某長江大橋承臺大體積混凝土低溫防裂技術(shù)分析

引言某長江大橋長約4.4km，主橋采用縱向鉆石型索塔中央雙索面三塔組合梁斜拉橋，跨徑布置為80-218-2×600-218-80，合計1796m。承臺為矩形，外形尺寸24m×24m，厚6m，采用C35混凝土，是為大體積混凝土構(gòu)筑物。承臺的混凝土構(gòu)筑物截面尺寸大、澆筑混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的熱阻大，熱量聚集在混凝土構(gòu)筑物內(nèi)部，混凝土自身導(dǎo)熱性差，致使內(nèi)部熱能不易散發(fā)，而表面與外界接觸散熱快，進(jìn)而形成內(nèi)外溫差，混凝土構(gòu)筑物因溫度不同使得各部位膨脹收縮不同，形成不均勻的溫度應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過其自身即時抗拉強(qiáng)度，承臺混凝土構(gòu)件就會產(chǎn)生內(nèi)部或表面裂縫，進(jìn)而破壞構(gòu)件結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性，與設(shè)計產(chǎn)生偏差；嚴(yán)重的會廢棄重筑，因此對大體積混凝土構(gòu)件的溫度場控制是其進(jìn)行防裂的關(guān)鍵[1-5]。本文從承臺混凝土構(gòu)件的原材料、設(shè)計配合比、拌合運輸澆筑等工藝流程進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，對承臺構(gòu)件溫控計算和現(xiàn)場溫度裂縫預(yù)控制等方面著手，對主塔大體積混凝土的建筑實施進(jìn)行防裂控制。

1、原材料及配合比

1.1原材料對承臺構(gòu)件的所有原材料進(jìn)行對比檢測，原材料均滿足設(shè)計技術(shù)指標(biāo)要求。海螺P·Ⅱ42.5型硅酸鹽水泥，比表面積355m2/kg,SO3含量2.04%，燒失量2.4%，堿含量0.61%；諫壁電廠F類Ⅰ級粉煤灰，SO3含量1.94%、燒失量2.9%；梅寶S95?；郀t礦渣粉，SO3含量2.21%，燒失量0.87%；長江某支流Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量0.9%；5～25mm級配碎石，壓碎值14%，針片狀含量3.8%，含泥量0.2%；某緩凝型聚羧酸高性能減水劑，減水率28%，固含量25%。1.2

配合比承臺混凝土構(gòu)件為低水化熱、散熱性好且高抗裂性、抗?jié)B性好的混凝土并兼顧施工性，同時滿足構(gòu)件設(shè)計的性能參數(shù)。通過優(yōu)化試驗篩選，并對混凝土性能綜合對比分析，篩選出長江大橋承臺的混凝土配合比。承臺C35混凝土優(yōu)選試驗配合比見表1，其工作性能與力學(xué)性能見表2。承臺的混凝土絕熱溫升與力學(xué)性能滿足設(shè)計要求，同時也滿足大體積混凝土設(shè)計要求。表1

承臺C35大體積混凝土試驗配合比kg/m3表2承臺C35混凝土工作性能與力學(xué)性能2、溫控計算

2.1溫度場及溫度應(yīng)力場仿真計算分析承臺混凝土分2次澆筑，澆筑高度為（3.0+3.0）m。承臺受2.0m厚水下C25混凝土墊層約束；依據(jù)模擬試驗，同時根據(jù)冷卻水管降溫輻射效果，設(shè)計冷卻管間距為100cm×100cm。承臺第1層入模溫度取16℃，第2層入模溫度取18℃。在此工況條件下，課題組利用FEA有限元仿真分析軟件對承臺大體積混凝土進(jìn)行建模分析，根據(jù)設(shè)計施工的施工工藝，在承臺混凝土的1/2剖體溫度與溫度應(yīng)力發(fā)展進(jìn)行溫控模擬分析。承臺大體積混凝土溫度及溫度應(yīng)力場的仿真模擬結(jié)果見表3，承臺的最高溫度包絡(luò)圖如圖1所示。表3承臺C35混凝土溫度及應(yīng)力場仿真計算結(jié)果圖1承臺最高溫度包絡(luò)（單位：℃）由表3和圖1可知，承臺分2層施工，第1層最高溫度為49.85℃，最大溫差為18.43℃；第2層混凝土中形成的內(nèi)部最高溫度為52.08℃，最大內(nèi)表溫差19.52℃，因此得到最高溫度為52.08℃，最大溫差19.52℃。模擬結(jié)果對比規(guī)范JTG/T3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不應(yīng)大于75℃的規(guī)定，符合該標(biāo)準(zhǔn)中大體積混凝土內(nèi)表溫差控制在25℃以內(nèi)的規(guī)定。承臺混凝土各齡期溫度應(yīng)力計算值均低于容許應(yīng)力值，抗裂安全性較高。

2.2溫控標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)FEA有限元仿真分析計算結(jié)果，同時結(jié)合相關(guān)規(guī)范要求并依據(jù)設(shè)計技術(shù)指標(biāo)，算出承臺混凝土防裂控溫實施的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，見表4。表4

承臺大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)3、現(xiàn)場溫度裂縫控制措施

根據(jù)溫控標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場施工條件，選取技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)合理、現(xiàn)場組織施工方便的控溫控裂技術(shù)手段[6-10]，承臺混凝土構(gòu)件的主要技術(shù)手段包括拌合前入模溫度的控制、內(nèi)循環(huán)冷卻水控制及強(qiáng)度形成時期的養(yǎng)護(hù)控制等。

3.1入模溫度控制承臺大體積混凝土施工時間為2021年1~2月，為低溫期施工，混凝土有防凍害需求，為了避免熱量散失過快，溫差過大，混凝土澆筑過程要嚴(yán)格控制澆筑溫度下限[10-14]。入模溫度控制措施有：提前備料、搭設(shè)骨料保溫棚；使用鍋爐燒熱水拌合，對儲水箱進(jìn)行包裹，如圖2、圖3所示?，F(xiàn)場專人實測，嚴(yán)格控制混凝土入模溫度在14.2～17.3℃。冬季采取上述技術(shù)措施，在混凝土澆筑前能有效保溫，避免熱量散失；同時達(dá)到混凝土入模溫度控制在溫控標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提高了混凝土的澆筑下限。圖2拌合水加熱包裹保溫圖3罐車包裹保溫3.2冷卻水控制承臺混凝土入模后，混凝土開始凝固發(fā)生水化反應(yīng)釋放熱能，其內(nèi)部溫度升高，通過構(gòu)架冷卻水管，來降低混凝土內(nèi)部溫度[15-16]，根據(jù)FEA有限元仿真分析混凝土內(nèi)部溫度場，在承臺混凝土的第1、第2澆筑層均正交交錯設(shè)置3層冷卻水管，保障內(nèi)部溫度不致過高；冷卻水管水平管間距為100cm×100cm，垂直管間距為100cm；冷卻水管埋設(shè)距離混凝土表面、側(cè)面不小于50cm；每層設(shè)置3套水管，水管分別設(shè)置1個進(jìn)出水口，總長度不宜超過200m。選取Φ40mm的管徑，通過橡膠管連接。冷卻水管的水平布置示例如圖4所示。（a）奇數(shù)層（b）偶數(shù)層圖4承臺冷卻水管水平布置示意圖（單位：cm）承臺混凝土冷卻系統(tǒng)采用自來水循環(huán)。循環(huán)水通過分水器將各層各套水管集中分出（如圖5所示），再回流到循環(huán)水箱（如圖6所示）。現(xiàn)場共用1個分水器和2個循環(huán)水箱。1個水箱對應(yīng)1個分水器進(jìn)行編號分組，分水器設(shè)9個獨立水閥以便控制每套水管冷卻水流量流速，并通過1個減壓閥控制通水速率，達(dá)到精準(zhǔn)控溫的目的。圖5分水器分流圖6循環(huán)水箱混凝土升溫初期采用往水箱一直加冷水的方式以最大程度冷卻混凝土；混凝土內(nèi)部溫度與進(jìn)水溫度之差達(dá)到20℃后改為內(nèi)循環(huán)，即冷卻出水回到循環(huán)水箱，根據(jù)需要補(bǔ)充江水，在充分冷卻混凝土的前提下盡量避免進(jìn)水溫度過低給混凝土造成冷擊；溫峰后根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果控制冷卻水進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差小于20℃，通過獨立水閥調(diào)整冷卻水流量以控制混凝土降溫速率≤2℃/d。整個通水過程中實測進(jìn)水溫度在13~35℃之間，出水溫度在15~37℃之間，進(jìn)出水溫差在2~5℃之間，符合進(jìn)出水溫差≤10℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。3.3養(yǎng)護(hù)控制主墩大體積混凝土施工期間氣溫較低，混凝土保溫、保濕養(yǎng)護(hù)非常困難；尤其是鋼模板的保溫效果較差更增加了養(yǎng)護(hù)難度。承臺頂面初凝后采取上表面覆蓋保溫棉被，并搭建封閉式遮雨棚，棚內(nèi)燒煤爐等養(yǎng)護(hù)措施（如圖7所示），多重保溫養(yǎng)護(hù)；側(cè)面給鋼模板貼保溫板保溫，拆模后覆蓋保溫棉被，保溫效果良好，內(nèi)表溫差可控。圖7承臺上表面覆蓋保溫棉被3.4現(xiàn)場溫度監(jiān)控施工期間實時監(jiān)測質(zhì)量和溫控成效，做到數(shù)據(jù)及時可控，現(xiàn)場可依據(jù)實際情況實施動態(tài)調(diào)整，高效可視化、信息化施工，對承臺的混凝土拌合、運輸、入模、澆筑、成型時內(nèi)部外部、進(jìn)出水口溫度進(jìn)行實時監(jiān)測。承臺混凝土對其內(nèi)部溫度測點的設(shè)置：（1）依據(jù)承臺溫度場的分布，對縱向的溫度監(jiān)測測點，特別是間距適當(dāng)調(diào)整，監(jiān)測測點應(yīng)在水管間距上≥25cm；（2）根據(jù)承臺自身特點對稱性的特點，內(nèi)部向外部散熱性，選取承臺的1/4布設(shè)監(jiān)測測點；（3）依據(jù)實際溫控指標(biāo)，溫度監(jiān)測測點設(shè)置避免在水管溫度輻射范圍內(nèi)，同時避開承臺的外表面。溫度監(jiān)測測點如圖8所示。圖8承臺測溫元件布置示意（單位：cm）工程于2021年1月23日澆筑第1層混凝土，2月2日澆筑第2層混凝土。承臺第1、2層溫度特征值歷時曲線如圖9、圖10所示。第1層混凝土內(nèi)部最高溫度為49.0℃，發(fā)生于澆筑后的70h左右，也就是3d強(qiáng)度形成時；此時的水化反應(yīng)最為劇烈；第2層混凝土內(nèi)部最高溫度為51.7℃，發(fā)生在60h左右，最高點前置，分析認(rèn)為這是內(nèi)部冷卻水作用導(dǎo)致最高點未出現(xiàn)在3d作用，認(rèn)為冷卻水起了關(guān)鍵作用；同時發(fā)現(xiàn)，實施監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真計算結(jié)果符合程度較高；承臺混凝土控溫體系的最大溫峰≤60℃的標(biāo)準(zhǔn)；最大內(nèi)表溫差為17.5℃；降溫速率控制在1.1~1.6℃/d。各項控溫指標(biāo)符合規(guī)范和設(shè)計要求，達(dá)到了預(yù)期的效果。圖9第1層混凝土溫度特征值歷時曲線圖10第2層混凝土溫度特征值歷時曲線結(jié)語

利用FEA有限元仿真分析軟件對大橋承臺的大體積混凝土實施仿真分析，構(gòu)建混凝土實施過程的溫控體系，逐一環(huán)節(jié)制定溫控標(biāo)準(zhǔn)和溫控措施；施工過程實時監(jiān)測，動態(tài)協(xié)同管理溫控體系，承臺混凝土整體溫控