公路橋梁大體積混凝土溫度、裂縫控制要領(lǐng)

穆江山

(山西省交通科學(xué)研究院)

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公路橋梁大體積混凝土溫度、裂縫控制要領(lǐng)

穆江山

(山西省交通科學(xué)研究院)

公路橋梁施工對大體積混凝土施工工藝水平要求較高，尤其是對混凝土溫度裂縫控制能力要求嚴格。因此只有做好材料選擇、施工操作等各項環(huán)節(jié)的把關(guān)，才能才能保證大體積混凝土施工質(zhì)量。結(jié)合某大橋橋臺大體積混凝土的施工實例，詳細介紹了大體積混凝土施工中如何做好溫度裂縫的預(yù)防與控制工作，以供參考。

大體積混凝土；溫度裂縫控制；施工要領(lǐng)

1 工程概況

某大橋跨徑組合采用3×25+3×25 m,上部結(jié)構(gòu)均采用裝配式預(yù)力混凝土連續(xù)箱梁，采用多箱單獨預(yù)制，簡支安裝，現(xiàn)澆連續(xù)接頭的先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)體系，全長166.6 m，起訖樁號為K38+928.4～K39+095。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩、重力式U型橋臺、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2 U型橋臺大體積混凝土溫度控制

2.1 材料選擇

(1)水泥

考慮普通水泥水化熱較高，特別是應(yīng)用到大體積混凝土中，大量水泥水化熱不易散發(fā)，在混凝土內(nèi)部溫度過高，與混凝土表面產(chǎn)生較大的溫度差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)表面拉應(yīng)力超過早期混凝土抗拉強度時就會產(chǎn)生溫度裂縫。因此確定采用水化熱比較低的暢達P.O42.5硅酸鹽水泥，通過摻加合適的外加劑可以改善混凝土的性能，提高混凝土的抗?jié)B能力。

(2)粗骨料

采用碎石，粒徑5～25 mm，含泥量不大于1%。選用粒徑較大、級配良好的碎石配制的混凝土，和易性較好，抗壓強度較高，同時可以減少用水量及水泥用量，從而使水泥水化熱減少，降低混凝土溫升。

(3)細骨料

采用中砂，平均粒徑大于0.5 mm，含泥量不大于5%。選用平均粒徑較大的中、粗砂拌制的混凝土比采用細砂拌制的混凝土可減少用水量10%左右，同時相應(yīng)減少水泥用量，使水泥水化熱減少，降低混凝土溫升，并可減少混凝土收縮。

(4)粉煤灰

由于混凝土的澆筑方式為泵送，粉煤灰對水化熱、改善混凝土和易性有利，為了改善混凝土的和易性便于泵送，考慮摻加適量的粉煤灰。按照規(guī)范要求，粉煤灰取代水泥的最大限量為25%。按配合比要求計算出每立方米混凝土所摻加粉煤灰量。

(5)外加劑

混凝土采用全斷面水平推進澆筑，因承臺平面尺寸較大，單層澆筑所用時間較長，為此要求混凝土具有緩凝效果。按分層澆筑厚度為30 cm,則每層混凝土數(shù)量約為128 m3。拌和站工作效率為45～50 m3/h，每層混凝土澆筑時間為2.8～3 h左右。根據(jù)以往相關(guān)施工經(jīng)驗，確定采用徐州超力緩凝減水劑。實驗室試配確定緩凝時間為不小于15 h，滿足澆筑要求。

2.2 確定配合比

每立方米混凝土的水泥用量越多，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的水化熱量就越高，混凝土凝結(jié)時收縮量也越大，由于溫度及溫差與收縮的作用混凝土就越容易產(chǎn)生裂縫，影響混凝土質(zhì)量?！豆窐蚝┕ぜ夹g(shù)規(guī)范》規(guī)定：“泵送混凝土的最小水泥用量為280～300 kg/m3，大體積混凝土不宜超過350 kg/m3”。要控制混凝土初期溫度，一是要低溫時澆筑，二是采用低水化熱水泥或限制水泥用量，來降低混凝土內(nèi)部的最高溫度?；炷敛捎秒p摻技術(shù)，摻粉煤灰和摻外加劑相結(jié)合的技術(shù)。經(jīng)試驗室試配對比，確定選用配合比為：(水泥+粉煤灰)∶砂∶碎石∶水∶高效減水劑=(304+101)∶803∶1 068∶170∶4.05，各項指標符合規(guī)范要求。

2.3 冷卻水管

(1)冷卻水管的埋設(shè)

冷卻管采用熱傳導(dǎo)性能好，并有一定強度的輸水黑鐵管，公稱直徑32 mm。埋設(shè)間距嚴格按照施工圖紙控制，每個回路的冷卻管安裝完成后，應(yīng)及時試壓，保證試壓時的壓力大于工作壓力，仔細檢查管子是否有滲漏水情況。

(2)冷卻水通水控制原則

一是根據(jù)混凝土測溫記錄的溫差來控制是否通水及通水流量，通水水量以溫差控制在20～24 ℃之間，溫差大，增加流量，溫差小，減小流量；二是以混凝土降溫速度控制在1.5～2 ℃/d來控制通水量，以保持在1.5 ℃/d為宜，降溫慢，增加流量；降溫快，減小流量。在實際施工時，用測溫儀測進水口和出水口水溫，以觀測降溫效果和控制降溫速度。

2.4 混凝土內(nèi)部溫度計算

(1)根據(jù)水泥用量確定混凝土的絕熱溫升值

T(t)=WQ(1-e-mt) /(Cρ)[當(dāng)Tmax(t)=WQ/(Cρ)，為最大值]

式中：T(t)為混凝土齡期為t時的絕熱升溫，℃；W為每m3混凝土的水泥用量，kg/m3；Q為單位水泥累計最終水化發(fā)熱量，kJ/kg，P.O42.5水泥取377；C為混凝土的比熱，一般為0.92～1.0(kJ/(kg· ℃))，取0.96；ρ為混凝土的重力密度，2 400～2 500(kg/m3)，取2 450；m為與水泥品種，澆筑溫度等有關(guān)的系數(shù)，0.3～0.5(d-1)；t為混凝土齡期，d；e為常數(shù)(2.718)。

根據(jù)公式，當(dāng)混凝土用量為304 kg時，內(nèi)部最大絕熱溫升值Tmax(t)=WQ/(Cρ)=48.72 ℃。

(2)混凝土拌合物溫度

T0=[0.9(mcTc+msTs+mgTg+mfTf)+4.2Tw(mw-wsms-wgmg)+C1(wsmsTs+wgmgTg)-C2(wsms+wgmg)]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf)]

式中：mw、mc、ms、mg、mf為每方混凝土的水、水泥、砂、石、粉煤灰的用量，kg；Tw、Tc、Ts、Tg、Tf為水、水泥、砂、石、粉煤灰的溫度，℃，根據(jù)相關(guān)資料，除水取7外，其他取9；ws、wg為砂、石的含水率(%)，取ws=1.2%，wg=0.5%；C1、C2為水的比熱容(kJ/kg·K)及溶解熱(kJ/kg)，當(dāng)骨料溫度>0 ℃時，C1=4.2，C2=0。

根據(jù)公式，T0=[0.9×(304×9+803×9+1068×9+101×9)+4.2×7×(170-803×1.2%-1 068×0.5%)+4.2×(1.2%×803×9+0.5%×1 068×9)] ÷[4.2×170+0.9×(304+803+1068+101)]=8.53(℃)

(3)混凝土拌合物出機溫度

T1=T0-0.16×(T0-Tb)=8.53-0.16×(8.53-9)=8.61(℃)

式中：T1為混凝土拌合物出機溫度，℃；Tb為攪拌機棚內(nèi)溫度，℃。

(4)混凝土拌合物經(jīng)運輸至成型完成時的溫度

T2=T1-(αt+0.032n)(T1-Ta)=8.61-(0.25×0.4+0.032×1)×(8.61-9)=8.66(℃)

式中：T2為混凝土拌合物經(jīng)運輸至成型完成時的溫度，℃；T1為混凝土拌合物出機溫度，℃；t為混凝土拌合物運輸?shù)綕仓瓿蓵r間，h，取24 min=0.4 h；n為混凝土拌合物轉(zhuǎn)運次數(shù)，取1次；Ta為混凝土拌合物運輸時環(huán)境溫度，℃，取9；α為溫度損失系數(shù)(hm-1)，用混凝土攪拌輸送車時，取0.25。

(5)混凝土內(nèi)部實際最高溫度

Tmax=T2+ζTmax(t)=8.66+0.95×48.72=54.94(℃)(滿足常規(guī)Tmax≤60 ℃的要求)

式中：Tmax為混凝土內(nèi)部實際最高溫度，℃；T2為混凝土拌合物經(jīng)運輸至成型完成時的溫度，℃；ζ為不同澆筑塊厚度、不同齡期時的降溫系數(shù)，根據(jù)相關(guān)資料取0.95；Tmax(t)為內(nèi)部最大絕熱溫升，℃。

對于不同混凝土澆筑厚度(H)和澆筑后不同齡期的溫度變化，根據(jù)計算及施工測量經(jīng)驗，混凝土內(nèi)部實際最高溫度一般發(fā)生在混凝土澆筑后的第3～7 d左右。

根據(jù)T0公式和混凝土配合比可知：碎石的比熱容雖然較小，但每m3混凝土所占重量達50%左右，水的重量在每m3混凝土中的比例雖然不大，但比熱容較大。所以影響混凝土拌合物溫度的主要因素是碎石和水的溫度，要想獲得較低的混凝土拌合物的溫度，最有效的措施就是降低碎石和水的溫度。澆筑過程中如果氣溫過高，可采用對碎石澆水進行降溫，水的溫度一般都低于氣溫，無需采取其他降溫措施，施工過程中盡量減小混凝土成型時的溫度有利于控制混凝土內(nèi)部最高溫升。

根據(jù)Tt公式，影響混凝土內(nèi)部最高溫升的主要因素是每m3混凝土中水泥的用量及單位水泥的水化熱。所以施工中采取的措施是盡量降低每m3混凝土中水泥的用量，采用摻加粉煤灰和外加劑的雙摻技術(shù)減少水泥用量。

2.5 冷卻循環(huán)水管降溫方案

為了減少混凝土內(nèi)部的最高溫升，采用冷卻循環(huán)水管降溫措施。冷卻水管采用施工設(shè)計圖的熱傳導(dǎo)性能好，并有一定強度的輸水黑鐵管，公稱直徑32 mm，在橋臺內(nèi)設(shè)5層?；炷翝仓料鄳?yīng)位置時，向冷卻水管內(nèi)注水循環(huán)冷卻。

在橋臺邊設(shè)一蓄水箱，用水泵與冷卻管連接，在開始通第一層返冷卻水之前，因水箱水溫較低，先加熱循環(huán)水，待出水口循環(huán)熱水出來后，利用部分熱水返回水箱并添加適量冷水，二次循環(huán)冷卻水。

在注水冷卻的過程中，安排人員經(jīng)常測量溫度，當(dāng)進水口與出水口的溫度相差過大，且出水口的溫度較高時，要及時增加進水的水壓以加大循環(huán)水的內(nèi)流速與流量，以降低出水溫度。

3 U型橋臺大體積混凝土裂縫控制

理論計算公式：當(dāng)厚度大于1 m時，貫穿或深進的裂縫主要是由平均降溫差和收縮差引起的收縮應(yīng)力所造成，裂縫一般出現(xiàn)在降溫過程，混凝土因內(nèi)外約束引起的溫度應(yīng)力可簡化為如下公式計算：

σ=-[(E(t)a△T) ÷(1-v)]×S(t)R

混凝土的最大綜合溫差：

△T=T2+2/3T(t)+Ty(t)-Th

式中：T2為混凝土拌合物經(jīng)運輸至成型完成時的溫度，℃，同上式計算；T(t)為混凝土的水化熱絕熱溫升，℃，同上式；Ty(t)為混凝土收縮變形換成的當(dāng)量溫差，Ty(t)=εy(t)/a；Th為混凝土澆筑后達到穩(wěn)定時的溫度，一般根據(jù)氣象資料取當(dāng)年平均氣溫值，13.3 ℃；

試算：已知條件，C35混凝土，水泥用量304 kg/m3，澆筑時溫度為9 ℃，養(yǎng)護期間氣溫亦為9 ℃，從相關(guān)規(guī)范得知在15 d時的降溫過程最大。

查《路橋施工計算手冊》，取m=0.3，則15 d的絕熱溫升值為：

T(15)=[(304×377)×(1-2.718-0.3×15)] ÷(0.96×2 450)=48.18 ℃

Tmax(t)=WQ/(Cρ)=48.72 ℃(最大絕熱溫升值)

依據(jù)現(xiàn)場實際情況，查得M1=1，M2=1.35，M3=1，M4=1，M5=2.55，M6=0.93，M7=1.1，M8=1，M9=1.1，M10=1，則混凝土的收縮徐變?yōu)椋?/p>

εy(15)= 3.24×10-4×(1-e-0.01×15)×1×1.35×1×……×1=1.7×10-4

混凝土15 d的收縮當(dāng)量溫差為：Ty(15)= 1.7×10-4/1.0×10-5=17 ℃

混凝土的最大綜合溫差為：△T= 8.66+2/3×48.18+17-13.3=44.48 ℃

混凝土15 d的彈性模量為：E(t)=3.15×104×(1-2.718-0.09×15)=2.33×104

混凝土的最大降溫收縮應(yīng)力為：σ=[(E(t)a△T) ÷(1-v) ]×S(t)R=-[2.33×104×1.0×10-5×(-44.48) /(1-0.15)]×0.35×0.35=1.49

安全系數(shù)：K=2.2/1.49=1.48>1.15，滿足要求。

以上計算全部取最不利情況，但是在施工中還加冷卻水管降低內(nèi)部溫度，混凝土表面還采取了保溫等措施，故結(jié)構(gòu)是安全的。

在澆筑過程中混凝土的重量不斷增加，混凝土從初凝到終凝過程中本身強度不高，若此時地基的不均勻沉降過大會導(dǎo)致混凝土開裂并產(chǎn)生衍射。因此，要詳細對橋臺基礎(chǔ)地基承載力(≥0.15 MPa)作檢測，對不能滿足要求的地基要作處理使其符合要求，并嚴格按設(shè)計施工2 m厚的C30基礎(chǔ)以保證基底的穩(wěn)定性。

外部裂縫主要由于內(nèi)外溫差太大引起，故在澆筑養(yǎng)護期間對混凝土的表面實行保溫養(yǎng)護。養(yǎng)護期間安排專人進行測溫，測溫內(nèi)容有預(yù)埋溫度傳感受元件、混凝土表面溫度等。根據(jù)測溫情況，隨時調(diào)整冷卻冷卻循環(huán)水管的進出水量，如內(nèi)部溫度過高采取加大流水量、調(diào)換進水口等措施。

[1] 張曦，喻聰聰，文圳.混凝土箱梁橋頂板溫度應(yīng)力分析[J].湖南工程學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，(3):81-85.

[2] 吳六政.混凝土箱梁橋溫度場的模擬[J].公路交通科技，2011，(10)：65-69.

[3] 徐豐，王波，張海龍.混凝土連續(xù)箱梁橋溫度應(yīng)力對比分析[J].交通科技，2008，(4):9-12.

2015-02-18

穆江山(1982-)，男，山西太原人，研究方向：公路、橋梁、隧道工程施工。

U442

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1008-3383(2015)11-0150-02