土初凝后，將土工布掀起，對混凝土表面進行二次收漿，二次收漿結束后，及時用土工布對混凝土裸露面進行覆蓋，然后灑水養生。

混凝土養護氣溫不得低于5℃。拆模時混凝土芯部溫度與環境溫度的溫差不得大于15℃，當溫差在10℃～15℃時，拆除模板后的混凝土表面應加以覆蓋。大風或溫度急劇變化時不宜拆模。

為確保混凝土養護期間，混凝土內部溫度與表面溫度之差、表面溫度與環境溫度之差不大于15℃，必要時，用棉被對混凝土裸露面進行覆蓋包裹。

5 質量控制要點

拌制混凝土的原材料均需進場檢驗，合格后方可使用。同時要注意各項原材料的溫度，以保證混凝土的入模溫度。

在混凝土攪拌站設專人摻入外加劑，摻量要準確。

施工現場對混凝土要逐車進行檢查，測定混凝土的坍落度和溫度，檢查混凝土量是否相符?；炷翜囟葢刂圃谝幎ǚ秶畠?，嚴禁混凝土攪拌車在施工現場臨時加水。

在底板混凝土澆筑過程中，要派4～6人看模、看筋，發現問題及時解決，底板混凝土澆筑面的標高，嚴格按放線人員測定的標高來控制。

在混凝土強度達到1.2MPa以前，不允許上人進行施工作業。

加強混凝土試塊制作及養護的管理，試塊拆模后及時編號并送入標養室進行養護。

6 結束語

1～48m簡支箱梁一次整體澆筑完畢，由于在施工工藝、材料組成、后期養護和現場監測等方面采取了一些列溫控防裂技術措施，箱梁未出現有害裂縫。據初步推算，整體澆筑縮短了近20天工期，減少了后期冬季施工保暖等各項費用約15萬元，而且提高了箱梁的整提剛度和防水性。監測結果表明只要在施工過程中對原材料的混凝土配合比、澆筑工藝、養護的保溫及保濕等各個環節采取一系列切實有效的技術組織措施，一次澆筑大體積混凝土不留任何施工縫是完全可以保證施工質量的。

大體積混凝土施工裂縫控制是比較困難的工作，裂縫的出現不僅與溫差、原材料和配合比有關，還與施工工藝等有關，本文施工方法及工藝在多處工程應用，取得良好效果，值得為類似工程借鑒。

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