錨碇錨體大體積混凝土施工溫控措施研究

黃華生，楊茗欽，韋苡松

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

大體積混凝土是建筑工程施工的重要組成部分，隨著交通運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展以及施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，大體積混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用越來越廣泛。合理的配合比設(shè)計、施工過程中的溫度控制等措施，能夠減少大體積混凝土的內(nèi)表溫差和表面拉應(yīng)力大小，從而避免混凝土澆筑后早期表面裂縫的產(chǎn)生。一旦大體積混凝土出現(xiàn)裂縫，不僅直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性，也會對施工的安全質(zhì)量造成一定的隱患。為了改善大體積混凝土澆筑后表面裂縫通病的產(chǎn)生，在施工過程中要狠抓施工技術(shù)要點，不斷強(qiáng)化質(zhì)量安全意識，從而提高建筑工程總體質(zhì)量，確保結(jié)構(gòu)物達(dá)到建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，力爭打造品質(zhì)工程。

1 工程概況

1.1 錨體結(jié)構(gòu)形式

廣西濱海公路龍門大橋是目前廣西規(guī)劃建設(shè)的最大跨徑橋梁。龍門大橋東錨碇錨體從功能、受力、施工等方面可分為錨塊、散索鞍支墩、前錨室、后錨室等部分(見圖1)。錨體順橋向長51.6 m，橫橋向?qū)?0.6 m，高39.7 m。由于錨體平面投影尺寸較大，且項目所在地氣溫較高、日曬充足，為避免混凝土在澆筑過程中表面出現(xiàn)收縮與溫度裂縫，特對錨體錨塊進(jìn)行分層分塊澆筑，每層高3 m，左右幅各為一塊，中間設(shè)置后澆段，后澆段采用微膨脹混凝土進(jìn)行澆筑。

1.2 施工氣象條件

龍門大橋所在地多年平均氣溫為21.9 ℃，最高月平均氣溫為28.3 ℃，最低月平均氣溫為13.5 ℃，極端最高氣溫37.5 ℃，極端最低氣溫1.1 ℃，年平均日氣溫>35 ℃的天數(shù)為12 d。

圖1 龍門大橋東錨碇BIM模型圖

2 錨體施工溫控要點

大體積混凝土通常是指混凝土結(jié)構(gòu)實體幾何尺寸≥1 m的大體量混凝土，易因膠凝材料水化反應(yīng)引起溫度變化收縮而導(dǎo)致開裂。大體積混凝土具有結(jié)構(gòu)厚實、混凝土方量大、工程條件復(fù)雜、施工技術(shù)要求高、水泥水化熱較大(預(yù)計超過25 ℃)等特點[1]。

2.1 錨體大體積混凝土施工重難點

(1)錨體混凝土方量較大(單次澆筑最大方量達(dá)到2 600 m3)，混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級高(C40)。當(dāng)混凝土水化熱溫度控制不當(dāng)時，易使超大體積混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力、收縮和徐變，也極易因內(nèi)表溫差較大而產(chǎn)生溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土開裂[2]。

(2)錨體混凝土澆筑面較大，與一般混凝土施工相比，受環(huán)境及氣溫影響較大，單層攤鋪所需時間較長。且項目所在地氣溫較高、日曬充足，當(dāng)混凝土澆筑時，每層攤鋪間隔時間較長，極易因?qū)娱g混凝土表面水分蒸發(fā)過快導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生收縮開裂，且不利于層間混凝土結(jié)合。

(3)錨塊的后錨室部位存在較多變截面，該部位易發(fā)生應(yīng)力集中而產(chǎn)生開裂。

2.2 錨體分層分塊施工

東錨碇錨體為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土澆筑時，為避免混凝土澆筑施工后由于水化熱影響出現(xiàn)收縮與溫度裂縫，澆筑方案整體采取豎向分層、平面分塊的方式進(jìn)行。錨塊整體呈梯形，沿橋軸線對稱布置，錨塊沿順橋向中部及橫橋向支墩與錨塊分界處設(shè)置2 m寬后澆段，后澆段采用C40微膨脹混凝土澆筑，在錨塊施工完成后澆筑。錨塊豎向分14層澆筑，層厚自下往上依次為3 m×12+2.0 m+1.7 m，單個錨塊順橋向長51.6 m，橫橋向?qū)?0.3 m，高39.7 m。每層混凝土澆筑時應(yīng)從低處開始，布料均勻；當(dāng)混凝土供應(yīng)量充足時，亦可多點同時進(jìn)行澆筑。如圖2所示。

圖2 錨塊澆筑分層示意圖(cm)

3 大體積混凝土施工溫控措施

3.1 混凝土配合比設(shè)計

按施工圖紙設(shè)計要求，錨體采用C40混凝土進(jìn)行澆筑。為減少水化熱產(chǎn)生的熱量，推遲放熱高峰出現(xiàn)的時間，通過減少水泥用量，在混凝土中摻入適量粉煤灰及外加劑，從而降低水灰比，也有效降低混凝土的絕熱溫升，保證混凝土的整體質(zhì)量。經(jīng)過前期試驗論證，該設(shè)計配合比完全符合混凝土的設(shè)計要求?；炷僚浜媳热绫?所示。

表1 混凝土配合比設(shè)計表(kg/m3)

3.2 混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸、澆筑過程質(zhì)量控制

混凝土生產(chǎn)時應(yīng)保證原材料及配合比、制備工藝以及質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)等各方面相同，且必須保證使用的水泥品種、生產(chǎn)批次、生產(chǎn)用量的一致性，各種原材料的儲存應(yīng)專倉專用，防水、防污染、防竄料。拌和時間和投料順序達(dá)到規(guī)范要求，拌和得到的混凝土勻質(zhì)性合格。混凝土拌和過程中，自有拌和站需設(shè)試驗員進(jìn)行后場蹲點，應(yīng)隨時觀察粗、細(xì)骨料含水率的變化，并依據(jù)含水率及時調(diào)整配合比的用水量。

混凝土拌和站采用自有的2線180拌和站(揚(yáng)帆南大道拌和站)及1線120拌和站(擦人墩島上拌和站)同時生產(chǎn)混凝土的方式供應(yīng)混凝土。揚(yáng)帆南大道拌和站出料通過施工便道及棧橋運(yùn)輸至錨碇位置，運(yùn)輸時間大約為20 min；擦人墩島上拌和站出料直接運(yùn)輸至錨碇施工位置，運(yùn)輸時間約為5 min。通過混凝土調(diào)度中心調(diào)配混凝土，其運(yùn)輸速率應(yīng)保證施工的連續(xù)性。在運(yùn)輸混凝土過程中，必須保持混凝土罐車罐體持續(xù)低速轉(zhuǎn)動，當(dāng)罐車到達(dá)混凝土澆筑現(xiàn)場后，卸料前應(yīng)使罐車高速旋轉(zhuǎn)30 s左右方可卸料。

因為對錨塊混凝土質(zhì)量要求高及要求外觀平整，所以在現(xiàn)場澆筑過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照混凝土施工振搗的要求進(jìn)行振搗。混凝土澆筑時按照每層30～50 cm的規(guī)格進(jìn)行控制，并且應(yīng)均勻布料，現(xiàn)場嚴(yán)禁使用振動棒驅(qū)趕混凝土。混凝土振搗時嚴(yán)格控制混凝土振搗時間，防止過振造成混凝土離析或者泌水現(xiàn)象?；炷翝仓r做到布料均勻，粗、細(xì)骨料分布合理均勻，保證混凝土結(jié)構(gòu)的均質(zhì)性[3]。

3.3 混凝土澆筑溫度控制

把握混凝土澆筑時間，盡量避開在高溫天氣期間澆筑。根據(jù)規(guī)范，為保證混凝土入模溫度，可對原材料溫度進(jìn)行控制。對原材料采用搭遮陽篷、通風(fēng)等普通措施冷卻，必要時可對料倉進(jìn)行噴霧或?qū)υ牧线M(jìn)行灑水(注意原材料含水率，從而優(yōu)化配合比)，以降低儲存環(huán)境溫度。拌和水可采用自來水或者地下水，水溫需控制應(yīng)比氣溫低，如水溫過高，可向水中投放冰塊以降低水溫。后場要加快混凝土生產(chǎn)量，使現(xiàn)場加快混凝土的澆筑速度，減少每層混凝土的布料時間，從而縮短混凝土表面暴露的時間，防止由于混凝土表面水分蒸發(fā)過快而導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生收縮開裂?；炷翉募铀_始攪拌至入模最長時間應(yīng)≤1.5 h。

3.4 冷卻水管的布設(shè)及控制

錨塊每一澆筑層縱橫交錯布設(shè)3層冷卻水管。冷卻水管采用直徑為42.3 mm、壁厚為3.25 mm，且具有一定強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能的黑鐵管制成；水管彎頭應(yīng)采用冷彎工藝處理，水管接頭通過螺紋絲扣連接。水管水平間距為1.0 m，垂直管間距為1.0 m，距該層混凝土頂面/底面50 cm；每套管長≤150 m。錨體大體積混凝土冷卻采用循環(huán)冷卻法，冷卻水應(yīng)設(shè)置獨(dú)立大水箱，用分流器將每層每套水管集中分流，分流器各接頭設(shè)置獨(dú)立開關(guān)來控制每層每套水管內(nèi)冷卻水的循環(huán)速率。在混凝土升溫初期采用外循環(huán)，即冷卻水直排并不間斷補(bǔ)充淡水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)，即冷卻水回到循環(huán)水箱。混凝土澆筑前，冷卻水管應(yīng)進(jìn)行≥0.5 h的加壓通水試驗。待水管停止循環(huán)水冷卻并完成養(yǎng)生后應(yīng)及時對冷卻水管用混凝土同強(qiáng)度的微膨脹水泥漿進(jìn)行壓漿封堵。如表2所示。

表2 錨體大體積混凝土通水要求表

3.5 溫度監(jiān)測元件的布設(shè)

為更好地監(jiān)測混凝土溫度，在混凝土內(nèi)部布置測溫元件測點。根據(jù)構(gòu)件對稱性的特點，選取構(gòu)件的1/4塊進(jìn)行布置測點，對高度方向的測點距離冷卻水管需≥25 cm。根據(jù)澆筑層厚及冷卻水管布置情況，分別于混凝土底面以上1.5 m處布設(shè)第一層(監(jiān)測層)、2.5 m處布設(shè)第二層(校核層)，監(jiān)測混凝土內(nèi)部溫度及表面溫度。以錨體左幅第四層M2-4為例，測溫元件布設(shè)情況如圖3所示。

圖3 監(jiān)測層測溫元件平面布置示意圖(cm)

3.6 養(yǎng)護(hù)及拆模時間控制

由于混凝土中水泥水化熱反應(yīng)引起混凝土內(nèi)部溫度迅速上升，使內(nèi)表溫差過大，使混凝土表面早期塑性收縮和混凝土硬化過程中的收縮增大，從而導(dǎo)致混凝土表面發(fā)生裂縫[4]。大體積混凝土養(yǎng)護(hù)時的溫度控制一般采用內(nèi)部降溫、外部保溫相結(jié)合的方法，從而減少內(nèi)表溫差帶來的不利影響。當(dāng)環(huán)境溫度較高時，在混凝土外表面鋪設(shè)土工布并進(jìn)行濕水方式養(yǎng)護(hù)；環(huán)境溫度較低時，在模板外包裹土工布防風(fēng)、保溫，拆模后混凝土表面涂養(yǎng)護(hù)劑并用土工布包裹。澆筑完成后，應(yīng)安排人員定時對混凝土表面土工布進(jìn)行灑水養(yǎng)護(hù)，保證混凝土表面土工布處于濕潤狀態(tài)。通過加強(qiáng)混凝土表面保濕養(yǎng)護(hù)，可以減少由于混凝土表面收縮引起的表面應(yīng)力。

混凝土拆模時間應(yīng)按照混凝土澆筑齡期及實測溫度進(jìn)行分析，且混凝土拆模時應(yīng)滿足混凝土強(qiáng)度>2.5 MPa。為使混凝土內(nèi)外溫差較小，尤其注意混凝土拆模時間不得小于混凝土溫峰出現(xiàn)時間。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，混凝土溫峰出現(xiàn)時間為澆筑完成后2～3 d。同時，模板在混凝土初期養(yǎng)護(hù)階段可起到保溫保濕效果。為降低混凝土裂縫出現(xiàn)的可能，混凝土拆帶模養(yǎng)護(hù)時間≥3 d。

表3 錨體大體積混凝土養(yǎng)護(hù)措施及要求表

3.7 混凝土澆筑完成溫控成效

通過對錨體左幅第四層M2-4混凝土澆筑過程溫度監(jiān)測，得出混凝土溫度特征值發(fā)展歷時曲線如圖4～5所示。

圖4 第一層測點監(jiān)測區(qū)域混凝土溫度特征值歷時曲線圖

圖5 第二層測點監(jiān)測區(qū)域混凝土溫度特征值歷時曲線圖

由圖4～5可以看出，測點監(jiān)測區(qū)域混凝土于測點覆蓋后6 h左右開始快速升溫，于30～50 h達(dá)到溫峰；溫峰過后混凝土內(nèi)部溫度前期降溫較快，中后期平緩；降溫初期混凝土表面降溫較快，內(nèi)表溫差增大，中后期基本與內(nèi)部溫度同步，漸趨平穩(wěn)。混凝土內(nèi)部最高溫度為59.5 ℃，符合≤75 ℃的控制標(biāo)準(zhǔn)；混凝土最大內(nèi)表溫差為18.9 ℃，符合≤25 ℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

大體積混凝土最大的特點就是水化硬化過程中內(nèi)部會釋放出大量熱量，但是由于體積比較大，熱量無法快速傳遞到混凝土表層。在這種情況下，大體積混凝土內(nèi)部和外部就會形成溫差，從而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定值時，混凝土表面裂縫問題就會出現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度造成不利影響[5]。本文結(jié)合龍門大橋東錨體大體積混凝土施工實際，通過現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，大體積混凝土施工的溫度是可控的，從分層分塊、原材料溫度及入模溫度控制、養(yǎng)護(hù)措施等方面控制好大體積混凝土施工的各個環(huán)節(jié)，不斷提升施工水平，提高施工技術(shù)，加強(qiáng)施工過程質(zhì)量管控，防止混凝土開裂，從而能夠有效降低施工成本，提高總體施工質(zhì)量。