大橋主墩承臺基礎(chǔ)大體積混凝土施工溫度控制

摘要：大橋主墩承臺大體積混凝土施工中有害裂縫產(chǎn)生的主要原因是混凝土溫度升高過快，而混凝土本身的強(qiáng)度升高慢導(dǎo)致承受能力不夠，采取內(nèi)外溫差預(yù)控措施可以有效防止此類問題的發(fā)生。本文闡述了大橋主墩承臺基礎(chǔ)混凝土施工的溫控措施，對混凝土溫度及控制裂縫進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合實(shí)例說明了溫度監(jiān)測與控制的方法。

關(guān)鍵詞：主墩承臺；大體積混凝土；溫控；水化熱；裂縫

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷增長，大體積的混凝土施工工程越來越多，相應(yīng)的施工技術(shù)也在完善和發(fā)展。但是在一些工程中，因?yàn)闆]有很好地做好溫度控制措施，導(dǎo)致大體積的混凝土出現(xiàn)了裂縫，嚴(yán)重影響了施工質(zhì)量和安全。因此全面把握和落實(shí)溫控措施成為了施工人員需要解決的問題。下面就這方面進(jìn)行討論分析。

1 工程概況

某公路橋梁工程通航孔主塔共含有6 個(gè)主墩承臺，承臺高6.5 m，為六角形結(jié)構(gòu)，圓弧包角，平面尺寸為寬18 m、長30 m，混凝土方量

2736 m³，混凝土強(qiáng)度C40。因此，該大橋通航孔主墩承臺混凝土屬于大體積混凝土。下面以橋梁主墩承臺大體積混凝土溫控實(shí)踐為例，對采取溫控措施預(yù)防、控制此類大體積混凝土裂縫產(chǎn)生進(jìn)行分析。

2 溫控措施

2.1 澆筑分層的確定

為降低混凝土內(nèi)部溫升值，應(yīng)該盡量多分層澆筑，又必須考慮分層對施工便利性及進(jìn)度的影響，和對結(jié)構(gòu)受力的不利影響。綜合以上因素，將承臺厚度分為2層，分層厚度為：3m+3.5m，第1次澆筑方量約為1285m³，第2次澆筑方量為1490m³。

2.2 混凝土原材料和拌合溫度控制

為減少單位水泥用量，降低水化熱，延長混凝土初凝時(shí)間，承臺混凝土原材料必須作好原材挑選和原材的預(yù)控技術(shù)措施。水泥擬選用P.S42.5的礦渣硅酸鹽水泥，以降低初期水化熱。拌合時(shí)水泥溫度不得過高，以免影響混凝土拌和物的攪拌溫度。采用外加劑以減少水泥用量，從而為降低承臺混凝土的溫升開創(chuàng)條件。外摻劑的加入主要以考慮增強(qiáng)內(nèi)部密實(shí)度、控制水泥水化熱、降低溫度和溫差為主。在承臺混凝土的級配中要盡量減少水泥用量，除了選擇骨料和緩凝減水劑等能減少水泥用量之外，在保證混凝土抗壓強(qiáng)度和坍落度的同時(shí)，還可以摻加適量的粉煤灰和礦粉來降低水泥用量和水化熱?；炷涟柚朴盟捎玫叵滤?，選擇的拌合站地下水溫度控制在20°以下；當(dāng)氣溫較高時(shí)，混凝土拌合前對水加入冰塊以降溫。

2.3 承臺混凝土配合比

承臺混凝土配合比設(shè)計(jì)原則如下：1）在保證混凝土強(qiáng)度和坍落度的前提下，降低水泥用量，采用早期水化熱低的礦渣水泥和優(yōu)質(zhì)摻合料，減小水灰比；加大骨料粒徑，增加碎石用量，采用低含泥量的砂、碎石材料（控制含泥量1%以內(nèi)），改善骨料級配；合理使用外加劑。2）承臺混凝土配合比中根據(jù)施工要求及控制溫度峰值等要求摻加外加劑。外加劑的摻量應(yīng)嚴(yán)格控制計(jì)量，少摻和過量均對工程混凝土不利。3）控制坍落度?，F(xiàn)場承臺混凝土澆筑施工采用泵送方式，要求坍落度為16～18cm。4）混凝土應(yīng)是低收縮率的，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試件收縮率一般以2×10-4～4×10-4作為控制目標(biāo)。經(jīng)過綜合比選：承臺混凝土初步配合比為礦渣水泥（P.S42.5）：砂：碎石：水：粉煤灰：外加劑（LCX-9）=315：668：1137：160：120：4.35。

2.4 冷卻水管

為控制混凝土在澆筑、養(yǎng)護(hù)過程中水化熱，采取在混凝土體內(nèi)布置冷卻水管。通過混凝土水泥水化熱的發(fā)生量和布置冷卻水管的散熱量進(jìn)行冷卻水管布置和安裝的計(jì)算。冷卻水管采用熱傳導(dǎo)性能好，并具備一定強(qiáng)度的黑鐵管，規(guī)格D50×2.5mm。

冷卻水管布置：高度方向間距不大于1.0m，承臺底面一層水管距承臺底0.75m，頂面1.0m；平面方向間距1.5m，距承臺側(cè)邊線0.75m。冷卻水管連接采用螺紋對接。

3 混凝土溫度及控制裂縫計(jì)算

3.1 混凝土內(nèi)部的最高溫度計(jì)算

混凝土內(nèi)部的最高溫度按式（1）計(jì)算：

Tmax=T0+T（t）×ξ（1）

T（t）=McQ（1-e^-mt）/（Cρ）（2）

式中：Tmax為混凝土內(nèi)部最高溫度；T0為混凝土澆筑時(shí)溫度，取30℃；T（t）為混凝土理想絕熱狀態(tài)下不同齡期的溫升值；ξ為與混凝土澆筑厚度、齡期和絕熱溫升有關(guān)的系數(shù)，查表得3d為0.68；Mc為每立方米混凝土水泥用量；Q為每千克水泥水化熱量，查表得P.S425水泥為335J/kg；C為混凝土的比熱，一般取0.96kJ/kg×k；ρ為混凝土的密度，取2400kg/m³；t為混凝土的齡期，取3d；m為混凝土的比表面積、澆筑溫度系數(shù)。根據(jù)本工程承臺施工在夏季的情況，混凝土澆筑溫度取較高值30℃，查表得3d的1-e^-mt=0.704。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料，大體積混凝土內(nèi)部溫升值在澆筑后3d最高，即：T（3）=McQ（1-e^-mt）/（Cρ）=315×335×0.704/（0.96×2400）=32.2℃。則計(jì)算的混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax=T0+T（t）×ξ=30+32.2×0.68=51.9℃，小于規(guī)范規(guī)定的最高不得超過75℃，符合要求。

3.2 混凝土的溫度裂縫控制計(jì)算

3.2.1 自約束裂縫控制計(jì)算（表面裂縫）

混凝土澆筑初期，內(nèi)部的溫度在升高，但混凝土表面的溫度可能因?yàn)橥饨鐪囟冉档投眲〗档?，引起混凝土表面收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力而出現(xiàn)表面裂縫。由溫差產(chǎn)生的表面最大拉應(yīng)力由式（3）計(jì)算：

σmax=（2/3）×E（t）α△T1/（1-υ）（3）

式中：σmax為混凝土最大拉應(yīng)力；E（t）為混凝土不同齡期的彈性模量，E（t）=Ec（1-e^-0.09t），Ec為最終彈模，查表得3.25×10⁴MPa；α為混凝土熱膨脹系數(shù)，查表取1×10^-5；△T1為混凝土中心與表面的溫差，取51.9-30=21.9℃（采取蓄30℃溫水養(yǎng)護(hù)）；υ為混凝土的泊松比，取0.175。

根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，大體積混凝土內(nèi)部溫升值在澆筑后3d最高，其內(nèi)外溫差最大，則最大拉應(yīng)力：

σmax=（2/3）×E（t）α△T1/（1-υ）=（2/3）×3.25×104×（1-e^-0.09×3）×1×10^-5×21.9/（1-0.175）=1.36MPa。

承臺混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級為C40，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度參考值按經(jīng)驗(yàn)取值，見表1。

表1" 承臺混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度參考值MPa

查表得C40混凝土3d的劈裂抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值為1.4MPa，大于最大溫度應(yīng)力1.36MPa，混凝土表面不會出現(xiàn)溫度裂縫，但安全系數(shù)很小。

上述混凝土的最大內(nèi)部溫度計(jì)算是在沒有冷卻水循環(huán)的情況下得出，實(shí)際施工時(shí)采取冷卻水循環(huán)，特別在混凝土澆筑后的2～3d必須加強(qiáng)冷卻水循環(huán)和蓄水保溫，降低混凝土內(nèi)外溫差，確?；炷敛怀霈F(xiàn)表面裂縫。

3.2.2 外約束內(nèi)部裂縫控制計(jì)算（貫穿裂縫）

混凝土澆筑初期，其溫度升高較快，一般在澆筑后3d最高，混凝土體積膨脹，其后為降溫過程，混凝土體積收縮，但因基礎(chǔ)的約束，在新澆筑混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度時(shí)，引起混凝土開裂，甚至產(chǎn)生貫穿裂縫。混凝土溫度收縮應(yīng)力可按式4計(jì)算：

σmax=E（t）α△TS（t）R/（1-υ）（4）

式中：σmax為混凝土最大拉應(yīng)力；E（t）為混凝土不同齡期的彈性模量，E（t）=Ec（1-e^-0.09t），Ec為最終彈模，查表得3.25×10⁴MPa；α為混凝土熱膨脹系數(shù)，查表取1×10^-5；△T為混凝土中心與表面的綜合溫差；υ混凝土的泊松比，取0.175；S（t）為考慮徐變影響的松弛系數(shù)，按3d齡期查表取0.186，按7d查表得0.21；R為考慮混凝土的外約束系數(shù)，按混凝土地基取1.0。

（1）3d的最大外約束拉應(yīng)力

σmax=E（t）α△TS（t）R/（1-υ）=3.25×10⁴×（1-e^-0.09×3）×1×10^-5×36.9×0.186×1/（1-0.175）=0.64MPa

混凝土3d的溫升值最大，按照外界最低溫度15℃計(jì)算，有溫差51.9-15=36.9℃。查表得C40混凝土3d的劈裂抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值為1.4MPa，大于最大溫度收縮應(yīng)力0.64MPa，安全系數(shù)為2.19，混凝土不會出現(xiàn)溫度裂縫。

（2）7d的最大外約束拉應(yīng)力

σmax=E（t）α△TS（t）R/（1-υ）=3.25×10⁴×（1-e^-0.09×7）×1×10^-5×36.9×0.21×1/（1-0.175）=1.43MPa

混凝土7d的溫升值已經(jīng)較低，按照施工時(shí)期外界最低溫度15℃計(jì)算，為偏于安全計(jì)取3d時(shí)的溫差51.9-15=36.9℃。

查表得C40混凝土7d的劈裂抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值為2.4MPa，大于最大溫度收縮應(yīng)力1.43MPa，安全系數(shù)為1.68，混凝土不會出現(xiàn)溫度裂縫。

（3）27d的最大外約束拉應(yīng)力

σmax=E（t）α△TS（t）R/（1-υ）=3.25×10⁴×（1-e^-0.09×27）×1×10^-5×15×0.57×1/（1-0.175）=3.07MPa

混凝土內(nèi)部溫度在3d后已經(jīng)處于溫度下降過程，其27d后的混凝土內(nèi)部溫度基本與外部相同，其綜合溫差已經(jīng)很少，主要受外部氣溫的突降或突升影響，按外部溫差突變15℃考慮。查表得C40混凝土27d的劈裂抗拉強(qiáng)度經(jīng)驗(yàn)值為3.5MPa，＞27d最大溫度收縮應(yīng)力3.07MPa，安全系數(shù)為1.14，混凝土不會出現(xiàn)溫度裂縫。

4 溫度監(jiān)測與控制

4.1 混凝土測溫及溫差控制

在承臺澆筑和養(yǎng)護(hù)期間，必須對混凝土體內(nèi)的水化熱發(fā)生的情況進(jìn)行詳細(xì)地了解，并計(jì)算分析混凝土收縮應(yīng)力是否大于混凝土抗拉應(yīng)力造成裂縫，經(jīng)過前面第2.2節(jié)計(jì)算，在一定的溫控條件下，混凝土溫升值和溫度應(yīng)力不會造成混凝土裂縫?，F(xiàn)場可以根據(jù)混凝土的溫度變化情況及時(shí)調(diào)整冷卻水管水流量及養(yǎng)護(hù)條件，使混凝土內(nèi)表溫差≤20℃，平均降溫速率≤2℃/24h。

通過混凝土內(nèi)部測溫對冷卻管循環(huán)水進(jìn)行控制，通水過程中要對水管流量、進(jìn)出口水溫度、測溫傳感器溫度每隔1～2h進(jìn)行一次測量，以測溫結(jié)果作為冷卻水管施工效果的判別，若不滿足設(shè)計(jì)要求，則調(diào)整進(jìn)水口的流量和水溫，以滿足降溫要求。

4.2 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)橋規(guī)規(guī)定，并結(jié)合現(xiàn)場情況及以往經(jīng)驗(yàn)，提出以下溫控標(biāo)準(zhǔn)：混凝土的澆筑溫度應(yīng)小于T+4℃（T為澆筑期旬平均氣溫）；混凝土的上下層溫差應(yīng)lt;20℃；混凝土的內(nèi)部最高溫度應(yīng)lt;75℃，內(nèi)表溫差應(yīng)lt;25℃。

4.3 混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑和養(yǎng)護(hù)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：1）澆筑承臺大體積混凝土?xí)r，宜選擇在氣溫較低的情況下進(jìn)行，以便降低入模溫度；且在夜間開始進(jìn)行施工較為合適。2）嚴(yán)格控制各測溫點(diǎn)與混凝土體表溫差在25℃以下，大氣溫度發(fā)生陡降時(shí)，混凝土表面應(yīng)采取保溫措施。3）加強(qiáng)振搗，以獲得密實(shí)的混凝土，來提高密實(shí)度和抗拉強(qiáng)度；澆筑后，及時(shí)排除表面積水，進(jìn)行二次抹面，防止早期收縮裂縫的出現(xiàn)。4）混凝土表面采用蓄水養(yǎng)護(hù)，以減小內(nèi)表溫差。5）為了達(dá)到保溫、養(yǎng)護(hù)目的，混凝土表面首先應(yīng)采取灑水（或蓄水）養(yǎng)護(hù)，待混凝土終凝后，采取承臺內(nèi)蓄淡水進(jìn)行保溫，防止混凝土出現(xiàn)裂縫。

5 結(jié)語

綜上所述，在大體積混凝土施工中內(nèi)外溫差的控制和把握是減少裂縫事故發(fā)生的重要因素，也是大體積混凝土施工質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

通過采取對冷卻水加冰塊的方式進(jìn)一步降低水化熱溫度。大橋承臺在澆筑完成后，對混凝土面進(jìn)行巡視，未發(fā)現(xiàn)有裂縫發(fā)生，達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]倪平安.大體積混凝土施工過程中質(zhì)量控制[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（10）：31-35.

[2]魏偉.淺談橋梁承臺大體積混凝土溫控技術(shù)[J].江西建材，2014（6）：135-136.