連續剛構橋整體式承臺大體積混凝土施工溫度控制

覃祖國

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

關鍵詞：承臺；大體積混凝土；溫度控制

1 工程概況

新廠特大橋中心樁號K18+160，橋梁全長左幅830m，右幅860m，主橋跨越峽谷，主跨為100m+180+100m預應力混凝土箱形連續剛構。6#、7#主墩采用20根直徑φ2.0m樁基礎，左右幅一體整體式承臺結構，承臺長寬高分別為23.2×18.2×5m，每個承臺C30混凝土方量2111m3。由于承臺澆筑時間在8月份，屬于夏季施工，山區夏季晝夜溫差較大，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合不緊密，承臺采取一次澆筑工藝，混凝土方量2111m3，連續澆筑50h以上，混凝土澆筑倉面面積422m2。為保證混凝土澆筑的連續性，具有混凝土布料難度大、水泥砂石料儲備時間長、便道通行壓力大、混凝土施工組織難度大等特點。

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產生較大的溫度變化，由此產生的溫度應力易形成混凝土裂縫。由于水泥的水化熱作用，混凝土澆注后要經歷升溫期、降溫期和溫度穩定期三個階段。升溫階段，水泥產生的水化熱大量聚集在混凝土內部不易散發，內外溫差使混凝土內部產生壓應力，外部產生拉應力。若大于相應齡期的容許拉應力時，就有可能產生裂縫；降溫階段，新澆混凝土受內部鋼筋、封底混凝土及樁頭約束而不能自由收縮，此時彈性模量相對較低。若降溫梯度過大，就容易產生較大的溫度拉應力。當該拉應力大于相應齡期的混凝土容許拉應力時，也容易產生溫度裂縫，因此控制溫差盡量降低溫度梯度是保證不產生裂縫的根本。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，混凝土內部的最高溫度大約發生在澆注后的3-5天。因為混凝土內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力。溫差越大，溫度應力也越大。施工過程中采取冷卻水管通水冷卻等溫控措施控制混凝土內外部溫差過大，能有效避免溫度裂縫的產生。

3 混凝土溫度控制標準

在混凝土施工及養護過程中，根據實際的施工及氣候條件及技術規范要求，大體積混凝土溫度控制需要達到以下目標：

（1）盡量降低溫升，延緩最高溫度出現的時間。（2）降低承臺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）承臺的最大內外溫差要求≤25℃。（5）混凝土表面養護水與混凝土表面的溫差應≤15℃。（6）通過溫度控制，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 優化配合比設計

由于承臺混凝土澆筑倉面面積422m2，每層混凝土按50cm計算，每層需澆筑方量約211m3。根據現場實際情況，混凝土供應能力約60m3每小時，考慮一定的安全系數，每層混凝土澆筑時間約為5h。為保護上下層混凝土連接良好，將混凝土初凝時間控制在6h以上。摻加適量優質粉煤灰，選用優質緩凝高效減水劑，減少砼用水量和水泥用量，降低混凝土內部水化熱，減少收縮，增加緩凝時間，以利于混凝土自然散熱。選用級配良好、低熱膨脹系數、低吸水率的粗集料，以滿足大體積混凝土施工需要。經過多方案必選，材料選擇如下：水泥采用廣西華潤水泥（田陽）有限公司生產的P.O42.5水泥，細集料采用龍留石場生產的機制砂，粗集料采用龍留石場生產的5-31.5mm碎石，外摻料采用廣西田東電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，外加劑采用山西黃騰化工有限公司生產的HT-HPC型緩凝高效減水劑。經配合比設計試驗，砂率為45%，坍落度為160-220mm，配合比設計如表1所示。

4.2 承臺混凝土澆筑工藝

單個承臺混凝土方量為2111m3。根據有關專家的咨詢意見，為防止分次澆筑造成分次澆筑間層間粘結效果差易形成層間裂縫，承臺混凝土采用一次澆筑成型工藝。由于一次澆筑體量大，作業倉面較大。為保證混凝土分層連續施工，采用兩臺混凝土汽車泵同時澆筑混凝土，一臺泵車布置在大里程左側處，由承臺左側向線路中心澆筑，另一臺泵車布置在承臺右側，由承臺右側向線路中心澆筑，承臺頂面布置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位置較遠、便道保通壓力大，混凝土由兩個拌和站同時生產供應，并對拌和出的混凝土進行坍落度測定，坍落度不滿足要求的不允許使用。

4.3 冷卻系統

（1）冷卻水管布置。布設冷卻水管降溫為防止混凝土水化熱造成溫升、溫差過大，造成承臺混凝土產生溫度裂縫，承臺施工時內部采用循環冷卻水來對混凝土進行冷卻降溫。承臺內共埋設4層冷卻水管，距上下面各1.0m，豎向層間距1m；冷卻管端頭距承臺邊1.1m，橫向距承臺邊1m。冷卻管采用熱傳導性好并有一定強度的專用鐵管，外徑50mm，壁厚3.0mm。冷卻管順橋向布置，每兩層冷卻管一個進口，一個出口。承臺冷卻管布置如圖1所示。

（2）冷卻水循環。在主墩左側山坡上修建一個50m3蓄水池，高差10m以上，以保證進水口有足夠的壓力，同時進水口處設置閥門，調控水流量大小，以此調控混凝土內部溫度。升溫時段加大水流速度，降溫時段，可通過水閥控制減緩水流速度，使水流平緩，以層流狀態循環冷卻混凝土。為調節進水口水溫，在承臺外側設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節進水口水溫，以滿足溫控水溫要求。冷卻管使用前進行密水試驗，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就通水，以保證冷卻水的正常循環。

4.4 降低材料溫度

由于承臺大體積混凝土澆筑時間為夏季，白天氣溫較高、日照強度大，材料溫度高，會造成混凝土入模溫度高。因此，砂石材料均設置了遮陽棚避免日照溫度升高，盡量降低砂石料溫度，嚴格控制水泥溫度及其進場時間，水泥溫度不得高于50℃。根據現場調查，項目所在地山區的山澗水環境溫度為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。通過以上措施，有效地降低了混凝土的溫度。

4.5 保溫保濕養護

保溫保濕養護可以起到減少混凝土表面與內部溫差過大的效果，且有利于混凝土的強度增長，是防止混凝土表面干縮裂縫的一個重要手段。混凝土澆筑完成后，側壁采用鋼模板帶模養護，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，避免干濕循環；模板拆除后及時回填基坑，以便更好地保溫保濕。養護時間不得少于20天。

4.6 測溫控制

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，并隨時掌握塊體內部混凝土的溫度，控制溫度裂縫的產生，對早期的混凝土溫度場進行監測，于澆注混凝土前在承臺內埋設熱電偶測點。在混凝土澆注后，對混凝土內的水化熱溫度進行監測，以便采取針對性的養護措施。基于承臺結構是雙對稱結構，因此在主墩承臺結構中埋置溫度傳感器，承臺溫度傳感器布置如圖2所示。通過每2-3h測試混凝土內部的溫度以及進出水口水溫。根據監控細則及溫控計算，調節進水口水溫及進水流速，達到溫度控制的目的。

5 大體積混凝土溫度控制計算

5.1 混凝土內部最高溫度計算

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，由水化熱產生的溫度升高值。混凝土某個齡期的絕熱溫升由下式計算：

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、振搗溫度有關的經驗系數，取0.404；

t：齡期（天）。

由以上公式計算得知，混凝土在其不吸熱、也不失熱的情況下，完全由水化熱而導致的溫升隨齡期的增長呈遞增的趨勢，但齡期達到20天后，溫升基本處于穩定狀態，保持在49.29℃而不在增長。砼在7天齡期溫度增長最快，其溫升占整個溫升的94%。由此可見，控制前7天齡期的溫升，是砼溫控施工的關鍵時期。

5.2 通水冷卻計算

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，出水口溫度與構件內部溫度差值不宜大于25℃，同時與入水口溫度差值不宜大于25℃，可以通過進水口水壓控制。混凝土內部開始降溫后，為防止其內部由于降溫過快，而產生裂縫，其每天的降溫速度控制在1.5℃/d。每層設出水口2個，每套循環水管降溫的有效范圍為23.2÷2×22.5×1=261m3。循環水管日降溫計算公式如下：

通過計算，按進出水口的溫差為9℃，通水量為1.8m3/h時，到第7天齡期時，砼內部溫度達到最高，為50℃，比外界溫度高20℃，滿足規范要求。從第8天開始，砼內部溫度以每天3.77℃所謂溫度開始下降，大于每天2℃的要求，需要調節進出水口的溫差及通水量。因此從第8天開始，調節進出水口的溫差為4℃，通水量降為1.5m3/h，混凝土內部溫度計算如表2所示。

從表2計算可見，從第8天調整進出水口溫差及通水量后，砼內部溫度以每天1.44℃的速度下降。到第20天，砼內部溫度已經降至34.76℃，與環境溫度30℃已經接近，可以停止通水降溫。

6 溫控效果分析

（1）按照監控方案，經過高密度的監測，得到大量測試數據，對測試數據進行分析，并與理論計算值進行對比將中心測點溫度與靠近兩側模板的測點溫度進行比較。澆注11天后，根據溫控數據反映，承臺內溫度趨于穩定。通過實測，6號墩承臺混凝土澆筑60h左右，混凝土內部中心溫度達到最高，為58.3℃，其后溫度略有波動，最高溫度與理論計算溫度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，能滿足溫差要求，溫差變化如圖3所示。

（2）從實測數據表明，混凝土澆筑后第3天，內部溫度達到最高，最高溫度與計算溫度也略有偏差，主要是計算的冷卻水溫度及水流與實際略有差異導致。

（3）通過采取溫控措施，滿足了承臺的最大內外溫差要求≤25℃，溫度降低速率≤2℃/天，絕對溫升的監控目的。通過對承臺現場檢測，未發現溫度裂縫，混凝土強度及外觀質量均能滿足設計要求。

7 結束語

在本項目施工中，根據現場條件及溫度計算結果，通過采取優化配合比，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，合理的養護保溫、水溫控制等溫控措施。承臺混凝土至今未出現明顯的可見裂縫，在本工程中取得了良好效果。

參考文獻

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