黃河橋大體積耐久混凝土溫控技術(shù)探討

陳桂芝

(中鐵大橋局集團(tuán)第一工程有限公司，河南鄭州 450053)

1 工程概況

鄭焦城際鐵路黃河橋?yàn)猷嵵葜两棺鞒请H鐵路客運(yùn)專線跨越黃河鄭州段的橋梁。南起黃河風(fēng)景區(qū)站，北至焦作市武陟縣嘉應(yīng)觀，主橋長2 200 m。主橋上部結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼構(gòu)，下部結(jié)構(gòu)承臺為大體積混凝土，結(jié)構(gòu)尺寸為29.7 m×13.8 m×5 m，混凝土體積達(dá)2 049 m3，標(biāo)號C40。此混凝土結(jié)構(gòu)物體積大，耐久性要求高，對其結(jié)構(gòu)水化熱和收縮導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生、混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的研究是很有必要的。

2 大體積耐久混凝土的耐久性要求和結(jié)構(gòu)溫控措施

2.1 混凝土耐久性要求

1)主橋承臺結(jié)構(gòu)體所處的環(huán)境及施工條件。主橋承臺處于黃河主河道內(nèi)，根據(jù)設(shè)計圖紙，主橋承臺結(jié)構(gòu)體處于碳化環(huán)境T3和凍融破壞環(huán)境D2作用下，同時我們單位生產(chǎn)混凝土?xí)r拌和方式為強(qiáng)制式攪拌機(jī)，運(yùn)輸方式為攪拌車，機(jī)械振實(shí)。

2)配合比設(shè)計技術(shù)條件及其設(shè)計參數(shù)。在配合比設(shè)計時要充分考慮這些因素，混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，配制強(qiáng)度為47.4 MPa，拌和物設(shè)計初始坍落度為(180±20)mm，拌和物初凝時間為不小于20 h，粉煤灰摻量為30%、礦粉摻量為15%，膠凝材料用量不宜大于450 kg/m3進(jìn)行控制。混凝土的耐久性指標(biāo)要求為最大水膠比0.45，混凝土含氣量不小于5.0%，最低含氣量5%，電通量要求小于1 500 C，混凝土最大堿含量3.0 kg/m3，混凝土最大氯離子總含量0.10%，混凝土最大三氧化硫總含量4.0%。

3)混凝土原材料與配合比的優(yōu)選。水泥的水化反應(yīng)是形成溫升的關(guān)鍵，我們選用了質(zhì)量比較穩(wěn)定有利于改善混凝土抗裂性能和C3A含量較低、C2S含量較高的低熱普通低堿硅酸鹽水泥，同時加入了粉煤灰，礦粉等摻合料，以便減少水泥的用量，從而降低混凝土水化熱和收縮。粗集料應(yīng)選用粒徑較大，級配連續(xù)的石子。細(xì)集料應(yīng)選用優(yōu)質(zhì)的中粗砂為宜，過細(xì)時用水量和水泥用量增大。外加劑選用緩凝型的高效聚羧酸型減水劑加引氣劑。

我項(xiàng)目部按照上述要求，做了大量的初步配合比和耐久性試驗(yàn)，確定了C40混凝土的配合比，其膠凝材料420 kg/m3;砂率40%;水膠比0.38;摻合料45%，以雙摻為主;拌和物性能試驗(yàn)結(jié)果如下:拌和物初始坍落度為200 mm、混凝土初凝時間為18:50、混凝土含氣量為5.3%、混凝土實(shí)測容重為2 380 kg/m3;硬化混凝土性能測試結(jié)果如表1所示。

各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足混凝土工作性能、力學(xué)性能、變形性能、耐久性能等各項(xiàng)技術(shù)條件的要求。經(jīng)調(diào)整后混凝土采用的配合比為:水泥231 kg/m3;粉煤灰126 kg/m3;礦粉63 kg/m3;砂708 kg/m3;石 1 063 kg/m3;水 159 kg/m3;外加劑 4.2 kg/m3。

表1 硬化混凝土性能測試結(jié)果表

2.2 進(jìn)行溫控的原因

承臺在澆筑完成后，前期水泥中C3A的水化速率較快、水化作用而產(chǎn)生大量的熱量，而混凝土結(jié)構(gòu)自身導(dǎo)熱性能較差，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫升不一致，形成較大的溫度梯度。鐵路混凝土耐久性設(shè)計規(guī)范要求，混凝土養(yǎng)護(hù)期間，混凝土的芯部與表面溫度、表面溫度與環(huán)境溫度之差不應(yīng)大于20℃，混凝土表面溫度與養(yǎng)護(hù)水溫度之差不得大于15℃，混凝土芯部溫度不宜超過60℃。因此，在進(jìn)行大體積承臺混凝土施工時，需通過熱傳導(dǎo)將大體積混凝土內(nèi)部的水化熱及時疏導(dǎo)，避免混凝土內(nèi)外溫度梯度過大造成混凝土開裂。

2.3 冷卻水管布置分析

疏導(dǎo)混凝土實(shí)體內(nèi)部水化熱的常用方法是在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部增設(shè)循環(huán)水管的管道冷卻裝置，降低水化放熱溫度，使其最高溫度不超過規(guī)范要求。根據(jù)黃河公鐵兩用橋承臺施工時的研究分析可知當(dāng)冷卻水管的水流量達(dá)到某一值時，繼續(xù)增加流量也不會對降溫再產(chǎn)生顯著的效果，因此對冷卻水管的流量進(jìn)行優(yōu)化分析后，確定了最優(yōu)的冷卻水管布設(shè)方式，即本工程承臺施工選用1.5倍流量模型作為施工指導(dǎo)，現(xiàn)場選用φ42 mm鋼管上下左右間距分別為1 m進(jìn)行冷卻管的布設(shè)。

3 大體積混凝土現(xiàn)場施工溫差控制技術(shù)措施

3.1 冷卻水管的布設(shè)

1)本工程承臺冷卻水管為普通焊接鋼管，采用壁厚為2.5 mm、直徑為42 mm的圓鋼管，采用絲口接頭連接。承臺厚5 m，沿承臺豎向水平冷卻水管網(wǎng)布置5層，垂直間距為1 m，頂層管網(wǎng)至承臺頂面距離為0.5 m、底層管網(wǎng)至承臺底距離為0.5 m。同一管網(wǎng)內(nèi)水管間的水平間距為1 m，最外層水管距離混凝土最近邊緣(0.75±0.25)m;管網(wǎng)的進(jìn)出水口需垂直引出混凝土頂面0.5 m以上，出水口要安裝好調(diào)節(jié)流量的控制閥門和測流量裝置。2)在鋼筋綁扎過程中，埋設(shè)冷卻水管網(wǎng)按照分層分區(qū)布置的原則從承臺中間部位流向邊緣區(qū)，同一層冷卻水管的進(jìn)、出口相互錯開。布管時，冷卻管應(yīng)與鋼筋綁扎牢靠，以防水管變形或接頭脫落。安裝時要確保位置準(zhǔn)確、固定牢靠。施工時要保護(hù)好，以免踐踏、碰撞而損壞。冷卻管網(wǎng)編號應(yīng)分區(qū)分層，進(jìn)出水管均應(yīng)編號登記。冷卻系統(tǒng)安裝完成后進(jìn)行試通水，對接頭縫隙進(jìn)行處理，保證密封、通暢。在混凝土灌注前，應(yīng)先通水試驗(yàn)確保水管無滲漏，并將水管內(nèi)灌滿水、密封，以免管內(nèi)因進(jìn)入水泥漿而堵塞。3)整個養(yǎng)生過程中應(yīng)根據(jù)冷卻水管進(jìn)、出口水溫度進(jìn)行監(jiān)控，及時調(diào)整水溫及水流量。

3.2 溫度測點(diǎn)的布置

在混凝土內(nèi)部埋設(shè)電子測溫導(dǎo)線，精確測量混凝土內(nèi)外溫差及水化熱釋放的情況。進(jìn)行測點(diǎn)布置時，由于該立方體結(jié)構(gòu)具有對稱性，因而只需取1/4做測點(diǎn)分析即可。電子測溫元件在承臺中心位置縱向布置5個，在1/4承臺中線位置縱向布置3個，承臺側(cè)角表面位置布置1個，表層測點(diǎn)位于混凝土表面以內(nèi)100 mm處。點(diǎn)位布置合理，監(jiān)測點(diǎn)可以充分反映混凝土內(nèi)部的溫度變化情況。具體布置見圖1。

圖1 承臺測點(diǎn)布設(shè)圖

3.3 耐久混凝土的灌注技術(shù)措施

1)控制混凝土的出機(jī)溫度和入模溫度。混凝土溫度越高，內(nèi)部的溫升就越大。由于是在冬季施工，采取鍋爐加熱水、生火爐加熱骨料的方法，提高混凝土原材料溫度，將混凝土拌合物的出機(jī)溫度控制在10℃～15℃之間，澆筑溫度控制在5℃～15℃之間。

2)耐久混凝土水平分層澆筑。在混凝土施工時，采用按水平分層灌注方式進(jìn)行。施工前要確定天氣情況，選擇無雨天氣施工。由于施工期較長，為防止突然降雨，施工前準(zhǔn)備好覆蓋整個承臺的防雨棚?；炷凉嘧r采用泵送到墩位處，設(shè)1套布料桿覆蓋灌注區(qū)域，保證混凝土布料均勻。澆筑時嚴(yán)格控制分層厚度，每層厚度不超過30 cm，混凝土入模后及時按振搗標(biāo)準(zhǔn)將混凝土振搗密實(shí)，避免出現(xiàn)欠振、過振、漏振等現(xiàn)象，防止混凝土的泌水，保證混凝土的均勻性，提高混凝土抗裂性能。每攤鋪層間隔時間很短，都保證了在前層混凝土初凝前將后一層混凝土澆筑完畢。混凝土澆筑面應(yīng)及時進(jìn)行二次抹壓處理。

3.4 采取保溫蓄熱法養(yǎng)護(hù)的措施

對于大體積混凝土的施工養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要。承臺在冬季施工，氣溫約在0℃ ～13℃。在承臺混凝土澆筑完成后，對承臺表面采用帆布、塑料薄膜或草袋進(jìn)行保溫蓄熱養(yǎng)護(hù)，用冷卻管流出的循環(huán)水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以提升混凝土四周的環(huán)境溫度，減少熱量的散失并能防止水分的流失，保濕養(yǎng)護(hù)持續(xù)時間要大于28 d，并且當(dāng)混凝土的表層溫度與環(huán)境最大溫差小于20℃時，可全部拆除。

4 溫控監(jiān)測結(jié)果

1)混凝土灌注完后15 h起開始記錄溫度，記錄溫度要先密后疏，前4 d每隔2 h測1次，混凝土澆筑后第5天～第14天4 h測溫1次。實(shí)測溫度如表2所示，通過對承臺測溫值進(jìn)行取平均值分析形成如圖2，圖3所示。從圖2，圖3可以看出，承臺澆筑完成后中芯部A3點(diǎn)最大溫度47℃，未超過規(guī)定值，承臺芯部和表面最大溫差小于19.5℃，承臺芯部最高溫度出現(xiàn)在混凝土澆筑完畢后第4天。通過14 d的觀察，承臺表面未發(fā)現(xiàn)裂縫或裂紋。2)混凝土耐久性指標(biāo)檢測。通過對混凝土澆筑時留置的混凝土試件56 d耐久性指標(biāo)檢測，其抗壓強(qiáng)度、抗凍性和抗?jié)B性能均達(dá)到設(shè)計的耐久性指標(biāo)要求。

表2 實(shí)測溫度表

圖2 承臺內(nèi)部溫度變化趨勢圖

圖3 承臺芯部和外部溫差圖

5 結(jié)語

在進(jìn)行大體積混凝土澆筑前首先進(jìn)行理論分析，優(yōu)化混凝土的配合比，降低單方水泥用量，再通過冷卻水管的布設(shè)，從而控制了混凝土的芯部溫度;同時注重混凝土澆筑時施工組織和養(yǎng)護(hù)保溫措施，控制混凝土結(jié)構(gòu)體的表面溫度。從上面實(shí)例可以看出，只要在施工前做好施工組織，做好溫度監(jiān)測及加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等有效技術(shù)措施，就能防止承臺大體積混凝土溫差裂縫的發(fā)生。

［1］鐵建設(shè)［2010］241號，鐵路混凝土工程施工技術(shù)指南［S］.

［2］TB 10005-2010，鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制［M］.北京:中國電力出版社，1999.

［4］劉小燕，嚴(yán) 露，何先明.橋梁大體積混凝土施工溫度場與溫度應(yīng)力的仿真分析［J］.湖南理工學(xué)院學(xué)報，2006(5):21.

［5］張靈坤，杜云晶.談現(xiàn)澆大體積混凝土的溫度開裂控制［J］.山西建筑，2013，39(4):71-72.