周向東

摘要：在思南至劍河高速公路龍底江大橋主墩承臺大體積混凝土施工時(shí)，首先綜合分析計(jì)算了承臺的水化熱溫升情況。根據(jù)溫升分析結(jié)果，在原材料選用，配合比優(yōu)化，添加外加劑，加強(qiáng)澆筑質(zhì)量及保溫養(yǎng)護(hù)等各環(huán)節(jié)上采取了有效的控制措施。并對承臺結(jié)構(gòu)內(nèi)各部位的溫度情況進(jìn)行了嚴(yán)格監(jiān)測，根據(jù)溫度監(jiān)測反饋的實(shí)際情況采取針對性措施，確保將承臺混凝土溫度控制在合理范圍內(nèi)，以防止承臺產(chǎn)生裂縫。

Abstract： In the construction of mass concrete for the main pier platform of the Longdijiang Bridge on the Sinan-Jianhe Expressway， the temperature of the hydration heat of the platform was first comprehensively calculated. According to the result of temperature rise analysis， effective control measures were taken in various links such as selection of raw materials， optimization of mix ratio， addition of additives， strengthening of pouring quality， and maintenance of insulation. The temperature of all parts of the platform structure is strictly monitored， and specific measures are taken according to the actual conditions of temperature monitoring feedback to ensure that the concrete temperature of the platform is controlled within a reasonable range to prevent cracks in the platform.

關(guān)鍵詞：大體混凝土；水化熱；溫升分析；溫差控制措施；溫度監(jiān)測

Key words： rough concrete；hydration heat；temperature rise analysis；temperature difference control measures；temperature monitoring

中圖分類號：U445.57 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）20-0148-03

0 引言

隨著全國的現(xiàn)代建筑物向著大型化方向的發(fā)展，大體積混凝土澆筑時(shí)的溫度應(yīng)力引起結(jié)構(gòu)物裂縫，嚴(yán)重影響了結(jié)構(gòu)物正常及安全地使用的問題，成為工程建設(shè)者需處理的重要難題。

國內(nèi)外的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)表明，大體積混凝土由于結(jié)構(gòu)內(nèi)外大幅度的溫差效應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)各種裂縫病害的現(xiàn)象廣泛存在，而結(jié)構(gòu)物的破壞和地下結(jié)構(gòu)物的滲漏通常緣于混凝土出現(xiàn)的有害裂縫。所以，有效控制大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫成為工程建設(shè)領(lǐng)域最為關(guān)鍵的問題之一，故對大體積混凝土的溫升情況進(jìn)行進(jìn)行計(jì)算及分析，并采取針對性的防范和控制措施對工程建設(shè)者而言，且有重大的現(xiàn)實(shí)工程意義。

1 工程概況

思南至劍河高速公路龍底江大橋上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為（70+130+70）m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)+2×30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，主橋下部主墩采用雙薄壁空心墩，最高墩身51.2m，采用鉆孔樁基礎(chǔ)。其承臺尺寸如表1所示。

從表1可看出，主跨承臺不僅尺寸大，一次澆注的混凝土數(shù)量多，且混凝土強(qiáng)度標(biāo)號高，單位體積混凝土使用的水泥量大。大尺寸的承臺混凝土中水泥水化熱大量集聚在內(nèi)部無法及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致混凝土各部位間出現(xiàn)很大溫并，在外界條件及內(nèi)部各種約束的作用下，溫度應(yīng)力將導(dǎo)致承臺混凝土出現(xiàn)溫差裂縫。因此，計(jì)算、分析承臺混凝土澆筑后溫度應(yīng)力情況，根據(jù)分析結(jié)果，采用針對性的有效溫度控制措施，并精心組織施工，防止承臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是本工程需解決的重要課題。

2 承中大體積混凝土澆筑時(shí)的溫度及溫度應(yīng)力計(jì)算

2.1 混凝土的澆筑溫度

混凝土的澆筑溫度為承臺混凝土歷經(jīng)攪拌、運(yùn)輸、泵送入模及振搗等工序后的溫度，本項(xiàng)目在沒采取對集料及攪拌用水預(yù)冷措施的情況下，經(jīng)對實(shí)際各種影響因素進(jìn)行分析研究并進(jìn)行模擬測定，得出混凝土澆筑溫度比施工期間環(huán)境平均氣溫高約5℃，本項(xiàng)目擬澆筑承臺混凝土?xí)r的外界平均氣溫為23℃，故混凝土澆筑溫度Tj按28℃計(jì)。

2.2 承臺中心最高絕熱溫度計(jì)算

2.2.1 承臺中心部位的絕熱溫升

絕熱溫升為假定承臺內(nèi)混凝土水泥水化熱在沒有任何散失的情況下，水化熱使承臺混凝土達(dá)到的最高溫度。絕熱溫升計(jì)算式為：

（1）

式中：Wc—單位體積承臺混凝土使用水泥量（kg/m3），按初始配合比的水泥使用量為392kg/m3；

Q—每kg水泥完全水化所釋放的熱量（kJ/kg）本項(xiàng)目按375kJ/kg；

C—混凝土比熱，本項(xiàng)目取值0.97（kJ/（kg·K））；

ρ—混凝土結(jié)構(gòu)的容重，本項(xiàng)目按2400kg/m3；

m—受溫度變化速度影響的系數(shù)，本項(xiàng)目取值0.406；

t—承臺澆筑后的天數(shù)（d）；

е—常數(shù)2.718。

當(dāng)（1）式的t→∞時(shí)，即得的承臺內(nèi)部最高絕熱溫升。

2.2.2 混凝土中心計(jì)算溫度

式（1）為理想絕熱狀況下承臺內(nèi)部的溫升值，現(xiàn)實(shí)情況下承臺的水化熱是在持續(xù)散失中，水化熱在各齡期使得承臺混凝土達(dá)到溫度的計(jì)算式為：

Tt=Tj+Th·ξt （2）

式中Tt—齡期為t時(shí)承臺溫升值（℃）；Tj—承臺混凝土的澆筑溫度；Th—承臺最大計(jì)算絕熱溫升；ξt—降溫系數(shù)，取值按表2。

把本項(xiàng)目的各項(xiàng)參數(shù)值代入式（1）、（2）中，計(jì)算得到承臺各齡期理論計(jì)算溫升值，列于表3。

由表3計(jì)算結(jié)果可知，在承臺澆筑后3d時(shí)，承臺內(nèi)部溫度達(dá)到峰值，3m厚承臺溫度峰值為73.43℃，4m厚承臺為77.44℃。

2.2.3 混凝土溫度應(yīng)力

大體積混凝土本身的凝固收縮對裂縫的影響是明顯的，其對溫度裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展起到疊加促進(jìn)作用。所以，在承臺大體積溫度裂縫控制時(shí)混凝土收縮產(chǎn)生的影響不可忽視。

在溫度應(yīng)力計(jì)算分析時(shí)，將收縮產(chǎn)生的變形值換算成當(dāng)量的溫差值后，與混凝土溫升值相加，綜合計(jì)算混凝土的溫度應(yīng)力值，從而更為精確地進(jìn)行溫差裂縫控制，防止承臺混凝土產(chǎn)生裂縫。因受各種復(fù)雜因素及條件的影響，混凝土的不同齡期的收縮變形值呈差異性變化，采用下列指數(shù)函數(shù)式進(jìn)行計(jì)算：

ε=ε（1-e-0.01t）×M1×M2×…×M11 （3）

式中：ε為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下混凝土收縮變形最終值，取值為3.2410-4；M1～M11為根據(jù)水泥細(xì)度、水膠比、膠漿量等與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境不同時(shí)而取的各項(xiàng)修正系數(shù)。

3d齡期時(shí)，查《大體積混凝土施工規(guī)范及條文說明》（GB 50496-2009）得式（3）的各項(xiàng)修正系數(shù)：M1=1.0，M2=1.35，M3=1.21，M4=1.45，M5=1.09，M6=1.1，M7=1，M8=0.76，M9=1.0，M10=0.89，M11=1.02。

承臺混凝土收縮變形的當(dāng)量溫差采用下式進(jìn)行計(jì)算：

（4）

式中：T—承臺t齡期時(shí)的收縮當(dāng)量溫差；α—承臺混凝土的線膨脹系數(shù)，按1.0×10-5。

各參數(shù)值代入式（4），得承臺3d齡期時(shí)混凝土收縮變形的當(dāng)量溫差：

T=ε/α=（0.188×10-4）/1.0×10-5=1.88℃

2.2.4 承臺最高綜合溫升

由上述計(jì)算分析可知，承臺在3d齡期時(shí)達(dá)到中心部位的最高溫升，混凝土入模溫度Tj=28℃，施工時(shí)環(huán)境溫度Th按23℃，則有，3m厚、4m厚承臺3d齡期時(shí)的綜合溫度為：

3m厚承臺：ΔT=T+T=28+73.43+1.88-23=80.31℃

4m厚承臺：ΔT=T+T=28+77.44+1.88-23=84.32℃

由計(jì)算結(jié)果可得，當(dāng)齡期3d時(shí)，承臺中心混凝土達(dá)到最高溫度，內(nèi)外溫差遠(yuǎn)超過規(guī)范要求的25℃值，故需采取有效技術(shù)措施進(jìn)行溫差控制，防止承臺混凝土出現(xiàn)裂縫。

3 施工方法和施工控制

3.1 減少水化熱及降低混凝土入模溫度

①所用水泥。

要求符合現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定及要求。本項(xiàng)目采用P-C32.5的礦渣硅酸鹽水泥。在水泥使用前，先進(jìn)行水化熱測定，測定按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《水泥水化熱試驗(yàn)方法（直接法）》進(jìn)行，其測定值7天的水化熱不宜大于250kJ/g。

②骨料的選擇。

粗集料按要求確定骨料種類，要級配良好，其質(zhì)量符合《普通混凝土所用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》規(guī)定，含泥量要求小于1.5%。

細(xì)骨料要求符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《普通混凝土用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》的規(guī)定。

3.2 減少水化熱及降低混凝土入模溫度

①使用水化熱低的水泥品種，以減少水化熱的釋放。選用了水化熱較低的礦渣32.5號水泥。

②配合比采用了高效LFS緩凝型減水劑，其減少用水量約18%。不僅改善了混凝土的泵送性能，且延緩水化熱的峰值出現(xiàn)時(shí)間及降低了數(shù)值。

③摻入適量粉煤灰。粉煤灰具有火山灰的活性，摻入粉煤灰的混凝土初期水化熱低，和易性好，變形收縮少，有一定的減水作用，且能增強(qiáng)混凝土的后期強(qiáng)度，顯著改善承臺混凝土的抗?jié)B性能和耐久性指標(biāo)。本項(xiàng)目采用I級粉煤灰，摻量為20%。最終施工配合比的水泥使用量為336kg/m3，比始初配合比減少了56kg。

④控制出機(jī)溫度對減少大體積混凝土總溫升和內(nèi)外溫差是很重要的。本項(xiàng)目采取在砂、石子堆場上搭設(shè)遮陽棚，向骨料噴射水霧降溫，縮短混凝土運(yùn)輸時(shí)間，泵管覆蓋，混凝土運(yùn)輸設(shè)置隔熱、遮陽措施等。

3.3 設(shè)置冷卻管對承臺進(jìn)行降溫

為排出水化熱，降低承臺中心部位的溫度，在承臺內(nèi)設(shè)置冷卻管。

冷卻管采用Φ=100mm鋼管，水平層間的鋼管間距按1.5m布設(shè)。4m厚承臺按1m的層間距布置4層冷卻管。厚度為3m的承臺按間距為1.0m設(shè)置3層冷卻管，相鄰層的冷卻管布置方向呈90度垂直。本項(xiàng)目2、3號墩的13.2m×29.7m×4m承臺散熱管設(shè)置如圖1、圖2所示。

在進(jìn)行承臺鋼筋綁扎的同時(shí)按設(shè)計(jì)要求埋入冷卻管，并于承臺混凝土澆筑前進(jìn)行閉水試壓，出現(xiàn)滲漏水時(shí)妥善處理。

為避免承臺混凝土澆筑時(shí)，在冷卻管附近的混凝土出現(xiàn)過大溫度梯度，增加承臺混凝土的收縮，在承臺混凝土澆筑前1～2d前啟動(dòng)水系統(tǒng)，向冷卻管內(nèi)灌注水，經(jīng)過一段時(shí)間靜置使管內(nèi)水溫與環(huán)境溫度接近。

冷卻水就近抽取河水，承臺附近設(shè)立蓄水池供水，為了控制承臺混凝土與供水間的溫差不超過25℃，蓄水池內(nèi)安裝加熱設(shè)備，必要時(shí)對供水進(jìn)行加熱。

承臺混凝土齡期達(dá)到28d后，壓入與承臺同強(qiáng)度等級混凝土把冷卻管填塞密實(shí)。

3.4 在承臺外表采取覆蓋保溫措施

本項(xiàng)目還實(shí)施了在承臺外表面采取保溫的技術(shù)措施，以確保承臺表面與承臺內(nèi)部的溫差，從而避免承臺產(chǎn)生溫差裂縫。

承臺施工時(shí)，采用漿砌片石作為承臺的側(cè)模，其厚度為30cm，漿砌片石側(cè)模不僅相當(dāng)于在承臺四周設(shè)置一道保溫層，且對承臺起到了變形約束的作用，有效提高了承臺混凝土的抗裂性能。

本項(xiàng)目的4個(gè)臺承臺均于高溫的夏季澆筑，冷卻管排水口的水溫較高，初期超過60℃。本項(xiàng)目在承臺面邊緣處設(shè)置砂漿堤壩作養(yǎng)護(hù)池，當(dāng)澆筑的承臺混凝土終凝后，在承臺表面的堤壩內(nèi)注入冷卻管排出的熱水，養(yǎng)護(hù)池的熱水厚度約20cm，不僅作為承臺養(yǎng)生，同樣也提高了承臺表面溫度，控制了承臺內(nèi)部與表面的溫差不超過規(guī)定值。

4 對承臺混凝土溫度的監(jiān)控量測

4.1 承臺大體積混凝土溫度控制要求

根據(jù)大體積混凝土施工的相關(guān)規(guī)范及文件的要求，結(jié)合承臺施工時(shí)的實(shí)際情況，確定了承臺混凝土澆筑時(shí)溫度控制指標(biāo)如下：①冷卻管供水口與排水口的水溫溫差≤10℃；②供水口與承臺中心混凝土最高溫的溫差≯20℃；③降溫速率≯2℃/h；④承臺頂面蓄水池的水溫與表面混凝土的溫差≯15℃。

4.2 混凝土結(jié)構(gòu)測溫點(diǎn)設(shè)置

本工程采用預(yù)埋測溫線測溫。對于厚度為4m的承臺，設(shè)置3層共13個(gè)溫度量測監(jiān)控點(diǎn)。第1層即底層測溫點(diǎn)高于承臺底0.5m，第2層即中間層距承臺底面為2.2m，第3層即面層距承臺底面為3.9m。本項(xiàng)目2、3號墩的13.2m×29.7m×4m承臺測溫點(diǎn)布置如圖3所示。

對于厚度為3m的承臺，同樣設(shè)置3層共13個(gè)溫度量測監(jiān)控點(diǎn)。第1層即底層測溫點(diǎn)高于承臺底0.5m，第2層即中間層距承臺底面為1.7m，第3層即面層距承臺底面為2.9m。

4.3 測溫頻率及溫度控制措施

承臺混凝土齡期3d內(nèi)測溫頻率1次/2h；齡期4d～7d內(nèi)測溫頻率1次/4h；齡期8d～15d內(nèi)測溫頻率1次/8h，齡期超過15d測溫頻率1次/12h。

測溫時(shí)，當(dāng)某項(xiàng)指標(biāo)的溫差超過或是接近控制指標(biāo)值時(shí)，及時(shí)采取加熱蓄水池的供水、提高或減緩冷卻管的流速、承臺表面設(shè)置保溫覆蓋物等措施，確保溫差及降溫速度滿足要求。

5 結(jié)束語

本項(xiàng)目通過采取使用低水化熱水泥，摻入粉煤灰代替部分水泥用量、摻加高效LFS緩凝型減水劑延遲緩凝時(shí)間及提高混凝土性能、設(shè)置冷卻管降溫、承臺頂面設(shè)置熱水養(yǎng)護(hù)及保溫池等技術(shù)措施?；炷翝仓螅O(shè)置溫度監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行測溫，根據(jù)溫測結(jié)果對冷卻管的供水水溫進(jìn)行調(diào)整，改變冷卻水流速及改變承臺頂蓄水池水溫等控制手段，有效控制了承臺大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。通過采取如上技術(shù)及管理措施，龍底江大橋全部4個(gè)承臺混凝土澆筑時(shí)沒有產(chǎn)生任何開裂現(xiàn)象，達(dá)到了預(yù)期的效果。

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