承臺(tái)大體積混凝土冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工方案

李敏

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司）

1 工程概況

泰和特大橋全長(zhǎng)6.839km，橋址處贛江左岸地形陡峭、植被茂盛，跨越河槽寬約389m，本橋承臺(tái)共計(jì)201個(gè)，為矩形實(shí)心承臺(tái)，本橋承臺(tái)尺寸多樣，主要承臺(tái)尺寸14.6m×10.6m×3m、12.3m×9m×2.5m、23.5m×17m×5.5m。最大承臺(tái)混凝土2197m3，承臺(tái)施工階段正處于高溫、汛期，澆筑的溫度控制要求高，混凝土配比及原材料選擇要求嚴(yán)，質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2 承臺(tái)大體積混凝土施工方案

承臺(tái)混凝土澆注前，首先清理基底頂面雜物，然后用水再次沖洗，確保基底干凈、平整。本橋最大承臺(tái)混凝土2197m3，其配合比按照大體積混凝土設(shè)計(jì)，最佳的施工配合比通過(guò)交叉配合比試驗(yàn)確定。施工時(shí)避開(kāi)高溫天氣，夏季對(duì)骨料采取遮蔽措施，采用冷水或冰水拌制混凝土，降低混凝土的入倉(cāng)溫度，混凝土施工按30cm 分層澆注、分層振搗[1]，并嚴(yán)格控制澆注速度，加長(zhǎng)混凝土水化熱散熱時(shí)間。頂部混凝土初凝前，對(duì)其壓實(shí)抹平以減少表面裂縫，養(yǎng)護(hù)采用常規(guī)灑水、覆蓋等方法。圖1 為承臺(tái)混凝土澆筑推進(jìn)圖。

為控制混凝土溫度和收縮裂縫，主要采用如下手段：一是優(yōu)化混凝土配合比，降低水泥的用量，降低水化熱[2]；降低溫差；延長(zhǎng)初凝時(shí)間（控制其≥20h）；二是布置冷卻管冷卻系統(tǒng)，通水降溫加快水化熱散失。冷卻管冷卻系統(tǒng)是大體積混凝土施工必不可少的降溫環(huán)節(jié)；三是加強(qiáng)澆注及養(yǎng)護(hù)期間混凝土溫度的監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)整方案及溫控措施。

圖1 承臺(tái)混凝土澆筑推進(jìn)圖

3 控制水化熱

混凝土選用低水化熱或產(chǎn)生水化熱均勻的膠凝材料和摻入粉煤灰、礦粉的膠凝材料，粗骨料最大粒徑31.5mm，初始坍落度18cm 左右，澆筑時(shí)塌落度≥16cm，1h 后≥12cm（泵送施工）。水膠比＜0.55，砂率控制38%～42%，緩凝時(shí)間＞15h。有效增加混凝土水化熱完全釋放時(shí)長(zhǎng)，降低混凝土升溫的幅度和溫度峰值。

4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施方案

以本橋最大承臺(tái)（23.5m×17m×5.5m）為例，進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)施工說(shuō)明。

4.1 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1.1 混凝土溫度的計(jì)算

混凝土中心經(jīng)計(jì)算最高溫度69.8℃。承臺(tái)澆筑后內(nèi)外溫差最大為34.5℃，為防止溫差大產(chǎn)生裂縫，埋設(shè)冷卻水管降溫是一個(gè)有效的溫控方式。

4.1.2 冷卻管的布置及混凝土的降溫驗(yàn)算

⑴冷卻管的計(jì)算條件

在施工過(guò)程中運(yùn)用了一次澆注法，采用外徑40mm、內(nèi)徑38mm 冷卻管，布置上下4 層，縱向間距1.4m，豎向間距為1.3m，初期水溫為20℃，水的比熱Cs=4.2kj/（kg·℃），Ts=10℃，水的密度ρs=1.0×103㎏/m3，水的流量Qs=1.25m3/h，冷卻管總長(zhǎng)度L=900m，混凝土的比熱C=0.916kj/（kg·℃），混凝土導(dǎo)熱系數(shù)λ=3.15W/m·k，容重ρ=2350㎏/m3，導(dǎo)溫系數(shù)a=0.115m2/d。

⑵冷卻管的計(jì)算

計(jì)算公式為：

式中，

Tm——混凝土內(nèi)部平均溫度，℃；

Tj——混凝土的初始溫度，℃；

上軟下硬地層盾構(gòu)法施工時(shí)，硬層比對(duì)橫向沉降的影響相對(duì)明顯，而且地表沉降會(huì)隨硬層比的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，整體的地表沉降量變小，沉降槽的變化趨勢(shì)也相同。對(duì)于預(yù)測(cè)及模擬的結(jié)果進(jìn)行分析，然后在施工階段進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)的方面包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、波速測(cè)試、旁壓試驗(yàn)和水文地質(zhì)試驗(yàn)。工程采用GPS及全站儀對(duì)勘探點(diǎn)位進(jìn)行測(cè)放，高程采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)。

Tb——混凝土的表面溫度，℃；

Ca2——底部不絕緣，上層新混凝土向下層混凝土及表面散熱的殘留比；

X——冷卻水管散熱殘留比；

Ca1——底部不絕緣，上層新混凝土接受下層混凝土傳熱并向表面散熱的殘留比；

Ts——冷卻水管初期通水的水溫，℃；

Tr——通過(guò)表面散熱后的水化熱溫升，℃。

Tm，max=45.7℃，其溫差為45.7－30=15.7℃＜25℃，滿足規(guī)范要求。

4.2 冷卻管的實(shí)施方案

進(jìn)、出水口布置在角部，上下兩層水管進(jìn)出水口相互錯(cuò)開(kāi)。出水口設(shè)調(diào)節(jié)流量的水閥，現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)備測(cè)流量設(shè)備。在水管覆蓋一層混凝土后即開(kāi)始通水，在混凝土溫度達(dá)到峰值并開(kāi)始下降后停止通水，使進(jìn)出口水流溫差≤6℃。冷卻水流量根據(jù)熱工計(jì)算控制，并及時(shí)根據(jù)混凝土溫度監(jiān)控進(jìn)行調(diào)整。待通水散熱完成后，水管內(nèi)用與設(shè)計(jì)強(qiáng)度同標(biāo)號(hào)混凝土或微膨脹水泥漿注漿填塞。圖2 為承臺(tái)混凝土冷卻水管平面布置圖。

圖2 承臺(tái)混凝土冷卻水管平面布置圖

4.3 承臺(tái)施工冷卻效果驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行建模復(fù)核[3]，降溫效果明顯。圖3 為大體積混凝土水化熱云，圖4 和圖5 為大體積混凝土水化熱管冷云圖。

圖3 大體積混凝土水化熱云圖

圖4 大體積混凝土水化熱管冷云圖1

圖5 大體積混凝土水化熱管冷云圖2

5 混凝土測(cè)溫監(jiān)控

布置測(cè)溫點(diǎn)，采用預(yù)埋測(cè)溫元件方式采集混凝土溫度，具體布置位置如圖2 所示，每個(gè)點(diǎn)從上到下布置三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，頂上測(cè)溫點(diǎn)深度距承臺(tái)頂為5cm，底部測(cè)溫點(diǎn)距承臺(tái)底為5cm，中間測(cè)溫點(diǎn)布置于承臺(tái)中部，采用測(cè)溫儀對(duì)混凝土內(nèi)部及表面溫度進(jìn)行監(jiān)控。

混凝土建筑完成7 日內(nèi)，每三小時(shí)檢查一次溫度并進(jìn)行詳細(xì)記錄；檢查時(shí)間為每天的0 時(shí)、3 時(shí)、6 時(shí)、9時(shí)、12 時(shí)、15 時(shí)、18 時(shí)、21 時(shí)。7～15 日后一日兩次，根據(jù)實(shí)測(cè)溫度變化速率調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率。

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，隨時(shí)調(diào)整水溫及混凝土表面的覆蓋情況，確保混凝土內(nèi)外溫差≤25℃，控制循環(huán)水箱里的溫度，溫差過(guò)大加入涼水。降溫速率宜≤2.0℃/d，冷卻水的流量應(yīng)按設(shè)計(jì)保持在2m3/hr。混凝土澆筑體表面與大氣溫差宜≤20℃，在混凝土澆筑完成后，模板在3d 后才進(jìn)行拆模，防止混凝土表面溫度下降過(guò)快，并結(jié)合氣溫變化對(duì)混凝土表面灑水。

6 結(jié)束語(yǔ)

大體積混凝土由于水泥的水化熱，混凝土內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很高的溫度，極其不易散發(fā)，造成混凝土內(nèi)部與表面產(chǎn)生很大溫差，當(dāng)其超過(guò)一定的臨界值，應(yīng)力作用下就會(huì)使混凝土出現(xiàn)裂縫，降低混凝土強(qiáng)度，從而影響結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量。冷卻管降溫方案一直是大體積混凝土降溫效果最明顯的方法，本文通過(guò)對(duì)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、模型、監(jiān)控等方面系統(tǒng)性分析，全面闡述了冷卻管的降溫效果，對(duì)同類工程施工具有較全面的參考價(jià)值。