大型一次成型工字型承臺溫度控制研究

1、大型一次成型工字型承臺溫度控制研究李飛要 趙曉東摘 要 鄭州中牟人文路跨賈魯河大橋7#承臺是主塔承臺，屬大型工字型承臺。主塔承臺屬于塔梁結(jié)構(gòu)的重要承力結(jié)構(gòu),其抵抗外力大,結(jié)構(gòu)的設計截面積大,為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。大體積混凝土結(jié)構(gòu)與一般結(jié)構(gòu)混凝土的施工及特性均不相同,它形體龐大,且往往需要一次性澆筑成型,混凝土在硬化過程中內(nèi)部水化熱不易散發(fā),導致砼結(jié)構(gòu)物內(nèi)、外溫差懸殊,產(chǎn)生溫度應力。本文通過對賈魯河大橋7#承臺的施工研究，總結(jié)出該種承臺溫度控制的施工工藝和各項施工參數(shù)。關(guān)鍵詞 賈魯河大橋 7#承臺 工字型 大體積混凝土 一次性澆筑 溫度控制1 前 言隨著混凝土施工技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大體積混凝土

2、被運用到橋梁工程中來。作為應用最廣泛、功能最重要的工程結(jié)構(gòu)之一，大體積混凝土已成為大型橋梁建設中必須認真對待的新課題。對于（特）大型橋梁承臺而言，由于一次澆注混凝土體積大，水泥在水化過程中，釋放大量的水化熱，而混凝土是一種不良的導熱材料，導致承臺內(nèi)部溫度升高。在降溫過程中，由于受到自身和外部約束，混凝土不能自由變形，就會在承臺內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力，如果混凝土的早期抗拉強度低于溫度應力，便會在混凝土表面產(chǎn)生溫度裂縫。這些裂縫具有裂縫寬、上下貫通等特點，加速外界環(huán)境對混凝土的風化侵蝕，對混凝土結(jié)構(gòu)承載力、防水性和耐久性等產(chǎn)生顯著影響。大體積混凝土的特征是：結(jié)構(gòu)尺寸大，混凝土數(shù)量大，工程有特殊要求（如不

3、允許開裂，受力復雜等）；水泥的水化熱使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯升溫，容易產(chǎn)生溫度裂縫等。大體積混凝土在施工階段會因水化熱釋放引起內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生裂縫，而且，水化熱溫度若過高，還會導致混凝土后期強度的明顯損失。大體積混凝土的裂縫不論是對它的應力狀態(tài)還是它的使用壽命都有很大的害處。上世紀50年代至70年代，由于人們對大體積混凝土的裂縫的形成機理沒有充分的認識，或沒有找到適當?shù)拇胧﹣矸乐勾篌w積混凝土開裂，尤其是對大體積混凝土內(nèi)部溫度未進行施工控制，國內(nèi)外有許多大體積混凝土結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)嚴重裂縫的實例，嚴重影響工程的使用，以致不得不采取補救措施，費時費力，耗資巨大。大體積混凝土溫度裂縫問題十分復雜，涉及到工程結(jié)構(gòu)的

4、方方面面。對大體積混凝土溫度控制更是涉及到巖土、結(jié)構(gòu)、材料、施工以及環(huán)境等多方面、多學科。隨著各種新材料的不斷涌現(xiàn)，各種監(jiān)測手段的不斷發(fā)展，對大體積混凝土溫度裂縫問題的研究也不斷深入。為了防止溫度裂縫的產(chǎn)生或把裂縫控制在允許的范圍內(nèi)，需要研究溫度裂縫的成因、特點、機理，掌握大體積混凝土內(nèi)的溫度場、應力場分布規(guī)律，從而在施工中采取有效的防裂措施。2 工程概況人文路跨賈魯河大橋位于人文路與賈魯河相交處，主橋為（30+120+40）m雙索面無背索獨塔斜拉橋。主橋7#承臺位于賈魯河河槽內(nèi)，河內(nèi)常年流水，地下水穩(wěn)定水位絕對標高為76.79m77.37m，承臺頂部高程為73.841m，承臺基坑開挖深度為1

5、2.66m，基坑下部大小為47m×53m，采用鋼板樁圍護結(jié)構(gòu)，頂部放坡，放坡級數(shù)為1級，坡比為1:1，基坑頂部平臺尺寸為79.4m×73.4m，開挖范圍內(nèi)土質(zhì)從上往下依次為：粉土層、粉砂層、粉質(zhì)粘土層與粉砂層。主塔下部承臺長44m，寬28m，高5m，混凝土澆筑方量5360m³，屬特殊結(jié)構(gòu)（工字型）大體積承臺。承臺由三部分組成，工字型兩端尺寸為28m×18m×5m，中間連系梁尺寸8.5m×5m×5m，兩端通過中間連系梁連接成一個整體，具體結(jié)構(gòu)布置圖見圖1。圖1 7#承臺結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）3 溫度原因分析大體積混凝土結(jié)構(gòu)與一般

6、結(jié)構(gòu)混凝土的施工及特性均不相同,它形體龐大,且往往需要一次性成型,混凝土在硬化過程中體內(nèi)水化熱不易散發(fā),導致砼結(jié)構(gòu)物內(nèi)、外溫差懸殊,產(chǎn)生溫度應力。當溫度應力超過同期混凝土極限抗拉強度時,結(jié)構(gòu)物內(nèi)就會出現(xiàn)裂縫,也稱溫度裂縫，溫度裂縫嚴重地影響到結(jié)構(gòu)的使用安全。為保證工程質(zhì)量，防止溫度應力造成裂縫，必須對溫度變化規(guī)律進行分析研究。3.1 水泥水化熱在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑初期，水泥水化熱引起升溫，且結(jié)構(gòu)表面自然散熱。在澆筑后的3天7天，混凝土內(nèi)部逐漸達到最高溫度。加之混凝土結(jié)構(gòu)自身的導熱性能差，且大體積混凝土由于熱量散發(fā)的路徑變長，混凝土放熱速度大于散熱速度，使得混凝土內(nèi)部迅速升溫。而混凝土外露表面容易散

7、發(fā)熱量，這就使得混凝土結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)高外低，且溫差很大，形成溫度應力。當產(chǎn)生的溫度應力，超過混凝土當時的抗拉強度時，就會形成裂縫，尤其是貫穿性裂縫。3.2 外界溫度變化大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱情況確定。除出料口溫度外，澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫差梯度。如果外界溫度的下降過快，會造成很大的溫度應力，容易引發(fā)混凝土的開裂。4 溫度控制標準及措施4.1 溫度控制標準針對人文路跨賈魯河大橋7#主

8、塔承臺工字型大體積混凝土自身特點，制定的溫度控制標準如下：（1） 混凝土中心溫度和混凝土表面溫度之差不應大于25，混凝土表面溫度與大氣溫度之差不應大于20。（2） 在澆筑溫度基礎上的最大水化熱升溫不得超過25；（3） 混凝凝土降溫速率不得超過2每天。4.2 溫度控制措施在工字型承臺混凝土施工中，大體積混凝土硬化期間會釋放出大量水化熱，其施工關(guān)鍵在于控制混凝土內(nèi)部和外表面外溫差、外表面與環(huán)境之間的溫差。本工程主要從以下四個方面進行控制：（1） 混凝土配合比的優(yōu)化；（2） 布置冷卻管；（3） 澆筑過程中的控制；（4） 澆筑后的養(yǎng)護。4.2.1 混凝土配合比優(yōu)化混凝土的配合比設計時采用低水化熱水泥，

9、摻加粉煤灰、礦粉、超細粉與硅粉等膠凝材料。反應機理為：低熱水泥的水化熱較普通水泥要小，同時粉煤灰、礦粉、超細粉是通過與水泥水化熱的產(chǎn)物作用產(chǎn)生水化熱，能夠延長混凝土水化熱完全釋放時間，降低混凝土內(nèi)部溫升的幅度和溫度峰值。（1） 水泥：水泥采用了中低熱低堿水泥，凝結(jié)時間長，降低溫度應力，避免溫度裂縫。（2） 粉煤灰、礦粉：摻加粉煤灰和礦粉，其水化熱遠小于水泥，還可利用粉煤灰和礦粉的微集料效應和二次水化效應減小混凝土的自身體積收縮，利于防裂。（3） 砂：采用優(yōu)質(zhì)的水洗中砂，級配良好。（4） 石料：采用5mm25mm連續(xù)級配、空隙率小，線膨脹系數(shù)小，含泥量不超過1%的碎石，提高骨料在混凝土中所占體積

10、，降低水泥用量，進一步降低水化熱。（5） 減水劑：采用高效減水劑。摻減水劑可有效地降低混凝土的單位用水量, 降低水泥用量。高效減水劑可有效地增加混凝土拌合物的和易性, 且能使水泥水化較充分, 提高混凝土的強度，減緩水泥硬化速度，從而可降低水化熱的產(chǎn)生, 同時可明顯延緩水化熱釋放速度。同時泵送混凝土應具有良好的和易性和粘聚性，不離析、不泌水?；炷了涠葢刂圃?80mm以上，初凝時間為20±2h。結(jié)合現(xiàn)場和材料情況，施工前對配合比進行了調(diào)整和優(yōu)化，為大體積混凝土溫控打下基礎。4.2.2 冷卻管布置在承臺混凝土澆筑前，預埋冷卻水管，通過循環(huán)水將內(nèi)部熱量帶出，實現(xiàn)人工導熱。（1） 根據(jù)承

11、臺內(nèi)部溫度分布特征，共布置4層冷卻水管，上下冷卻水管分別位于距頂面和底面70cm處，中間間距為120cm。冷卻水管采用32mm標準鑄鐵水管，冷卻水采用地下井水，冷卻管布置圖詳見圖2、圖3，東西承臺中間連接部位冷卻管單獨布置，布置型式與承臺一致。圖2 7#承臺冷卻管立面圖（單位：mm）圖3 7#承臺冷卻管立面圖（單位：mm）（2） 冷卻管布置完成后，進行壓水試驗，防止管道漏水和堵塞。（3） 在開始澆筑混凝土時，即通入冷卻水，連續(xù)通水15天，水壓可根據(jù)天氣和水化熱情況適當調(diào)整，進水口水溫和承臺中心混凝土溫度的溫差應控制在25以內(nèi)，出水口溫度應控制在40以下。（4） 在通入冷卻水進行降溫時，應根據(jù)實

12、際情況對進、出水口進行變換，防止出現(xiàn)不均勻降溫。（5） 冷卻管使用完畢后進行灌漿封孔，灌漿材料強度應不低于承臺混凝土強度。4.2.3 澆筑過程控制 工字型承臺的特點是兩端結(jié)構(gòu)通過中間連系梁連接成一個整體，本工程澆筑采用整體分段分層澆筑，由承臺兩端向中間對稱澆筑，不留施工縫，一方面保證結(jié)構(gòu)的整體性，另一方面控制澆筑過程中大體積混凝土的內(nèi)外溫差在規(guī)定范圍內(nèi)。澆筑分層厚度為30cm，分段長度在3m5m。為了使混凝土不出現(xiàn)冷縫，要求上下層澆筑混凝土間隔時間控制在4小時以內(nèi)。大體積混凝土采用二次振搗工藝，即在混凝土澆筑后即將凝固前，在適當?shù)臅r間和位置給予再次振搗，以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平鋼筋下部

13、生成的水分和孔隙，增加混凝土的密實度，減少內(nèi)部微裂縫和改善混凝土強度，提高抗裂性。振搗時間長短應根據(jù)混凝土的流動性大小而定。等混凝土表面基本收水后，用木抹子再連續(xù)壓兩遍，使混凝土表面搓平并消除干縮裂縫。4.2.4 澆筑后的養(yǎng)護養(yǎng)護是大體積混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。外部采用保溫蓄熱法進行養(yǎng)護。先在混凝土表面覆蓋1層塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆蓋2層棉氈用以保溫。為防止雨雪等造成混凝土表面溫度突降，在棉氈上再加蓋l層塑料薄膜，隔離較低溫度的雨水對棉氈的影響，同時又使表面已升高的溫度不易散失。內(nèi)部采用預先設置的冷卻水管進行降溫，每層冷卻水管在混凝土澆筑覆蓋水管后即開始通水，管內(nèi)水流的流速和進出水口的轉(zhuǎn)換

14、根據(jù)內(nèi)外溫差實時調(diào)整。5 溫度監(jiān)測及分析混凝土澆筑結(jié)束后，對混凝土內(nèi)的溫度進行檢測，每兩小時檢查一次并進行詳細記錄?；炷翜囟葯z測持續(xù)時間為15天。在溫度監(jiān)控過程中，嚴格控制混凝土內(nèi)部與表面溫差，表面與大氣溫差不超過20，進水口與出水口的溫差不超過25。當溫差超過界限時，及時對冷卻管內(nèi)的水溫和流速進行調(diào)整或?qū)炷帘砻孢M行覆蓋保溫。5.1 測點布置在鋼筋安裝完成后，按照大體積混凝土特點在結(jié)構(gòu)物內(nèi)安裝溫控元件，測定混凝土內(nèi)外溫度。溫控元件分三層布置，每層布置位置見圖4。圖4 7#承臺溫控元件布置圖（單位：mm）5.2 監(jiān)測結(jié)果根據(jù)各溫控元件所測溫度匯總表，繪制承臺混凝土斷面平均溫度過程曲線，如下

15、所示：（1）承臺底層混凝土斷面平均溫度過程曲線（2）承臺中間層混凝土斷面平均溫度過程曲線（3）承臺頂層混凝土斷面平均溫度過程曲線5.3 監(jiān)測結(jié)果分析（1） 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，可知承臺混凝土具有急劇升溫和緩慢降溫、趨于穩(wěn)定的特征。（2） 承臺各層斷面內(nèi)溫差小于5，各層斷面最大溫差為17，低于溫度設計要求的25，承臺沒有出現(xiàn)溫度裂縫。（3） 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整、控制水的溫度、流量和流向，使承臺混凝土的各層最大降溫速率控制在2每天，削弱了早期溫峰，同時防止中后期溫度回升。（4） 中心點的升溫明顯快于邊點，這是因為中心點容易積聚熱量，且其不易散發(fā)出去。（5） 中心部位混凝土因冷卻水所產(chǎn)生的降溫數(shù)值大，混凝土表面和底部所產(chǎn)生的降溫數(shù)值小。（6） 混凝土澆筑后，水泥水化熱對于混凝土的溫度影響起主導作用，10天后混凝土的溫度變化趨于平緩。6 結(jié) 語通過人文路跨賈魯河大橋7#主塔承臺大型一次成型工字型