張新峰

(京廣鐵路客運專線河南有限公司綜合部,鄭州 450003)

1 概述

隨著客運專線橋梁的設(shè)計跨徑不斷加大,為滿足結(jié)構(gòu)受力的要求,大體積混凝土結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用在橋梁建設(shè)中。高強度耐久性混凝土設(shè)計使用年限100年,而影響混凝土耐久性的關(guān)鍵因素就是裂紋和裂縫。大體積混凝土施工過程中必須采用相應(yīng)的技術(shù)措施妥善處理溫度差異、合理解決溫度應(yīng)力、控制表面裂縫。在施工過程中就要創(chuàng)新性改進工藝,混凝土養(yǎng)護成為控制的重點?？瓦\專線冬季大體積承臺混凝土施工的關(guān)鍵在于嚴格控制溫差。

大體積混凝土就是結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸等于或大于1m或預計會因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導致裂縫的混凝土[1]。一般大體積混凝土施工時采取的溫控措施有:通水降溫法、降低水膠比、減少水泥用量等。鄭州黃河公鐵兩用橋是京廣鐵路客運專線跨越黃河的特大型橋梁,全長14.887km(CK642+801.161～CK657+687.848),其中9.177km橋梁為公鐵合建部分,其承臺體積多在800m3以上[2],且主要安排在冬季進行施工,本文主要討論通水降溫法加強大體積混凝土冬季養(yǎng)護。

2 通水降溫工藝

2.1 降溫原理

通水降溫法是通過向設(shè)于混凝土構(gòu)件內(nèi)部的冷卻管注水,吸收混凝土芯部的水化熱,并利用水的循環(huán)流動,將混凝土芯部的水化熱能轉(zhuǎn)化成水的熱能,利用水的流動性將其帶到混凝土實體外部,從而降低混凝土的內(nèi)部溫度,降低混凝土內(nèi)外溫差,減小混凝土溫度應(yīng)力,防止混凝土開裂。

施工時混凝土被認為是一個大型的結(jié)構(gòu)實體,由水化熱產(chǎn)生的混凝土熱能是通過混凝土自身的導熱能力將其慢慢地傳遞到混凝土表面,傳遞到表面的混凝土熱量又通過模板傳遞到大氣之中。大體積混凝土本身結(jié)構(gòu)尺寸較大,導熱系數(shù)小?；炷羶?nèi)部產(chǎn)生的熱能往往無法有效地傳遞到混凝土表面,從而在混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生高溫熱能團,而混凝土表面直接裸露于大氣中,水化熱散失較快,這就導致大體積混凝土芯部與表面溫度相差懸殊,內(nèi)外溫差會產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力。在混凝土澆筑初期,混凝土的抗拉強度較小,這樣混凝土將會產(chǎn)生表面裂紋,裂紋會隨著溫度的逐漸變化而深入,對于有凍融要求的環(huán)境中,會直接影響到混凝土的耐久性,更無法滿足使用年限的要求,最后影響混凝土的實體質(zhì)量[3]。

冷卻管布置后,冷卻管將大體積混凝土實體劃分為若干個小體積,小體積實體可視為直接與外界環(huán)境接觸。以小體積實體為計算單元,通過計算混凝土水化熱釋放出的能量,從而計算出小體積實體產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,以及混凝土自身的抗拉應(yīng)力,判斷混凝土是否會由于溫度的變化導致破壞。

2.2 冷卻管的布設(shè)

冷卻管利用外徑為φ50mm,壁厚為3.5mm的有縫或無縫鋼管,最好采用無縫鋼管(不易破裂,套絲質(zhì)量高)。冷卻管的布設(shè)為折線形式,相鄰冷卻管的間距一般在0.8～1.0m,單根長度一般根據(jù)承臺的寬度而定,且到承臺邊的距離不得大于1.0m;冷卻管的層距控制在0.8～1.0m,布置的層數(shù)根據(jù)承臺的厚度而定,與上下混凝土面的距離不得小于0.5m。

2.2.1 布設(shè)原則

(1)能夠有效的降低混凝土內(nèi)部絕熱溫度;

(2)將大體積混凝土分割成若干個混凝土實體塊;

(3)冷卻管間距一般不得大于1m;

(4)冷卻管層距一般不宜大于1m。

2.2.2 布設(shè)要求

(1)采用焊接接頭時,冷卻管應(yīng)焊接牢固,不得出現(xiàn)漏水現(xiàn)象;

(2)采用螺紋連接時,螺紋接頭處采用膠帶作防漏水措施,嚴禁在接頭處使用黃油等油類物質(zhì);

(3)冷卻管層與層之間可錯開布置,成鋸齒形,便于有效降溫;

(4)不宜由1根冷卻管通長布置在大體積混凝土內(nèi)部。

2.2.3 承臺冷卻管布設(shè)(圖1,圖2)

圖1 承臺冷卻管布置(單位:m)

圖2 冷卻管布置示意

2.3 測溫元件的布設(shè)

2.3.1 布置位置

測溫元件為溫度感應(yīng)計,將其埋設(shè)在混凝土內(nèi)部,埋設(shè)的測溫元件根據(jù)對混凝土溫度控制的要求,部位將有所不同,但大體上分為2種:內(nèi)部測溫元件和表面測溫元件,內(nèi)部測溫元件主要布設(shè)在結(jié)構(gòu)體的中心位置;表面測溫元件埋設(shè)在混凝土結(jié)構(gòu)體的上表面或混凝土結(jié)構(gòu)體的側(cè)面,埋設(shè)的深度一般為:上表面時混凝土表面以下10～20cm;側(cè)表面埋設(shè)深度為結(jié)構(gòu)體的中心,距側(cè)模以 10～20cm為宜[4]。

2.3.2 布設(shè)原則

(1)測溫元件或測溫孔應(yīng)具有代表性,不宜過多;

(2)測量表面溫度和內(nèi)部溫度的部位一般相互對應(yīng);

(3)測溫線一般以超出承臺表面20～50cm為宜,便于測量;

(4)測溫孔一般以超出承臺表面5～10cm為宜;

(5)測溫孔和測溫線可同時布設(shè),也可任選其一;

(6)一般布設(shè)2～3組測溫管或測溫元件,每組為2根;

(7)布設(shè)的測溫管和測溫元件不得影響后續(xù)工序的施工。

2.3.3 布置要求

(1)測溫元件或測溫孔應(yīng)綁扎或焊接牢固,不得移位;

(2)測溫孔為φ32mm的鋼管,下端砸扁,焊接在結(jié)構(gòu)鋼筋上;

(3)測溫孔或測溫元件不得與冷卻管、模板和底層墊層直接接觸,更不允許焊接在冷卻管或模板上。

(4)測溫孔布設(shè)完畢后應(yīng)用棉布塞嚴,而測溫線插頭保證不得被混凝土污染。

2.3.4 測溫布置

測溫元件的布置見圖1,現(xiàn)場實物照片見圖3。

圖3 埋設(shè)的測溫元件

2.4 測溫

根據(jù)大體積混凝土內(nèi)部溫度的特點、內(nèi)外溫差、以及與環(huán)境溫差的要求[5],鄭州黃河公鐵兩用橋承臺在混凝土澆筑前埋設(shè)測溫元件,測量混凝土內(nèi)部溫度的測溫元件埋置深度為混凝土的芯部,測量表面溫度的測溫元件與混凝土表面相差10cm。通過合理布置測溫元件,成功地控制了大體積混凝土的內(nèi)外溫差,滿足了工程質(zhì)量要求[6]。

施工過程中通過埋設(shè)測溫管和測溫片2種方法進行比較,測溫管價格低,測溫偏差大,讀數(shù)難度大,后期需灌漿處理;測溫片測溫準確,后期無需處理,價格貴,但可采用三點法,在3個具有代表性的測點,不同的高度進行埋設(shè),一個承臺測溫完成后,還可截下二次利用,測溫片可以隨時量測,直觀地反映溫度,使用過程中可結(jié)合玻璃溫度計進行校正。

一般于混凝土澆筑完成后4h內(nèi)開始通循環(huán)水,在120h后可以停止循環(huán),主要根據(jù)測溫情況現(xiàn)場隨時決定,保證混凝土內(nèi)部溫度穩(wěn)定下降?；炷翝仓陂g應(yīng)保持棚內(nèi)溫度不低于5℃,灌注結(jié)束4～6h后方可升溫,升溫速度和降溫速度均不宜大于10℃,恒溫時芯部溫度不宜超過60℃,最高不能超過65℃。

循環(huán)水的水溫按照混凝土內(nèi)部溫度W芯、冷卻進水溫度W進和冷卻出水溫度W出滿足關(guān)系式:W芯-(W進+W出)/2≤30℃進行控制。

升溫階段:一般情況,混凝土在澆筑完成后24h,混凝土的內(nèi)部溫度將會開始升溫,直到混凝土澆筑完成后2d,內(nèi)部絕熱溫度達到最高,在這個時間開始,以每2h測量1次為宜。

恒溫階段:混凝土在澆筑后第3～4d之間,其溫度變化相對較小,可認為是混凝土的恒溫階段,測量溫度的頻率將每4h測量1次為宜。

降溫階段:混凝土在澆筑完成4d后,溫度將緩慢回落,對溫度的測量一般控制在每6h測量1次,可以達到要求。

2.5 測溫持續(xù)時間

根據(jù)不同混凝土潮濕養(yǎng)護的最低期限的要求[7],結(jié)合鄭州黃河公鐵兩用橋混凝土配合比的設(shè)計,要求在混凝土施工完畢必須養(yǎng)護不得少于14d,并要求以測溫檢查養(yǎng)護的效果。故在工程施工過程中,混凝土的測溫持續(xù)時間為14d,在此期間保證混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度、表面溫度與環(huán)境溫度(設(shè)置有保溫大棚時,應(yīng)為保溫大棚內(nèi)的溫度)的溫差不得大于20℃。要求按測溫頻率隨時檢查隨時調(diào)整通水流量。

2.6 通水時間的要求

混凝土澆筑完成后,混凝土內(nèi)水化熱開始釋放,混凝土的內(nèi)部溫度、表面溫度將逐漸升高。在大體積混凝土開始升溫時,就在布置的冷卻管內(nèi)通水,利用水的溫差帶走部分混凝土內(nèi)部水化熱,達到降溫的效果;當混凝土內(nèi)部和表面溫度開始明顯下降時,可通過現(xiàn)場的實際溫度要求間斷通水;當混凝土的絕熱溫度下降速度超過2℃/d,混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度、表面溫度與環(huán)境最低溫度相差15℃以內(nèi)時,結(jié)束通水[8]。

2.7 搭設(shè)養(yǎng)護暖棚

冬季混凝土施工,養(yǎng)護期間混凝土芯部與表面、表面與環(huán)境(養(yǎng)護棚內(nèi))之間的溫度差不能大于20℃,采取搭設(shè)養(yǎng)護暖棚的方法使混凝土表面接觸的四周環(huán)境溫度滿足要求。養(yǎng)護暖棚四周必須嚴密封閉,內(nèi)部生火爐,根據(jù)溫度情況調(diào)整火爐型號和數(shù)量,滿足供熱量[9]。

3 嚴格控制混凝土的原材料溫度和養(yǎng)護工藝

為了控制混凝土的出機溫度,采用搭設(shè)封閉式砂、石料料倉,倉內(nèi)須設(shè)暖風爐,設(shè)置1臺立式蒸汽鍋爐,對拌和用水加溫,外加劑罐用保溫材料包裹,保證混凝土的原材料溫度。

混凝土澆筑后,應(yīng)加強混凝土的保濕、保溫養(yǎng)護。冬期搭設(shè)暖棚施工,除采用結(jié)構(gòu)物內(nèi)部通循環(huán)水降溫外,還必須打破冬季混凝土表面不得灑水的規(guī)定,對搭設(shè)暖棚后的混凝土承臺表面用毛氈全部覆蓋嚴密,并灑水保濕,也可以采用在混凝土表面蓄存一定深度的水,進行蓄水養(yǎng)護。并延長混凝土側(cè)模的拆除時間,以起到側(cè)面保溫作用[9]。

4 用理論計算作指導

4.1 原材料加溫情況控制

冬季混凝土出機溫度理論計算見表1。

表1 冬季混凝土出機溫度理論計算

由熱平衡方程計算

式中T0——混凝土出機溫度,℃;

Ti——材料的平均進料溫度,℃;

Gj——材料的質(zhì)量,kg;

Cj——材料的比熱,kJ/(kg? ℃);

Q——每m3混凝土拌制過程中的附加熱(包括機械熱和環(huán)境交換熱),J/kg。

由(1)式不難看出,影響混凝土出機溫度T0的主要因素應(yīng)為材料乘積GjCj,即影響程度由大到小為:石(236.8)＞水(158)＞砂(139.2)＞水泥(77.3)＞粉煤灰(18.4)＞外加劑(12.5)。

冬季施工過程中入模溫度一般控制在10～19℃,通過每次澆筑混凝土前對原材料溫度的實際測試,進行理論計算,再進行倉內(nèi)溫度和水溫的升高,保證混凝土出機溫度符合要求。

4.2 混凝土內(nèi)部理論最高溫度

(1)計算混凝土最大水化熱絕熱溫升值

式中mc——每m3混凝土水泥用量,kg/m3;

Q——每千克水泥水化熱量,取377J/kg;

c——混凝土的比熱,取0.97J/(kg? ℃);

ρ——混凝土的質(zhì)量密度,取2350kg/m3。

(2)計算混凝土內(nèi)部實際最高溫度及實際最高溫升值

式中T(t)——混凝土澆筑完成t段時間,混凝土的絕熱溫升值,℃;

t——混凝土澆筑后至計算時的天數(shù),d;

ξ——不同澆筑塊厚度的溫降系數(shù),3m厚的承臺第3dξ=0.71。

混凝土澆筑后最高溫升在第3d

混凝土內(nèi)部理論最高溫度

式中,Tp為混凝土入模溫度。

在實際施工過程中通過調(diào)整循環(huán)水的流速和進水口溫度來控制芯部溫度,實測值與理論值進行比較。

4.3 測溫記錄分析

在大體積混凝土澆筑后,根據(jù)實測溫度值和繪制的溫度升降曲線,分別計算各降溫階段的混凝土收縮拉應(yīng)力。如其累計總拉應(yīng)力不超過同齡期混凝土抗拉強度,則表示所采取的措施能有效地預防裂縫的出現(xiàn);如超過該階段混凝土抗拉強度,則應(yīng)采取加強養(yǎng)護、保溫等措施,使其緩慢降溫和收縮,減小溫差應(yīng)力,同時提高該齡期的混凝土抗拉強度,以控制裂縫出現(xiàn)。

通過實行有效的養(yǎng)護措施,做好現(xiàn)場實際測溫記錄,并對此繪圖分析。以S028號承臺的測溫結(jié)果為例,其3個測點溫度記錄曲線見圖4。

圖4 S028號承臺測點溫度記錄曲線

通過對鄭州黃河公鐵兩用橋大體積承臺的溫度實際測量和繪圖分析,發(fā)現(xiàn)混凝土的內(nèi)部溫度隨時間的推移將會不斷地升高,混凝土在澆筑完成后12h,混凝土的內(nèi)部溫度將有所提高,但提高的溫度幅度不大,而混凝土的最高溫度將出現(xiàn)在混凝土澆筑完成24h后,隨之第3d會達到混凝土的最高溫度50℃左右并持續(xù)。在循環(huán)水有效的作用下,溫度曲線是緩和變化的,如循環(huán)水不到位就立即出現(xiàn)突變,圖形中還可以直觀的看到芯部溫度與表面溫度、表面溫度與環(huán)境溫度的差值,有利于動態(tài)的觀察和分析總結(jié)。因此,即:當采取冷卻管進行降溫時,混凝土的內(nèi)部溫度在2～5d之間會出現(xiàn)一個恒溫期(即溫度變化相對較小)。5d之后,混凝土內(nèi)部的溫度將慢慢的回落,但應(yīng)控制混凝土降溫的速度,一般為了防止由于混凝土降溫過快而出現(xiàn)溫度裂紋,混凝土的降溫速度控制在 2.0℃/d為宜。

根據(jù)鄭州黃河公鐵兩用橋承臺對混凝土冬季施工通水降溫法控制溫差的實際經(jīng)驗和溫度控制的理論計算結(jié)果可知,在施工期內(nèi)為保證承臺不出現(xiàn)有害溫度裂縫,溫控標準如下:

(1)混凝土內(nèi)表溫差不超過20℃;

(2)混凝土降溫速率不超過2.0℃/d;

(3)混凝土澆筑入模溫度在冬季施工時不得低于5℃。

在大體積混凝土冬季施工時,采用通水降溫法合理布置冷卻管能夠滿足相應(yīng)的規(guī)定,可以有效地降低大體積混凝土的內(nèi)部絕熱溫度,降低由于混凝土內(nèi)外溫差引起的溫度裂紋,滿足高性能混凝土耐久性的要求。

5 結(jié)語

通過鄭州黃河公鐵兩用橋施工實踐,冬季大體積承臺混凝土的攪拌和澆筑后的養(yǎng)護采取全程溫度控制,并從施工工藝上加強措施,對照比較,不斷改進,嚴格管理,提高質(zhì)量意識,避免混凝土裂縫的出現(xiàn),滿足了客運專線施工的高標準要求。

[1] GB50496—2009,大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[2] 中鐵大橋設(shè)計院,鄭州黃河公鐵兩用橋合建段設(shè)計文件(第二冊)[Z].武漢:2008.

[3] 徐榮年,徐欣磊.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制——“王鐵夢法”應(yīng)用實例集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005:20-40.

[4] 龔仕杰.混凝土工程施工新技術(shù)[M].北京:中國環(huán)境科學出版社,2004:10-20.

[5] 鐵建設(shè)[2005]160號,鐵路工程質(zhì)量驗收補充標準[S].

[6] TZ210—2005,客運專線鐵路橋涵工程施工技術(shù)指南[S].

[7] 鐵道科學研究院.客運專線高性能混凝土暫行技術(shù)條件[S].北京:中國鐵道出版社,2005:1-10.

[8] TBl0002.1—2005,鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范[S].