徐州和平路立交橋大體積混凝土泵送與施工

薛宜柏

（江蘇鑄本混凝土工程有限公司，江蘇 徐州221000）

徐州和平路立交橋大體積混凝土泵送與施工

薛宜柏

（江蘇鑄本混凝土工程有限公司，江蘇 徐州221000）

徐州和平路立交橋主塔承臺大體積混凝土工程共計用混凝土5030m3，施工一次灌注完成，由于管理得當(dāng)、過程控制科學(xué)、嚴(yán)格，工程取得了較好的效果。本文結(jié)合該工程，主要從原材料的選用、配合比設(shè)計﹑泵送施工工藝﹑施工措施等幾個方面來探討大體積混凝土的溫度裂縫成因與關(guān)鍵控制技術(shù)。

大體積混凝土；泵送；溫度裂縫；控制

1 工程概況

“和平路立交橋”工程是徐州市云龍區(qū)政府工程，設(shè)計單位為濟(jì)南鐵路勘探設(shè)計研究院，施工單位為中鐵十局，監(jiān)理方為中國大橋局監(jiān)理公司，預(yù)拌混凝土由江蘇鑄本混凝土工程有限公司生產(chǎn)供應(yīng)。該橋是徐州市首座大型立交橋，為獨塔斜拉式結(jié)構(gòu)，橫跨火車站站臺與車輛場。大橋主跨為176+192m，斜拉鎖采用單股Φ15.2mm的鋼絞線組成，共計116根，鋼絞線直徑為280～350mm，橋面梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；索塔為H型塔，塔高101m（見圖1）；東、西引橋分別為650m和260m；主塔基礎(chǔ)采用兩個分離式承臺，兩承臺之間采用兩道連系梁連接，單個承臺尺寸為19.1m×19.1m×6m，整個承臺尺寸為19.1m×51.8m×6m（見圖2），每道連系梁尺寸為13.6m×4m×6m。承臺及連系梁為普通C30混凝土，一次性澆筑，體積為5030.7m3。施工時間為2006年4月29日23:00時至5月1日凌晨，共計用時51小時。

圖1 (和平路)獨塔斜拉式大型立交橋示意圖

圖2 主塔承臺基礎(chǔ)平面示意圖

2 工程特點

該工程與一般的混凝土工程相比較，具有混凝土體積大、數(shù)量多、且一次性集中泵送﹑施工場地和工程條件復(fù)雜（場地狹窄，泵送管下穿京—滬上、下行電氣化鐵路大動脈）﹑施工技術(shù)和質(zhì)量要求高﹑混凝土絕熱溫度高等特點。因此，做好該工程大體積混凝土的生產(chǎn)與施工，除必須具有一般混凝土的要求及保證足夠的強度和供應(yīng)外，還應(yīng)克服以上困難，滿足結(jié)構(gòu)物的整體性和耐久性等方面的特殊要求，特別是大體積混凝土經(jīng)常出現(xiàn)的抗溫度裂縫問題，如果在混凝土的生產(chǎn)和施工過程，不能得到有效的控制，混凝土內(nèi)外溫差＞25℃，將造成承臺產(chǎn)生較大的裂縫。

基于以上諸多因素，工程開工前各方做了大量準(zhǔn)備工作。設(shè)計、施工、監(jiān)理及混凝土供應(yīng)單位多次召開會議，研究制定詳細(xì)的施工方案，特別是對混凝土溫度裂縫的控制問題。

溫度裂縫的控制，涉及工程設(shè)計、原材料選用﹑混凝土配合比設(shè)計﹑生產(chǎn)過程質(zhì)量控制﹑施工氣候條件﹑施工養(yǎng)護(hù)等許多因素。因此控制大體積混凝土的溫度裂縫問題，是一個牽扯多家單位和部門的系統(tǒng)工程，必須對相關(guān)影響因素進(jìn)行分析研究，采取綜合控制措施，才能達(dá)到理想的結(jié)果。

3 大體積混凝土溫度裂縫產(chǎn)生原因及控制

3.1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因分析

要想有效的控制大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫度裂縫，首先要了解大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生原因。大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，主要是由于水泥在水化硬化過程中，釋放出大量的水化熱而導(dǎo)致?；炷猎谟步Y(jié)過程中由于水泥的水化作用，在初始幾天產(chǎn)生大量的水化熱?；炷翜囟壬撸ㄒ妶D3），由于混凝土導(dǎo)熱不良，體積較大，相對散熱較慢，因此，形成熱量的積聚。內(nèi)部水化熱不易散失，外部混凝土散熱較快，水化熱溫升隨體積增大而加大。

由于內(nèi)部溫度的變化，引起了混凝土應(yīng)變，應(yīng)變產(chǎn)生的變形受到混凝土內(nèi)部和外部的約束，將產(chǎn)生很大應(yīng)力。在初期階段，混凝土未充分水化硬化，彈性模量小，因此拉應(yīng)力較小，只引起混凝土表面裂縫。隨著水泥水化反應(yīng)的速率減緩及混凝土的不斷散熱，混凝土由升溫階段過渡到降溫階段，溫度降低，混凝土體積收縮。由于混凝土內(nèi)部熱量通過表面向外散發(fā)，降溫階段混凝土中心部分與表面部分的冷縮程度不同，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)約束；同時地基與邊界條件也對收縮的混凝土產(chǎn)生較大的外約束，在內(nèi)外約束的共同作用下，使收縮的混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力。

隨混凝土的齡期增長，抗拉強度增大、彈性模量增大、塑性減小。因此降溫收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，易在混凝土中心部位形成較高拉應(yīng)力區(qū)，若此時的混凝土拉應(yīng)力大于混凝土此齡期的抗拉強度，則混凝土產(chǎn)生較大裂縫。這就是大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的機理。

混凝土的抗拉強度與引起混凝土開裂的溫度應(yīng)力，是隨著時間變化而變化的。當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土此齡期的抗拉強度，混凝土產(chǎn)生裂縫。裂縫出現(xiàn)在溫度應(yīng)力σt大于混凝土此時齡期抗拉強度ft的受拉處（如圖4）。若合理的綜合采取措施，特別控制水泥用量，降低水泥水化硬化的水化熱和混凝土內(nèi)部溫度，減少溫度應(yīng)力，使混凝土溫度應(yīng)力一直小于混凝土此時齡期抗拉強度，就能保證混凝土不會產(chǎn)生溫度裂縫。這便是控制大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的關(guān)鍵點。

圖3 大體積混凝土溫度變化曲線圖

圖4 抗拉強度及應(yīng)力變化時間關(guān)系曲線圖

3.2 大體積混凝土溫度裂縫的控制

依據(jù)大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生機理和控制溫度裂縫的關(guān)鍵點，制定綜合預(yù)防大體積混凝土溫度裂縫的具體措施：

3.2.1 設(shè)計方面

（1）合理選用鋼筋，設(shè)計時盡量采用小直徑﹑密間距、變截面及轉(zhuǎn)角處增加構(gòu)造配筋，在承臺四周表面增加防裂鋼筋網(wǎng)，來增加混凝土的整體抗裂性。

（2）避免采用高強混凝土，選用中低強度等級C30混凝土，降低水泥用量，減少水化熱的產(chǎn)生。

（3）混凝土設(shè)計采用60天或90天齡期，充分利用混凝土的后期強度，降低水泥用量，減少因水泥帶來的水化熱。（但由于其他因素的影響，本工程最終混凝土的強度設(shè)計仍采用28天齡期）。

3.2.2 混凝土配合比設(shè)計

（1）設(shè)計原則

在滿足工程設(shè)計與施工要求的強度、耐久性及和易性的條件下，要求盡量降低混凝土的水泥用量，使混凝土絕熱溫升較小、抗拉強度較大、極限拉伸變形能力較大、熱強比較小、膨脹收縮較小。

具體為采用“雙摻”技術(shù)，即：摻入足量的摻合料 （如粉煤灰）來取代部分水泥和摻入具有高效減水功能的外加劑。摻入以上兩種材料，不僅減少了水泥用量，降低水化熱，降低了混凝土的絕熱，還減少用水量，降低水灰比，提高混凝土早期和后期強度，改善混凝土施工性能。同時，由于外加劑緩凝作用，延長了混凝土凝結(jié)時間，推遲和降低了升溫峰值，從而提高混凝土的抗裂性能。

（2）材料的選用

①水泥

盡可能選用低熱或中熱且強度高的水泥。綜合比較后，選用中聯(lián)巨龍淮海水泥有限公司生產(chǎn)的“巨龍”牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。其特點是均勻性、安定性及和易性能好；早強高、后強增進(jìn)率大；需水性較小、富余強度高，水泥用量經(jīng)濟(jì)。只是對外加劑適應(yīng)性稍差一些，較適用于大體積混凝土。具體物理力學(xué)性能見表1。

表1 巨龍普通P·O42.5水泥物理力學(xué)性能

②粗、細(xì)骨料的選用

粗骨料應(yīng)選擇級配良好，且最大粒徑盡可能大的骨料，同時，盡可能加大骨料用量?；炷劣盟考八嘤昧肯鄳?yīng)減少，混凝土收縮隨之減少，抗裂性增強。

粗骨料選用徐州漢王生產(chǎn)的5～40mm連續(xù)級配碎石；細(xì)骨料選用徐州新沂沂河的中、粗砂。粗、細(xì)骨料除滿足一般的技術(shù)要求外，還特別控制砂、石的含泥量，過多的含泥量不僅增加混凝土的收縮，而且降低強度，對抗裂尤其不利。即石子的含泥量在1%以內(nèi)，砂的含泥量在2%以內(nèi)。

③外加劑

本工程外加劑選用江蘇建科院生產(chǎn)“博特”牌JM—Ⅷ型復(fù)合外加劑，減水率在24%左右、摻量2%、保坍4～6h。此外加劑除滿足高效減水、緩凝、保水、坍落度損失小、和易性好和泵送要求外，同時還具有減少水泥用量、提高混凝土早期強度的作用，增加了混凝土抗裂性。

④摻合料（粉煤灰）

摻合料采用徐州彭城電廠II級粉煤灰。此Ⅱ級灰除細(xì)度指標(biāo)外，其余各項指標(biāo)均滿足Ⅰ級灰要求，同時有較好的活性。摻量為24%，超量取代水泥17.6%，超量系數(shù)取1.5。

（3）配合比的確定

大體積承臺基礎(chǔ)，可相對選擇坍落度較小的混凝土。由于本工程泵送管鋪設(shè)較長，近100m，且十幾個彎頭泵送阻力較大，混凝土坍落度定為160～180mm、水灰比在0.5左右、砂率為38%。施工用C30混凝土配合比見表2。

表2 施工用C30混凝土配合比 kg/m3

3.2.3 混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力預(yù)測計算

為保障混凝土工程質(zhì)量，試驗進(jìn)行了混凝土內(nèi)部的溫度和應(yīng)力的預(yù)測計算，具體計算過程及結(jié)果如下：計算溫度升溫采用絕熱溫升計算法：

最大絕熱溫升：

式中 T7,T15——各齡期混凝土的絕熱溫升；

Tmax——混凝土的最大絕熱溫升；

Q—— P·O 42.5普通硅酸鹽水泥水化熱為375kJ/kg；

C——混凝土比熱為0.96kJ/kg·℃；

ρ—— 普通混凝土容量為2400 kg/m3；

M—— 水泥用量為280kg/m3；

E—— 常數(shù) 2.718。

即在理想狀態(tài)下，混凝土中水泥生產(chǎn)水化熱不散失的情況時，混凝土內(nèi)部溫度最高將升高45.6℃。

7d及15d齡期混凝土收縮變形值：

式中 ε（7）,ε（15）——為 7d、15d 齡期混凝土的收縮變形值 ；ε（0）——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的混凝土最終收縮值，取值為3.24×104；M1、M2、M3…Mn——考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的修正系數(shù)，取1.4。

混凝土收縮當(dāng)量溫差：

T(7),T(15)——各齡期混凝土收縮當(dāng)量溫差，℃。

混凝土彈性模量：

式中 E7、E15——各齡期的彈性模量，MPa；

E0——混凝土的最終彈性模量(MPa)，可近似取C30混凝土28d的彈性值為3.0×104。

混凝土的最大綜合溫差：

式中 △T——混凝土的最大綜合溫差；

T0——混凝土拌合物經(jīng)運輸至澆筑完成時的溫度取26℃；Th——混凝土澆筑后達(dá)到穩(wěn)定時的溫度，取21℃。

混凝土最大收縮應(yīng)力：

式中 σ—— 混凝土的溫度應(yīng)力N/mm2；

α—— 混凝土的線膨脹系數(shù)取1.0×10-5；

R—— 混凝土的外約束系數(shù)取0.25～0.5；

ν—— 混凝土的泊松比取0.15；

S(7)——徐變影響的松馳系數(shù)取0.3。

經(jīng)測算得：用此配合比拌制的混凝土，最大收縮應(yīng)力為，σ(t)=1.99N/ mm2，剛剛滿足小于f=2.1N/mm2普通C30混凝土的抗拉強度

4 混凝土的溫控保障措施

由以上計算可知，采用以上配合比拌制生產(chǎn)大體積混凝土，基本滿足抗裂(σ(t)=1.99 N/m2≤2.1 N/m2)要求。但在實際的生產(chǎn)施工過程中，溫度的變化和混凝土的抗裂受諸多復(fù)雜因素的影響。為了進(jìn)一步降低混凝土的內(nèi)部溫度，確保工程質(zhì)量，杜絕有害的溫度裂縫，施工中在兩個承臺內(nèi)分別設(shè)置六層冷卻管。冷卻管整體為矩形分布，橫向間距為800mm（見圖5），豎向間距參照承臺鋼筋分布靈活排布，保持間距大致均勻（見圖6）。冷卻管采用外徑25mm的鋼管，水流量不小于1m3/h。為了方便對其內(nèi)部溫度進(jìn)行監(jiān)測，我們還在兩承臺內(nèi)均勻設(shè)置24根測溫管，全天候的對混凝土溫度進(jìn)行監(jiān)控，使混凝土內(nèi)、外溫差控制在25℃以內(nèi)，避免內(nèi)外溫差過大，造成溫度裂縫。

5 混凝土的澆筑與施工養(yǎng)護(hù)

5.1 混凝土的拌制、運輸與泵送

混凝土的澆筑在4月底5月初，氣候較適宜施工大體積混凝土。在混凝土的拌制過程中，未做特殊處理（如：覆蓋原材料、投放冰水等措施），按正常程序生產(chǎn)。

圖5 承臺平面冷卻管布置示意圖

圖6 承臺剖面冷卻管布置示意圖

工程要求兩個承臺必須同步均勻的澆筑混凝土?，F(xiàn)場采用兩臺HBT—60C型混凝土拖式泵，同時泵送混凝土，另放置一臺HBT—80型混凝土拖式泵備用。因石子粒徑較大，混凝土泵送管道沒有采用傳統(tǒng)的Φ125mm，而選用了直徑Φ150mm的泵送管道。為了保證連續(xù)供應(yīng)混凝土，投入12輛7m混凝土運輸車。計劃用時60小時澆筑完畢，實際用時51小時。

為保證混凝土承臺澆筑的整體性、連續(xù)性，澆筑采用斜面一次性法澆筑。澆筑時不宜過快，應(yīng)給混凝土一定的沉降時間（因承臺厚達(dá)6m），在保證不出現(xiàn)施工冷縫的情況下，適當(dāng)放緩澆筑速度，以增加散熱與熱量交換；同時，對入?；炷吝M(jìn)行復(fù)震（兩次振搗間隔1h左右），來保證混凝土的密實；混凝土表面的處理，應(yīng)適時用木抹子抹平搓毛兩遍，防止混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

5.2 養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)是大體積混凝土施工中的一項十分關(guān)鍵的工作，必須采取有效措施，才能取得良好成效。

為了很好的控制混凝土內(nèi)外溫差＜25℃，混凝土內(nèi)部布置散熱管，通入冷卻水來調(diào)節(jié)混凝土內(nèi)部溫度。在混凝土澆注過程中，開始加強溫度監(jiān)測，每2小時對室外氣溫、混凝土表面溫度、混凝土內(nèi)部溫度、冷卻管進(jìn)水及出水溫度進(jìn)行記錄，嚴(yán)格控制混凝土內(nèi)外溫差。當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過25℃時應(yīng)加大水循環(huán)流量；當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差低于20℃時可減慢流量；當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差小于15℃時可解除保溫，控制降溫速度。

采取用草袋和塑料薄膜進(jìn)行保溫和保濕，用保溫隔熱法對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。先用塑料薄膜覆蓋，再覆蓋兩層麻袋。當(dāng)測溫表明混凝土內(nèi)外溫差達(dá)到報警值25℃時，采用混凝土表面保溫的方法來減少混凝土內(nèi)外溫差，再增加麻袋或草袋覆蓋混凝土，以增強混凝土表面的溫度，降低混凝土內(nèi)外溫差，混凝土的養(yǎng)護(hù)應(yīng)不少于14d。從4月29日23:00時開始澆筑混凝土至5月12日，對混凝土進(jìn)行13天的跟蹤測量，并繪制溫度變化統(tǒng)計曲線圖（見圖7）。從溫度變化統(tǒng)計曲線圖可見：混凝土澆筑3天左右，即5月3～4日開始進(jìn)入溫度高峰期，最高溫度高達(dá)68℃，高溫并未持續(xù)多久，之后趨于穩(wěn)定不再升溫，并且開始逐步降溫,很快呈穩(wěn)步下降趨勢。

圖7 兩承臺混凝土溫度變化統(tǒng)計曲線

6 實施效果

通過采取上述一系列綜合措施，徐州市和平路立交橋承臺施工成功預(yù)防了裂縫出現(xiàn)的問題。通過實踐證明，只要采取科學(xué)的施工方案，并運用合理的預(yù)防措施和嚴(yán)格的過程監(jiān)控，混凝土裂縫是可以控制在最小范圍內(nèi)，或者說是可以得到基本控制的。

7 結(jié)論

泵送預(yù)拌大體積混凝土的防裂控制技術(shù)，涉及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、設(shè)計、管理、施工等諸多方面的影響因素。需要建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、材料供應(yīng)等單位的綜合管理、科學(xué)組織、合理安排、嚴(yán)格執(zhí)行，以及各部門的相互理解與配合。

通過對結(jié)構(gòu)裂縫成因分析、溫度和應(yīng)力的預(yù)測計算及其它試驗研究和工程應(yīng)用的對比分析，得出如下結(jié)論：

（1）防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫是一個系統(tǒng)工程，要從造成裂縫的各種原因著手，全面采取措施，并根據(jù)工程特點，確定防裂重點，才可能取得投入少，效果好的結(jié)果。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計方案在大體積混凝土工程的裂縫控制系統(tǒng)中，起著關(guān)鍵性的作用：結(jié)構(gòu)體系的布置、斷面尺寸的確定、配筋率的大小、混凝土等級的選擇等決定了大體積混凝土的裂縫產(chǎn)生、發(fā)展的特性。

（3）理論計算對泵送預(yù)拌大體積混凝土的裂縫控制管理具有指導(dǎo)意義。而真實計算參數(shù)的確定,決定了模擬計算反映實際工況的準(zhǔn)確度。準(zhǔn)確的預(yù)測是事前控制工作的核心內(nèi)容，是指導(dǎo)配合比設(shè)計及其優(yōu)化的關(guān)鍵。

（4）施工配合比設(shè)計及其優(yōu)化，是保證合格混凝土材料的前提。在本例工程配合比的設(shè)計中，通過摻用粉煤灰技術(shù)及使用大粒徑（40mm）粗骨料，降低了水泥用量和用水量，增強了混凝土的抗裂性，取得了較好的效果。

（5）從設(shè)計、構(gòu)造、材料、施工與養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行施工方案的概念設(shè)計，輔以施工監(jiān)測，綜合地采取技術(shù)措施與組織方法，應(yīng)用成熟的混凝土施土技術(shù)經(jīng)驗，組織分段分層流水施工，既能使混凝土的開裂問題得到有效的防治，又能降低大體積混凝土防裂的技術(shù)成本與控制難度，完全能避免有害裂縫的產(chǎn)生，具有很高的實用性和經(jīng)濟(jì)價值。

[1]韓素芳，耿維恕. 鋼筋混凝土裂縫控制指南[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.1997

[3]江正榮. 建筑施工計算手冊(第2版).北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007

[4]徐州和平路立交橋主塔承臺設(shè)計圖. 濟(jì)南鐵路勘探設(shè)計研究院

[5]徐州和平路立交橋主塔承臺施工組織方案. 中鐵十局

[單位地址]江蘇省徐州銅山新區(qū)遼河路1號（221116）

Pumping and construction of massive concrete in Xuzhou Peace Road overpass

Xue Yibai
(Jiangsu ZhuBen concrete engineering Co. Ltd. Jiangsu Xuzhou 221000)

The main tower platform mass concrete project of Xuzhou Peace Road overpass total used 5030m3 concrete and constructed once irrigation to complete. Achieved good results because properly managed and sciencelly control process. This paper mainly discussed mass concrete cracks formation and key control technology from the selection of raw materials, mixture design, pumping construction technology, construction measures, etc combined with the engineering.

massive concrete; pumping; temperature crack; control

薛宜柏（1962-），男。江蘇鑄本混凝土工程有限公司常務(wù)副總經(jīng)理（生產(chǎn)），武漢理工大學(xué)徐州校友會副會長，徐州市土木建筑學(xué)會會員。