晉蒙黃河大橋大體積承臺水化熱溫度控制

臧 博

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

晉蒙黃河大橋主橋采用（82.68+4×152+82.8）m+（82.8+3×152+82.72）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁-連續(xù)剛構(gòu)橋組合體系。主墩承臺為整體式結(jié)構(gòu)，橫橋向長29.85 m，順橋向?qū)?8.6 m，高5 m，承臺總方量達(dá)2 776 m3，屬于典型的大體積混凝土[1]。混凝土在凝結(jié)時(shí)釋放大量的水化熱，由于尺寸較大，大體積混凝土的散熱條件并不是很好，熱量基本積聚在混凝土內(nèi)部。溫度分布不均勻引起變形的不均勻，當(dāng)溫度變形受到約束就會產(chǎn)生溫度應(yīng)力甚至出現(xiàn)裂縫[2]。

圖1 主墩承臺施工現(xiàn)場

2 配合比設(shè)計(jì)及澆筑養(yǎng)生工藝

2.1 配合比設(shè)計(jì)

原材料應(yīng)合理選擇級配優(yōu)良的砂、石料，以及混凝土外摻劑。為減少水化熱，應(yīng)降低水泥用量，控制混凝土水灰比。適當(dāng)提高外摻料比例，能夠有效降低早期最高絕熱溫升值和降低溫升速率。材料選擇為：內(nèi)蒙古天皓425水泥；府谷麻鎮(zhèn)劉家壕料場中砂、連續(xù)級配碎石（5～31.5 mm）；山西奧瑞特聚羧酸高性能減水劑；內(nèi)蒙古準(zhǔn)大電廠Ⅰ級粉煤灰。試配后，經(jīng)適當(dāng)調(diào)整，最終確定的配合比見表1。

表1 承臺C30混凝土配合比 kg/m3

2.2 混凝土分層澆筑方案

承臺采用斜面分層一次澆筑成型。每層混凝土澆筑厚度控制在40 cm左右。每一層從短邊開始，由兩邊向中間澆筑，斜面邊坡由混凝土自然流淌形成的邊坡。每層都采用人工搗實(shí)，振搗距離控制在50 cm內(nèi)，每個振點(diǎn)振搗時(shí)間為20～30 s，且以混凝土表面呈水平不再顯著下沉，不再出現(xiàn)氣泡、表面泛出灰漿為準(zhǔn)。為保證混凝土和易性，混凝土坍落度控制在18 cm左右，初凝時(shí)間8 h左右。由于混凝土坍落度比較大，會在表面鋼筋下部產(chǎn)生水分，或在表層鋼筋上部的混凝土產(chǎn)生細(xì)小裂縫。為了防止出現(xiàn)這種裂縫，在混凝土初凝前和混凝土預(yù)沉后采取二次抹面壓實(shí)措施。混凝土采用混凝土56 d強(qiáng)度評定的措施，保障溫控措施的順利實(shí)施。

2.3 混凝土養(yǎng)生及保溫措施

為了保證混凝土后期強(qiáng)度的正常增長，防止出現(xiàn)干縮裂縫，必須加強(qiáng)大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)工作，混凝土表面應(yīng)加強(qiáng)潮濕養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)生時(shí)間不得少于14 d，始終保持混凝土表面潮濕，防止混凝土出現(xiàn)干縮裂縫。當(dāng)氣溫急劇下降或氣溫低于5℃時(shí)，應(yīng)灑熱水養(yǎng)護(hù)或采用塑料薄膜養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)的同時(shí)，控制混凝土的溫度變化，根據(jù)季節(jié)不同采取保溫和散熱的綜合措施，保證混凝土內(nèi)表溫差及大氣溫度與混凝土表面的溫差在控制范圍內(nèi)，并達(dá)到保溫、保濕養(yǎng)護(hù)的效果。

3 大體積混凝土水化熱理論計(jì)算

3.1 混凝土內(nèi)部最高絕熱溫升值[3]

表2 各齡期混凝土絕熱溫升值 ℃

3.2 混凝土中心最高溫度

式中：Tj=22℃（混凝土平均入模溫度）；ξ為混凝土的散熱系數(shù)，取0.8。計(jì)算得到承臺混凝土中心最高溫度值TMAX=56.6℃。

3.3 混凝土表面溫度

Tq為環(huán)境溫度，監(jiān)測期間環(huán)境溫度為10℃～31.6℃，平均溫度20.8℃。

ΔT=TMAX-Tq=35.8 ℃，H=5 m，h=0.1 m，故 Tb=23.6℃，考慮極端氣溫條件時(shí)，Tb=13.6℃。

3.4 混凝土內(nèi)表溫差

ΔTc=TMAX-Tb=33.0℃＞25℃，考慮極端氣溫條件時(shí)，TMAX-Tb=43.0℃＞25℃。顯然混凝土內(nèi)表最大溫差超過規(guī)定要求值，若不采取措施，將會產(chǎn)生表面裂縫。

4 溫度監(jiān)測

為了防止承臺混凝土在施工過程中產(chǎn)生溫度裂縫，確保承臺的施工質(zhì)量。在首個主墩承臺混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)等施工過程中進(jìn)行溫度監(jiān)測，積累相關(guān)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，對該工程后續(xù)承臺的施工控制起到一定參考和指導(dǎo)作用。

4.1 冷卻水管埋設(shè)

根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征及混凝土澆筑工藝特點(diǎn)，距離承臺底部以上約50 cm布設(shè)一層冷卻水管，沿高度方向每隔100 cm布設(shè)一層冷卻水管，共布設(shè)5層冷卻水管，第5層水管距離承臺頂面50 cm，冷卻水管采用Φ50×2.5 mm鋼管。進(jìn)水出水口集中布置，獨(dú)立設(shè)置每一層進(jìn)水控制閥。

4.2 監(jiān)測測點(diǎn)布置

為了了解承臺混凝土內(nèi)部溫度分布規(guī)律，同時(shí)給現(xiàn)場溫控措施提供可靠的數(shù)據(jù)，根據(jù)承臺混凝土對稱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在承臺沿高度方向共布設(shè)9層測點(diǎn)，其中在第1、5、9層中每層布設(shè)9個測點(diǎn)，采用十字布設(shè)方法，共計(jì) 27 個測點(diǎn)；另在第 2、3、4、6、7、8層中每層布設(shè)2測點(diǎn)，布設(shè)于1號測點(diǎn)和3號測點(diǎn)處，共計(jì)12個測點(diǎn)；承臺總計(jì)布設(shè)39個測點(diǎn)。測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測測點(diǎn)布置（單位：cm）

4.3 溫度監(jiān)測控制原則及控制指標(biāo)要求

根據(jù)大體積混凝土水化熱釋放特點(diǎn)及以往工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土澆筑后7 d內(nèi)，水化熱溫度最高，變化速率最大，內(nèi)部冷卻水溫控制較為重要，混凝土澆筑后7～15 d內(nèi)，混凝土內(nèi)部水化熱越過最高值，處于溫度持續(xù)下降階段，內(nèi)表溫差控制極為重要，因此根據(jù)此特點(diǎn)，混凝土的溫度測試工作在混凝土澆筑覆蓋后立即進(jìn)行，連續(xù)監(jiān)測15～20 d。從混凝土開始覆蓋至溫度峰值出現(xiàn)以前每2 h監(jiān)測一次，峰值出現(xiàn)后每4～8 h監(jiān)測一次，持續(xù)5 d，然后轉(zhuǎn)入每天測2次，直到溫度變化基本穩(wěn)定為止。

為了控制大體積混凝土內(nèi)部水化熱溫度，在溫控監(jiān)測時(shí)，按照大體積混凝土施工規(guī)范和公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[4]的要求，結(jié)合熱工計(jì)算及現(xiàn)場施工實(shí)際情況，制定溫度控制原則和控制指標(biāo)要求。

4.3.1 溫度控制原則

a）盡量降低混凝土絕熱溫升值、延緩最高溫度出現(xiàn)時(shí)間。

b）盡量降低混凝土中心和表面之間、新老混凝土之間的溫差以及控制混凝土表面和氣溫之間的溫差。

c）盡量延長最高溫度下降時(shí)間，降低降溫速率。

4.3.2 溫度控制指標(biāo)要求

a）混凝土入模溫度不大于28℃，絕熱溫升值不大于40℃，混凝土內(nèi)部絕熱溫度不大于70℃；

b）混凝土澆筑塊體的內(nèi)表溫差不大于25℃；c）混凝土澆筑體表面與大氣溫差不大于20℃；

d）混凝土澆筑體的降溫速率不大于2℃/d。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

5.1 溫度

各層混凝土內(nèi)部最大溫度范圍為42.3℃～44.6℃，在第5層混凝土澆筑后48 h，內(nèi)部溫度達(dá)到最高值44.6℃，低于理論計(jì)算最大溫度值56.6℃，表明溫度控制措施是有效的，能夠滿足施工要求。

圖3 第1、5、9層混凝土溫度變化

5.2 溫差

各層混凝土最大內(nèi)表溫差范圍為8.8℃～23.3℃，在第6層混凝土澆筑后64 h，出現(xiàn)混凝土最大內(nèi)表溫差為23.3℃，低于控制值25℃；混凝土表面與大氣最大溫差范圍為12.7℃～18.6℃，低于控制值20℃。在第6層混凝土澆筑后14 h，出現(xiàn)表面與大氣最大溫差值18.6℃，此時(shí)環(huán)境溫度為當(dāng)日最低16.9℃，而內(nèi)部溫度正處于水化熱溫度上升階段。

圖4 第6層溫差變化

從以上分析可知，混凝土內(nèi)表溫差、表面與大氣溫差監(jiān)測控制措施是有效的，能夠滿足規(guī)范要求。

5.3 降溫速率

各層混凝土平均降溫速率范圍0.2℃/d～1.3℃/d，其中第9層混凝土降溫速率較快，最大斷面降溫速率為1.3℃/d，混凝土整體斷面降溫速率滿足規(guī)范要求。

6 結(jié)論與建議

通過對晉蒙黃河大橋承臺混凝土水化熱的跟蹤監(jiān)控，有效控制了混凝土的溫度及溫差變化，養(yǎng)護(hù)結(jié)束后承臺表面未出現(xiàn)任何裂紋。在今后的施工過程中建議：

a）嚴(yán)格控制混凝土絕熱溫升值，是防止裂縫的最重要措施。因此在針對混凝土原材料選擇、配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、冷卻水管埋置、通水管理、混凝土分層澆筑、混凝土養(yǎng)生等方面進(jìn)行合理控制。

b）嚴(yán)格控制混凝土內(nèi)表溫差、表面溫差與大氣溫差值。在澆筑時(shí)降低內(nèi)外溫差，減小自約束應(yīng)力；降低相臨上下澆筑層溫差，減小外約束應(yīng)力。可采用降低混凝土澆筑溫度方式控制，即通過冷卻拌和水、加冰拌和、預(yù)冷骨料等辦法降低混凝土出機(jī)口溫度。可采用混凝土表面保溫、保濕養(yǎng)生等措施進(jìn)行控制，如在混凝土表面澆水后覆蓋一層塑料薄膜，再覆蓋土工布進(jìn)行保溫。

c）冷卻水管通水量應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整。混凝土覆蓋水管1 h后，即開始通水，應(yīng)根據(jù)溫升速率調(diào)整通水量和通水速率，直至穩(wěn)定通水。根據(jù)不同層混凝土溫度變化趨勢，進(jìn)行不同層水管分批間隔通水停水，保證混凝土升溫速率和降溫速率不致太快，延緩最高溫度出現(xiàn)時(shí)間，延長最高溫度下降時(shí)間，有效控制混凝土內(nèi)表溫差。

d）采用表面覆蓋塑料薄膜、蓄水養(yǎng)護(hù)的措施，嚴(yán)禁采用循環(huán)熱水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。降溫時(shí)，夜間混凝土表面應(yīng)覆蓋土工布保溫保濕。