江順大橋大體積承臺施工溫度控制與監(jiān)測

張志艮

（中鐵大橋局集團(tuán) 第二工程有限公司，江蘇 南京210015）

1 工程概況

江順大橋位于廣東省江門市，是廣佛江快速通道重點(diǎn)控制工程，主塔基礎(chǔ)采用鉆孔樁+圓啞鈴型承臺基礎(chǔ)。主墩樁基礎(chǔ)為28根樁徑3m的鉆孔灌注樁，承臺平面尺寸為73.052m×24.5m，厚6.5m。承臺頂、底標(biāo)高分別為+4.8m，-1.7m。四周設(shè)防撞V形橡膠護(hù)弦。承臺設(shè)計(jì)為C40號混凝土，單個承臺混凝土方量為10205m3。擬分(2.5m+4.0m)兩次澆筑，單次澆筑承臺混凝土體積達(dá)4474.4m3。該橋墩的承臺具有超長和超厚的特點(diǎn)，并且鋼筋密集，施工場地狹窄，施工難度很大。承臺上接4.5米的V型塔座，對承臺的施工質(zhì)量要求非常高。

2 承臺混凝土施工溫控計(jì)算主要依據(jù)

在大體積混凝土施工過程中，要有效控制混凝土內(nèi)部溫度，必須對混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)過程中的溫度變化進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算前要對混凝土內(nèi)部變化規(guī)律及對造成大體積混凝土開裂的主要因素有所了解。

混凝土的內(nèi)部溫度取決于它本身貯存的熱能。在一般情況下，澆筑后混凝土的溫度與外界環(huán)境有溫差存在，新澆筑混凝土與周圍環(huán)境之間產(chǎn)生熱能交換，混凝土溫度是入倉溫度、水泥水化熱引起的絕熱溫度與混凝土澆筑后的散熱溫度三者的疊加，其變化規(guī)律是由低到高，又由高到低。造成大體積混凝土開裂的主要因素是混凝土與外界環(huán)境的溫差。溫差越大，混凝土的溫度變形越大，溫度變形引起的溫度應(yīng)力也就越大。當(dāng)新澆砼與外界氣溫存在較大溫差，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過此時砼的抗拉強(qiáng)度時，就會造成砼表層開裂，如不加以控制，裂縫就會向深層發(fā)展。

基于以上原因，施工前對大體積承臺砼進(jìn)行了溫控計(jì)算，以下是溫控計(jì)算的主要依據(jù)。

（1）承臺混凝土擬分2層澆筑，層厚分別為2.5m和4m。

（2）砼膠凝材料擬選用江門海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥摻Ⅱ級粉煤灰及外加劑。

（3）根據(jù)施工工期安排，計(jì)劃施工時間為2012年7～8月，參考江門以前氣象資料，氣溫約為25～32℃，天氣炎熱，澆筑溫度較難控制。并將進(jìn)入臺風(fēng)季節(jié)，風(fēng)力較大，易帶走混凝土表面的水分，造成塑性開裂，混凝土表面保溫保濕養(yǎng)護(hù)尤為重要。澆筑溫度按32℃考慮。

（4）層間澆筑間歇時間為15天。

2.1 Z3#墩承臺仿真計(jì)算

主塔承臺為圓端啞鈴型，平面尺寸為73.052m×24.5m×6.5m，分兩層澆筑(2.5m+4.0m)。根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取承臺混凝土1/4進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算模型網(wǎng)格剖分圖見圖1。

圖1 主塔承臺1/4塊有限元剖分圖（附帶封底混凝土約束）

2.2 計(jì)算結(jié)果（計(jì)算過程略）

主塔承臺施工時間為八月底和九月中旬，砼澆筑溫度按不超過30℃計(jì)算。在以上設(shè)定條件下，承臺第一層內(nèi)部最高溫度計(jì)算值為64.8℃，第二層內(nèi)部最高溫度計(jì)算值為72.6℃，溫峰出現(xiàn)時間約為澆筑后第2～3天。承臺內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見圖2；承臺溫度應(yīng)力場分布見圖3，應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表1。

圖2 承臺最高溫度包絡(luò)圖（單位：℃）

圖3 主塔承臺溫度應(yīng)力場分布圖（單位：0.01MPa）

表1 承臺混凝土溫度應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果

從圖2可以看出：承臺底層和頂層混凝土內(nèi)部溫度較高、散熱較慢，應(yīng)合理排布承臺中間部位冷卻水管，加強(qiáng)內(nèi)部通水冷卻，并注意表面保溫。

從圖3及表1承臺各齡期溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，承臺早期抗裂安全系數(shù)較小，需特別注意保溫養(yǎng)護(hù)，同時采取“內(nèi)散外保”的措施減小砼內(nèi)表溫差，減小開裂風(fēng)險；根據(jù)計(jì)算結(jié)果，承臺后期安全系數(shù)富裕量不大，應(yīng)關(guān)注天氣變化及時采取應(yīng)對措施，避免氣溫驟降引起混凝土內(nèi)表溫差擴(kuò)大，而導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生。

通過計(jì)算，制定了承臺砼施工溫控標(biāo)準(zhǔn)：

①控制砼澆筑溫度；

②盡量降低砼的溫升、延緩最高溫度出現(xiàn)時間；

③控制降溫速率；

④降低混凝土中心和表面之間、新老混凝土之間的溫差以及控制混凝土表面和氣溫之間的差值。

溫度控制的方法和制度需根據(jù)氣溫、混凝土配合比、結(jié)構(gòu)尺寸、約束情況等具體條件確定。根據(jù)本工程的實(shí)際情況，對主塔承臺混凝土制定溫控標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 承臺溫控標(biāo)準(zhǔn)

3 現(xiàn)場溫度控制措施

在混凝土施工中，將從混凝土的原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)以及混凝土的拌和、運(yùn)輸、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護(hù)、保溫等全過程進(jìn)行控制，具體措施如下：

3.1 材料選擇與混凝土的配合比設(shè)計(jì)

應(yīng)綜合考慮混凝土絕熱溫升、收縮、強(qiáng)度、工作性等因素，優(yōu)選絕熱溫升低、收縮低、抗拉強(qiáng)度高、施工性能好的配合比。

（1）水泥：混凝土水化熱主要來自水泥膠凝材料，應(yīng)盡量選擇水化熱低的水泥。根據(jù)現(xiàn)場情況，采用江門海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥；

（2）粉煤灰：選用廣州恒達(dá)Ⅱ級粉煤灰，取代部分水泥，不僅能降低發(fā)熱量，而且可改善混凝土的和易性與可泵性。

（3）外加劑：摻用廣州西卡超緩凝性高性能減水劑HPWR-R，緩凝時間不小于20h，盡量削減溫升峰值。

（4）砂、碎石：改善骨料級配，盡可能選擇較大粒徑骨料。按現(xiàn)場條件，采用的粗骨料最大粒徑31.5mm，細(xì)骨料除控制其它質(zhì)量指標(biāo)外，盡可能選擇細(xì)度模數(shù)在2.5以上的中砂。

承臺設(shè)計(jì)標(biāo)號為C40混凝土，采用“雙摻”技術(shù)以改善混凝土的性能。對于大體積混凝土而言，粉煤灰取代部分水泥，降低了混凝土的水化熱，可以有效的防止溫度裂縫。

配合比為：水泥：砂：碎石：水：減水劑：粉煤灰=1：2.32：3.79：0.514：0.0143：0.43；

每方混凝土用量：水泥：砂：碎石：水：減水劑：粉煤灰=298：692：1129：153：4.26：128。

配合比設(shè)計(jì)目標(biāo)是：采用優(yōu)質(zhì)的原材料，在滿足強(qiáng)度要求和工作性能的前提下，配制出抗?jié)B性能好、體積收縮小、絕熱溫升盡可能低的優(yōu)質(zhì)混凝土。在滿足施工的前提下，盡可能使用坍落度相對較低的混凝土，有利于減少混凝土用水量，減少干縮，提高抗開裂性能。

3.2 混凝土澆筑溫度的控制

控制混凝土的澆筑溫度對控制混凝土裂縫非常重要。相同混凝土，入模溫度高的溫升值要比入模溫度低的大許多。

澆筑溫度主要受原材料溫度、氣溫等影響。在混凝土澆筑之前，通過測量水泥、粉煤灰、砂、石、水的溫度，估算澆筑溫度。另外，選擇合適的時間進(jìn)行混凝土澆筑比較重要。主塔承臺施工時間為八月底和九月中旬，已經(jīng)進(jìn)入炎熱的夏季，，最高氣溫可達(dá)40℃。若不進(jìn)行控制，混凝土澆筑溫度極有可能超過30℃。若澆筑溫度超出控制要求，則應(yīng)采取相措施通過熱工計(jì)算和降低各原材料溫度來降低澆筑溫度，使其不超過30℃。

控制混凝土澆筑溫度的措施如下：

（1）水泥溫度控制低于60℃。避免使用剛出廠的新鮮水泥，提前到水泥廠家訂貨取樣封存，放置充分冷卻后使用，儲罐外采用噴淋降溫；實(shí)測水泥溫度為47℃

（2）控制骨料溫度低于30℃。粗細(xì)骨料堆場搭設(shè)遮陽棚，堆高并從底層取料；粗骨料在施工過程中應(yīng)經(jīng)常對碎石灑水降溫；經(jīng)實(shí)測石子為25℃砂為28℃。

（3）拌和水溫控制低于15℃。根據(jù)室外溫度在水池內(nèi)放人冰塊降低水池內(nèi)水的溫度，經(jīng)實(shí)測水溫為12℃。

（4）使用超緩凝減水劑，盡量推遲水化熱溫峰。

（5）利用溫度較低時段施工。

（6）減少混凝土在運(yùn)輸和澆筑過程中的溫度回升。在施工時加快運(yùn)輸和澆筑速度，在混凝土輸送車外用帆布遮陽并經(jīng)常灑水降溫。

（7）避免模板和新澆筑混凝土受陽光直射，入模前的模板與鋼筋溫度以及附近的局部氣溫不超過40℃，倉面降溫可采取噴霧或?yàn)⑺胧?/p>

3.3 冷卻水管的埋設(shè)及控制

根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征及控制最高溫度的要求，冷卻水管采用直徑為Φ42.4×3.2mm具有一定強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能好的鋼管制作，90°彎頭采用彎管機(jī)冷彎而成，管與管之間緊密連接。

主塔承臺第一澆筑層共布設(shè)2層冷卻水管，第二澆筑層共布設(shè)4層冷卻水管，上下層交錯布置。水管水平管間距為100cm，層間距為85～100cm，與上、下表面、側(cè)面距離為65～100cm；單層12套水管，單根管長不超過200m。

水管使用及其控制：

1）采用深層江水做冷卻水?？刹捎梅炙鲗⒏鲗痈魈姿芗蟹殖觯炙髟O(shè)置相應(yīng)數(shù)量的獨(dú)立水閥以控制各套水管冷卻水流量。

2）冷卻水管使用前進(jìn)行壓水試驗(yàn)，防止管道漏水、阻水。

3）對直管的焊接位置采取一定的保護(hù)措施，施工過程中嚴(yán)禁施工人員踩踏水管。

4）混凝土澆筑到冷卻水管標(biāo)高后開始通水，通水時間根據(jù)測溫結(jié)果確定。

5）升溫時段通水流量應(yīng)使流速達(dá)到0.65m/s以上，流量達(dá)25L/min以上，形成紊流；降溫時段，可通過水閥控制減緩?fù)ㄋ?，使流速減半，水流平緩，以層流狀態(tài)冷卻混凝土。

6）待冷卻水管停止通水冷卻并養(yǎng)護(hù)完成后，先用空壓機(jī)將水管內(nèi)殘余水壓出并吹干冷卻水管，然后用壓漿機(jī)向水管壓注水泥漿，以封閉管路，防止形成銹蝕通道。

3.4 內(nèi)外溫差控制

對于大體積混凝土，由于水化放熱會使溫度持續(xù)升高，在升溫的一段時間內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)內(nèi)部散熱，如加大通水流量、降低通水溫度等。當(dāng)混凝土處于降溫階段則要表面保溫覆蓋以減小降溫速率。除側(cè)壁采用鋼模板、透水模板布保溫保濕外，上表面待混凝土初凝后可采用覆蓋塑料薄膜并加蓋帆布或草袋進(jìn)行保溫?；炷帘爻浞?、時間足夠長，讓混凝土慢慢冷卻，直到溫差達(dá)到允許范圍，溫度應(yīng)力會在混凝土內(nèi)部分松馳，可有效控制有害裂縫的產(chǎn)生。

3.5 施工控制

影響混凝土開裂的因素很復(fù)雜，往往不是單一因素造成的。混凝土施工的各個環(huán)節(jié)對于控制早期裂縫、減小后期開裂傾向、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是至關(guān)重要的。

3.5.1 澆筑和振搗

承臺平面面積較大，為使混凝土澆筑布料均勻，采用多點(diǎn)同時下料。混凝土按規(guī)定厚度、順序和方向澆筑，分層布料厚度不超過30cm。正確進(jìn)行混凝土拌和物的振搗，振動棒垂直插入，快插慢拔，振搗深度超過每層的接觸面一定深度，保證下層在初凝前再進(jìn)行一次振搗。振搗時插點(diǎn)均勻，成行或交錯式前進(jìn)，以免過振或漏振，避免用振搗棒橫拖趕動混凝土拌和物，以免造成離下料口遠(yuǎn)處砂漿過多而開裂。

3.5.2 養(yǎng)護(hù)

本承臺采用“內(nèi)排、外?！钡拇胧┻M(jìn)行控溫養(yǎng)護(hù)?！皟?nèi)排”是采用循環(huán)冷卻水管，盡快散發(fā)出混凝土內(nèi)部熱量，降低混凝土內(nèi)部溫度；“外保”是采取蓄熱保溫措施，承臺分層面待混凝土初凝后采取鋪設(shè)濕麻袋保濕；承臺上表面永久暴露面待混凝土初凝后采用灑水并覆蓋一層塑料薄膜和一層土工布或濕麻袋進(jìn)行保溫保濕。砼表面采取保溫措施，控制混凝土內(nèi)外溫差，混凝土表面與空氣的溫差，避免出現(xiàn)貫穿裂縫和表面裂縫。

養(yǎng)護(hù)時間可根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，保證混凝土內(nèi)表溫差在控制范圍內(nèi)。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

對大體積混凝土進(jìn)行溫度計(jì)算，是從理論上掌握大體積混凝土內(nèi)部溫度發(fā)展變化情況和溫度應(yīng)力的發(fā)展變化情況，實(shí)際施工中將會存在一定的差異，主要原因是計(jì)算所取用的相關(guān)參數(shù)及計(jì)算模型與大體積混凝土實(shí)際施工狀態(tài)不可能完全一致，這就需要對施工過程進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果隨時與理論計(jì)算及其結(jié)果進(jìn)行比較、分析，及時調(diào)整參數(shù)取值、修正計(jì)算模型并采取相應(yīng)的溫控措施，只有這樣才能保證計(jì)算、分析結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性，并依據(jù)計(jì)算、分析結(jié)果完善溫控措施，確保溫度應(yīng)力不超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，避免出現(xiàn)溫度裂縫。

溫度監(jiān)測過程中要求如下：

（1）澆筑塊溫度場測量：澆筑塊混凝土澆筑過程中，每2h測量一次溫度；澆筑塊混凝土澆筑完畢后至水化熱升溫階段，每2h測量一次；水化熱降溫階段第一周，每4h測量一次，一周后每天選取氣溫典型變化時段進(jìn)行測量，每天測量2～4次。

（2）大氣溫度測量：與混凝土溫度同步觀測。

（3）通水冷卻過程溫度測量與澆筑塊溫度場測量過程同步進(jìn)行。

（4）承臺混凝土全部澆筑完畢后，根據(jù)溫度場及應(yīng)力場的預(yù)測計(jì)算結(jié)果，結(jié)合與監(jiān)測結(jié)果的對比分析，確定終止測量時間。

5 現(xiàn)場監(jiān)測的應(yīng)對措施

如果現(xiàn)場監(jiān)測溫度超出溫控標(biāo)準(zhǔn)，可分別采取下列應(yīng)對措施：

1）最高溫度偏高，可采取加大冷卻水通水流量、降低冷卻水溫度的措施，但注意控制冷卻水溫度在比混凝土中心溫度低10～25℃之間。

2）內(nèi)外溫差偏高，可以加大通水流量以加強(qiáng)內(nèi)部降溫，增加保溫層厚度以加強(qiáng)外部保溫，做到外保內(nèi)散。

3）澆筑溫度超過控制范圍，可采取將砂石料灑水、遮陽通風(fēng)降溫，拌合水加冰冷卻，水泥存放散熱等措施以降低出機(jī)溫度，將輸送泵管覆蓋麻袋灑水以降低輸送摩擦熱。

6 結(jié)語

江順大橋主塔承臺施工，在總包部、試驗(yàn)、施工、監(jiān)理各部門的緊密協(xié)作下取得了較好的溫控效果，說明嚴(yán)格執(zhí)行溫度控制措施，使得大體積承臺既未出現(xiàn)貫穿裂紋，又未出現(xiàn)外溫差裂紋，達(dá)到了設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，所制訂的溫控措施是成功的。

通過江順大橋Z3承臺的施工，對超長、超厚大體積混凝土可事先根據(jù)施工方法與工藝進(jìn)行理論計(jì)算，預(yù)測各階段的溫度差和溫度應(yīng)力，以進(jìn)一步指導(dǎo)施工，以便有效地防止溫度裂縫的產(chǎn)生，保證施工質(zhì)量。在具體施工過程中也積累了不少施工經(jīng)驗(yàn)，掌握了大量溫控觀測數(shù)據(jù)對其它類似工程有一定的參考價值和指導(dǎo)意義為今后大體積砼的施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。