連續(xù)剛構(gòu)橋整體式承臺(tái)大體積混凝土施工溫度控制

覃祖國(guó)

摘 要：大體積混凝土因一次澆筑體積龐大，受水化熱影響，其表面和內(nèi)部溫度形成溫差，溫差、絕熱溫升過(guò)大形成溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力大于允許值，從而形成裂縫，影響混凝土耐久性及力學(xué)性能。文章結(jié)合云南富龍高速新廠特大橋承臺(tái)澆筑施工，從混凝土的原材料、配合比、外加劑、施工工藝等方面，介紹了承臺(tái)大體積混凝土施工及溫度控制方法。

關(guān)鍵詞：承臺(tái)；大體積混凝土；溫度控制

1 工程概況

新廠特大橋中心樁號(hào)K18+160，橋梁全長(zhǎng)左幅830m，右幅860m，主橋跨越峽谷，主跨為100m+180+100m預(yù)應(yīng)力混凝土箱形連續(xù)剛構(gòu)。6#、7#主墩采用20根直徑φ2.0m樁基礎(chǔ)，左右幅一體整體式承臺(tái)結(jié)構(gòu)，承臺(tái)長(zhǎng)寬高分別為23.2×18.2×5m，每個(gè)承臺(tái)C30混凝土方量2111m3。由于承臺(tái)澆筑時(shí)間在8月份，屬于夏季施工，山區(qū)夏季晝夜溫差較大，混凝土溫度控制難度較大。為防止分層施工造成分層位置混凝土結(jié)合不緊密，承臺(tái)采取一次澆筑工藝，混凝土方量2111m3，連續(xù)澆筑50h以上，混凝土澆筑倉(cāng)面面積422m2。為保證混凝土澆筑的連續(xù)性，具有混凝土布料難度大、水泥砂石料儲(chǔ)備時(shí)間長(zhǎng)、便道通行壓力大、混凝土施工組織難度大等特點(diǎn)。

2 大體積混凝土溫度控制的必要性

大體積混凝土由于截面大，水泥用量大，水泥水化釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化，由此產(chǎn)生的溫度應(yīng)力易形成混凝土裂縫。由于水泥的水化熱作用，混凝土澆注后要經(jīng)歷升溫期、降溫期和溫度穩(wěn)定期三個(gè)階段。升溫階段，水泥產(chǎn)生的水化熱大量聚集在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，內(nèi)外溫差使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，外部產(chǎn)生拉應(yīng)力。若大于相應(yīng)齡期的容許拉應(yīng)力時(shí)，就有可能產(chǎn)生裂縫；降溫階段，新澆混凝土受內(nèi)部鋼筋、封底混凝土及樁頭約束而不能自由收縮，此時(shí)彈性模量相對(duì)較低。若降溫梯度過(guò)大，就容易產(chǎn)生較大的溫度拉應(yīng)力。當(dāng)該拉應(yīng)力大于相應(yīng)齡期的混凝土容許拉應(yīng)力時(shí)，也容易產(chǎn)生溫度裂縫，因此控制溫差盡量降低溫度梯度是保證不產(chǎn)生裂縫的根本。大體積混凝土在硬化期間，水泥水化熱在1-3天可放出熱量的50%。由于熱量的傳遞、積存，混凝土內(nèi)部的最高溫度大約發(fā)生在澆注后的3-5天。因?yàn)榛炷羶?nèi)部和表面的散熱條件不同，所以混凝土中心溫度高，形成溫度梯度，造成溫度變形和溫度應(yīng)力。溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。施工過(guò)程中采取冷卻水管通水冷卻等溫控措施控制混凝土內(nèi)外部溫差過(guò)大，能有效避免溫度裂縫的產(chǎn)生。

3 混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

在混凝土施工及養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際的施工及氣候條件及技術(shù)規(guī)范要求，大體積混凝土溫度控制需要達(dá)到以下目標(biāo)：

（1）盡量降低溫升，延緩最高溫度出現(xiàn)的時(shí)間。（2）降低承臺(tái)混凝土表面和混凝土中心的溫差，降低新老混凝土間的溫差，控制混凝土表面和大氣溫度間的溫差。（3）控制混凝土的出廠溫度，要求≤25℃。（4）承臺(tái)的最大內(nèi)外溫差要求≤25℃。（5）混凝土表面養(yǎng)護(hù)水與混凝土表面的溫差應(yīng)≤15℃。（6）通過(guò)溫度控制，盡量減緩降溫度速度，溫度降低速率≤2℃/天。

4 主要溫度控制措施

4.1 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)

由于承臺(tái)混凝土澆筑倉(cāng)面面積422m2，每層混凝土按50cm計(jì)算，每層需澆筑方量約211m3。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，混凝土供應(yīng)能力約60m3每小時(shí)，考慮一定的安全系數(shù)，每層混凝土澆筑時(shí)間約為5h。為保護(hù)上下層混凝土連接良好，將混凝土初凝時(shí)間控制在6h以上。摻加適量?jī)?yōu)質(zhì)粉煤灰，選用優(yōu)質(zhì)緩凝高效減水劑，減少砼用水量和水泥用量，降低混凝土內(nèi)部水化熱，減少收縮，增加緩凝時(shí)間，以利于混凝土自然散熱。選用級(jí)配良好、低熱膨脹系數(shù)、低吸水率的粗集料，以滿足大體積混凝土施工需要。經(jīng)過(guò)多方案必選，材料選擇如下：水泥采用廣西華潤(rùn)水泥（田陽(yáng)）有限公司生產(chǎn)的P.O42.5水泥，細(xì)集料采用龍留石場(chǎng)生產(chǎn)的機(jī)制砂，粗集料采用龍留石場(chǎng)生產(chǎn)的5-31.5mm碎石，外摻料采用廣西田東電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，外加劑采用山西黃騰化工有限公司生產(chǎn)的HT-HPC型緩凝高效減水劑。經(jīng)配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)，砂率為45%，坍落度為160-220mm，配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

4.2 承臺(tái)混凝土澆筑工藝

單個(gè)承臺(tái)混凝土方量為2111m3。根據(jù)有關(guān)專家的咨詢意見(jiàn)，為防止分次澆筑造成分次澆筑間層間粘結(jié)效果差易形成層間裂縫，承臺(tái)混凝土采用一次澆筑成型工藝。由于一次澆筑體量大，作業(yè)倉(cāng)面較大。為保證混凝土分層連續(xù)施工，采用兩臺(tái)混凝土汽車泵同時(shí)澆筑混凝土，一臺(tái)泵車布置在大里程左側(cè)處，由承臺(tái)左側(cè)向線路中心澆筑，另一臺(tái)泵車布置在承臺(tái)右側(cè)，由承臺(tái)右側(cè)向線路中心澆筑，承臺(tái)頂面布置4條布料口，混凝土采用分層澆筑，分層厚度為50cm。由于拌和站距離承臺(tái)位置較遠(yuǎn)、便道保通壓力大，混凝土由兩個(gè)拌和站同時(shí)生產(chǎn)供應(yīng)，并對(duì)拌和出的混凝土進(jìn)行坍落度測(cè)定，坍落度不滿足要求的不允許使用。

4.3 冷卻系統(tǒng)

（1）冷卻水管布置。布設(shè)冷卻水管降溫為防止混凝土水化熱造成溫升、溫差過(guò)大，造成承臺(tái)混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，承臺(tái)施工時(shí)內(nèi)部采用循環(huán)冷卻水來(lái)對(duì)混凝土進(jìn)行冷卻降溫。承臺(tái)內(nèi)共埋設(shè)4層冷卻水管，距上下面各1.0m，豎向?qū)娱g距1m；冷卻管端頭距承臺(tái)邊1.1m，橫向距承臺(tái)邊1m。冷卻管采用熱傳導(dǎo)性好并有一定強(qiáng)度的專用鐵管，外徑50mm，壁厚3.0mm。冷卻管順橋向布置，每?jī)蓪永鋮s管一個(gè)進(jìn)口，一個(gè)出口。承臺(tái)冷卻管布置如圖1所示。

（2）冷卻水循環(huán)。在主墩左側(cè)山坡上修建一個(gè)50m3蓄水池，高差10m以上，以保證進(jìn)水口有足夠的壓力，同時(shí)進(jìn)水口處設(shè)置閥門，調(diào)控水流量大小，以此調(diào)控混凝土內(nèi)部溫度。升溫時(shí)段加大水流速度，降溫時(shí)段，可通過(guò)水閥控制減緩水流速度，使水流平緩，以層流狀態(tài)循環(huán)冷卻混凝土。為調(diào)節(jié)進(jìn)水口水溫，在承臺(tái)外側(cè)設(shè)置出水口熱水收集池，將熱水泵至蓄水池，利用出水口熱水及山澗流水調(diào)節(jié)進(jìn)水口水溫，以滿足溫控水溫要求。冷卻管使用前進(jìn)行密水試驗(yàn)，防止管道漏漿、漏水。為保證冷卻管不被混凝土漿液堵塞，在混凝土澆筑至將冷卻管埋住時(shí)就通水，以保證冷卻水的正常循環(huán)。

4.4 降低材料溫度

由于承臺(tái)大體積混凝土澆筑時(shí)間為夏季，白天氣溫較高、日照強(qiáng)度大，材料溫度高，會(huì)造成混凝土入模溫度高。因此，砂石材料均設(shè)置了遮陽(yáng)棚避免日照溫度升高，盡量降低砂石料溫度，嚴(yán)格控制水泥溫度及其進(jìn)場(chǎng)時(shí)間，水泥溫度不得高于50℃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，項(xiàng)目所在地山區(qū)的山澗水環(huán)境溫度為17.3℃，采用該山澗水拌合降溫效果非常顯著。另外，在混凝土拌合前采用冷水沖洗骨料。通過(guò)以上措施，有效地降低了混凝土的溫度。

4.5 保溫保濕養(yǎng)護(hù)

保溫保濕養(yǎng)護(hù)可以起到減少混凝土表面與內(nèi)部溫差過(guò)大的效果，且有利于混凝土的強(qiáng)度增長(zhǎng)，是防止混凝土表面干縮裂縫的一個(gè)重要手段。混凝土澆筑完成后，側(cè)壁采用鋼模板帶模養(yǎng)護(hù)，上表面采取冷卻管排出的溫水澆淋混凝土表面并覆蓋土工布保溫保濕，使表面始終保持濕潤(rùn)，避免干濕循環(huán)；模板拆除后及時(shí)回填基坑，以便更好地保溫保濕。養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于20天。

4.6 測(cè)溫控制

為了明確在混凝土配合比及氣候條件下澆注大體積混凝土所引起的水化熱溫升值，并隨時(shí)掌握塊體內(nèi)部混凝土的溫度，控制溫度裂縫的產(chǎn)生，對(duì)早期的混凝土溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，于澆注混凝土前在承臺(tái)內(nèi)埋設(shè)熱電偶測(cè)點(diǎn)。在混凝土澆注后，對(duì)混凝土內(nèi)的水化熱溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以便采取針對(duì)性的養(yǎng)護(hù)措施。基于承臺(tái)結(jié)構(gòu)是雙對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此在主墩承臺(tái)結(jié)構(gòu)中埋置溫度傳感器，承臺(tái)溫度傳感器布置如圖2所示。通過(guò)每2-3h測(cè)試混凝土內(nèi)部的溫度以及進(jìn)出水口水溫。根據(jù)監(jiān)控細(xì)則及溫控計(jì)算，調(diào)節(jié)進(jìn)水口水溫及進(jìn)水流速，達(dá)到溫度控制的目的。

5 大體積混凝土溫度控制計(jì)算

5.1 混凝土內(nèi)部最高溫度計(jì)算

混凝土的絕熱升溫是在絕熱條件下，即砼既不散失又不吸熱的條件下，由水化熱產(chǎn)生的溫度升高值。混凝土某個(gè)齡期的絕熱溫升由下式計(jì)算：

式中：

C：每立方米砼水泥用量，取306kg/m3

Q：每千克水泥水化熱，3天取163kJ/kg，7天取335kJ/kg；

C：砼比熱，取0.96J/kq.k；

P：砼密度，取2400kg/m3；

m：與水泥品種、振搗溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取0.404；

t：齡期（天）。

由以上公式計(jì)算得知，混凝土在其不吸熱、也不失熱的情況下，完全由水化熱而導(dǎo)致的溫升隨齡期的增長(zhǎng)呈遞增的趨勢(shì)，但齡期達(dá)到20天后，溫升基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，保持在49.29℃而不在增長(zhǎng)。砼在7天齡期溫度增長(zhǎng)最快，其溫升占整個(gè)溫升的94%。由此可見(jiàn)，控制前7天齡期的溫升，是砼溫控施工的關(guān)鍵時(shí)期。

5.2 通水冷卻計(jì)算

因管道分四層布置，層距1m，水平間距1.0m，管徑50mm，流量控制在2.2-2.8m3/h左右，出水口溫度與構(gòu)件內(nèi)部溫度差值不宜大于25℃，同時(shí)與入水口溫度差值不宜大于25℃，可以通過(guò)進(jìn)水口水壓控制。混凝土內(nèi)部開(kāi)始降溫后，為防止其內(nèi)部由于降溫過(guò)快，而產(chǎn)生裂縫，其每天的降溫速度控制在1.5℃/d。每層設(shè)出水口2個(gè)，每套循環(huán)水管降溫的有效范圍為23.2÷2×22.5×1=261m3。循環(huán)水管日降溫計(jì)算公式如下：

通過(guò)計(jì)算，按進(jìn)出水口的溫差為9℃，通水量為1.8m3/h時(shí)，到第7天齡期時(shí)，砼內(nèi)部溫度達(dá)到最高，為50℃，比外界溫度高20℃，滿足規(guī)范要求。從第8天開(kāi)始，砼內(nèi)部溫度以每天3.77℃所謂溫度開(kāi)始下降，大于每天2℃的要求，需要調(diào)節(jié)進(jìn)出水口的溫差及通水量。因此從第8天開(kāi)始，調(diào)節(jié)進(jìn)出水口的溫差為4℃，通水量降為1.5m3/h，混凝土內(nèi)部溫度計(jì)算如表2所示。

從表2計(jì)算可見(jiàn)，從第8天調(diào)整進(jìn)出水口溫差及通水量后，砼內(nèi)部溫度以每天1.44℃的速度下降。到第20天，砼內(nèi)部溫度已經(jīng)降至34.76℃，與環(huán)境溫度30℃已經(jīng)接近，可以停止通水降溫。

6 溫控效果分析

（1）按照監(jiān)控方案，經(jīng)過(guò)高密度的監(jiān)測(cè)，得到大量測(cè)試數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并與理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比將中心測(cè)點(diǎn)溫度與靠近兩側(cè)模板的測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)行比較。澆注11天后，根據(jù)溫控?cái)?shù)據(jù)反映，承臺(tái)內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)測(cè)，6號(hào)墩承臺(tái)混凝土澆筑60h左右，混凝土內(nèi)部中心溫度達(dá)到最高，為58.3℃，其后溫度略有波動(dòng)，最高溫度與理論計(jì)算溫度50℃略高；混凝土中心溫度與表面溫度之差最大為18.69℃，且能保持在25℃以內(nèi)，能滿足溫差要求，溫差變化如圖3所示。

（2）從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，混凝土澆筑后第3天，內(nèi)部溫度達(dá)到最高，最高溫度與計(jì)算溫度也略有偏差，主要是計(jì)算的冷卻水溫度及水流與實(shí)際略有差異導(dǎo)致。

（3）通過(guò)采取溫控措施，滿足了承臺(tái)的最大內(nèi)外溫差要求≤25℃，溫度降低速率≤2℃/天，絕對(duì)溫升的監(jiān)控目的。通過(guò)對(duì)承臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)溫度裂縫，混凝土強(qiáng)度及外觀質(zhì)量均能滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)束語(yǔ)

在本項(xiàng)目施工中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件及溫度計(jì)算結(jié)果，通過(guò)采取優(yōu)化配合比，添加緩凝高效減水劑、粉煤灰減少水化熱，盡量減少水泥用量，采取冷卻水管冷卻降溫，合理的養(yǎng)護(hù)保溫、水溫控制等溫控措施。承臺(tái)混凝土至今未出現(xiàn)明顯的可見(jiàn)裂縫，在本工程中取得了良好效果。

參考文獻(xiàn)

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