廈漳同城大道沙洲島西溪主橋斜拉橋主墩承臺(tái)溫度控制措施

（中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，福州 350000）

廈漳同城大道沙洲島西溪主橋斜拉橋主墩承臺(tái)溫度控制措施

■王曉東

（中國華西工程設(shè)計(jì)建設(shè)有限公司，福州 350000）

大體積混凝土由于澆筑方量大、澆筑時(shí)間長,施工難度大,對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性有較大影響。現(xiàn)代混凝土工程施工中,最大的通病是成品混凝土出現(xiàn)裂縫,從而導(dǎo)致混凝土的抗?jié)B等耐久性指標(biāo)下降,影響整體建筑物的使用壽命。本文就如何做好大體積混凝土溫控措施,有效防止裂縫的大面積生成予以介紹。

大體積混凝土 裂縫 溫控措施

1 前言

大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫可分為微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫主要有三種，混凝土由骨料和水泥石結(jié)合而成，裂縫主要有骨料裂縫、水泥石裂縫和骨料水泥石之間的裂縫。上述三種裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中引起的裂縫有表面裂縫和貫穿裂縫兩種。表面裂縫和貫穿裂縫屬于有害裂縫。

2 大體積混凝土結(jié)構(gòu)物裂縫成因

當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形時(shí)，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間，都會(huì)受到約束。約束主要分為內(nèi)約束和外約束。建筑工程中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)所承受的變形，主要是由溫差和收縮產(chǎn)生，其約束既有外約束又有內(nèi)約束。大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)截面大，體積大，水泥用量多，水泥水化所釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮膨脹作用，由此引起的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫的起因是溫度變化引起的變形，當(dāng)變形得不到滿足時(shí)才會(huì)引起應(yīng)力，而且應(yīng)力與結(jié)構(gòu)的剛度大小有關(guān)，只有當(dāng)應(yīng)力超過一定數(shù)值才引起裂縫。

(1)溫度變化引起的裂縫

由于施工方量巨大且施工時(shí)間較長，水泥水化熱引起混凝土澆筑內(nèi)部溫度和溫度應(yīng)力變化。實(shí)際混凝土內(nèi)部的最高溫度多數(shù)發(fā)生在混凝土澆筑的最初幾天，隨著混凝土齡期的增長，溫度逐漸下降，而彈性模量增高，因此混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也就愈來愈大，以致產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗這種應(yīng)力時(shí)，開始出現(xiàn)溫度裂縫。

(2)變形受到約束引起的裂縫

新混凝土澆筑在基巖地基或者舊的混凝土上，而在新澆混凝土內(nèi)部形成溫度應(yīng)力，在升溫階段，約束阻止新澆混凝土的溫度膨脹變形，在混凝土內(nèi)形成壓應(yīng)力。而在降溫階段，新澆混凝土收縮 (降溫收縮與干縮)因存在較強(qiáng)大的地基或基礎(chǔ)的約束而不能自由收縮，在新澆混凝土內(nèi)形成拉應(yīng)力。

(3)內(nèi)部應(yīng)力引起的裂縫

混凝土早期抗拉強(qiáng)度是很低的。如果早期受到內(nèi)應(yīng)力影響且超過了新混凝土本身的強(qiáng)度也會(huì)因內(nèi)應(yīng)力破壞而產(chǎn)生裂縫因此必須控制澆筑混凝土內(nèi)部的最高溫度。

(4)外界氣溫變化引起的裂縫

由于施工時(shí)間較長，外界晝夜溫差較大。混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)散熱降溫等各種溫度的疊加之和，外部氣溫驟降時(shí)，會(huì)增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度。溫度應(yīng)力是由溫差引起的變形造成的，溫差愈大，溫度應(yīng)力也愈大。在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內(nèi)部的最高溫度可達(dá)70oC，并且需要3~5天左右才能降低下來。這時(shí)研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的過大溫度應(yīng)力顯得更為重要。

(5)混凝土收縮變形引起的裂縫

施工中混凝土收縮變形引起的溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)生裂縫。

3 大體積混凝土澆筑溫度控制實(shí)例分析

3.1 廈漳同城大道西溪主橋承臺(tái)概況

廈漳同城大道2#墩承臺(tái)長30.5m、寬24.0m、厚6.0m，分兩次澆筑 (2.5m+3.5m)。承臺(tái)單次澆筑C35混凝土最大方量2240m3，澆筑方量大，內(nèi)部溫度及內(nèi)表溫差較難控制。塔座膠材總量458kg/m3，其中水泥320kg/m3，絕熱溫升50℃，混凝土溫升較難控制。夏季2#承臺(tái)、塔座工期為5月～7月，氣溫高，入模溫度較難控制。設(shè)計(jì)提供的溫控標(biāo)準(zhǔn)見表1。2#墩承臺(tái)溫度梯度模型見圖1。

表1 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

圖1 2#墩承臺(tái)溫度梯度模型

3.2 大體積混凝土溫度控制措施

西溪主橋斜拉橋主墩承臺(tái)大體積混凝土溫度控制措施從三方面著手：

(1)降低熱源，縮小溫差?？刂苹炷翝仓肽囟取?0℃且≤28℃。若澆筑溫度過高可采取一定措施降低原材料溫度及運(yùn)輸過程中的溫升。選用低熱或中熱水泥，搭蓋骨料涼棚，加高成品料堆，從廊道取料，降低原材料溫度；水冷或風(fēng)冷骨料；加冰或加冷水拌和；縮短運(yùn)輸時(shí)間并加遮陽措施，倉面噴霧，用以防范外界高氣溫影響等。

(2)延長混凝土的凝結(jié)時(shí)間。推遲并降低溫峰，避免冷縫產(chǎn)生。承臺(tái)混凝土實(shí)驗(yàn)室緩凝時(shí)間可延長至30～35h，塔座混凝土實(shí)驗(yàn)室緩凝時(shí)間可延長至25～30h。進(jìn)行表面防護(hù)，延期脫模，或脫模后覆蓋防護(hù)材料，以防因氣溫驟降造成冷擊，并防止?jié)穸润E降。

(3)強(qiáng)迫冷卻，當(dāng)上述各項(xiàng)措施尚不能滿足溫度控制或接縫灌漿要求時(shí)，可在內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管。

3.3 溫控措施具體布置情況

(1)冷卻水管布置

2#墩承臺(tái)第一澆筑層混凝土共布設(shè)2層冷卻水管，水管水平管間距為80cm，垂直管間距為70cm，距離混凝土表面/側(cè)面為80~125cm。單層4套水管，每套管長不超過200m，上下層交錯(cuò)布置，見圖2、圖3。混凝土冷卻通水要求見表2。

圖2 冷卻水管立面布置示意圖 (單位：cm)

圖3 冷卻水管平面布置示意圖

表2 混凝土通水要求

(2)測溫元件埋設(shè)情況

承臺(tái)混凝土內(nèi)布設(shè)一層測點(diǎn)，測點(diǎn)高度為1.35m，測溫元件埋設(shè)平面布置及測點(diǎn)編號(hào)見圖4。

圖4 測溫元件埋設(shè)位置平面圖 (單位：cm)

3.4 溫度監(jiān)測結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

廈漳同城大道2#墩承臺(tái)于2015年5月14日20∶00開始澆筑，5月15日13∶00澆筑完成，歷時(shí)約17h，澆筑方量約為1680m3。澆筑過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測氣溫、混凝土入模溫度、混凝土內(nèi)部溫度、進(jìn)出水溫度，跟蹤內(nèi)部最高溫度、表面溫度與氣溫差及內(nèi)表溫差。

承臺(tái)混凝土溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總見表3?；炷寥肽囟葹?6.4～30.4℃，絕大多數(shù)符合≤28℃的控制標(biāo)準(zhǔn)；內(nèi)部最高溫度為68.8℃，符合≤70℃的控制標(biāo)準(zhǔn)；混凝土最大內(nèi)表溫差25.7℃，略超出≤25℃的控制標(biāo)準(zhǔn)。

表3 溫控監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總

2#承臺(tái)混凝土溫度變化情況如圖5、圖6所示。

圖5 測點(diǎn)區(qū)域溫度歷時(shí)曲線圖

圖6 溫度特征值歷時(shí)曲線圖

由圖5可看出，混凝土覆蓋測點(diǎn)后13h內(nèi)溫度發(fā)展平緩；13h后，由于水化反應(yīng)放熱速率大于散熱速率，混凝土升溫較快；28h后升溫速度降低，52h左右到達(dá)溫峰68.8℃，符合≤70℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)；溫峰過后初期降溫速率為2.1～8.0℃/d，不符合初期溫控標(biāo)準(zhǔn)≤2.5℃的要求；到了后期，內(nèi)部降溫速率約為0～1.3℃/d，，符合溫控標(biāo)準(zhǔn)≤2.0℃/d的要求；在160h時(shí)，因?yàn)槎滤斐刹糠植课粶囟然厣?；?02h停水后，內(nèi)部溫度略有回升。

由圖6可看出，混凝土表面溫度早期受水化放熱影響呈上升趨勢，后期受水化熱與氣溫的雙重影響而發(fā)生波動(dòng)；混凝土表面因散熱面較大，降溫先于混凝土內(nèi)部，最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)在表面降溫而內(nèi)部依然升溫的61h為25.7℃，略超出溫控標(biāo)準(zhǔn)≤25℃的要求。

截至5月29日2∶00溫度監(jiān)測結(jié)束，混凝土內(nèi)部最高溫度為45.0℃，內(nèi)表溫差為16.6℃，均符合溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 冷卻水管通水情況

混凝土覆蓋冷卻水管后即開始通水，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)良好，未出現(xiàn)漏水情況。由于冷卻水采用江水，在低潮位時(shí)容易抽到沙子，堵住水泵，造成冷卻水管部分時(shí)段停水。進(jìn)水溫度為 25.4～28℃，出水溫度為26.4～36.8℃，進(jìn)出水溫差為0.4～9.9℃，符合≤10℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

2015年5月27日17∶00停水，停水時(shí)內(nèi)部最高溫度為44.6℃、最大內(nèi)表溫差為18.4℃，略超出內(nèi)部最高溫度≤40℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)，符合最大內(nèi)表溫差≤20℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

3.6 混凝土養(yǎng)護(hù)情況

承臺(tái)第一次澆筑層混凝土于2015年5月15日13∶00澆筑完成。混凝土上表面進(jìn)行澆冷卻出水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至第二層混凝土澆筑。

由于2#墩承臺(tái)地處江面大風(fēng)環(huán)境，表面水分極容易蒸發(fā)散失。因此混凝土澆筑完成表面硬化并鑿毛后，于承臺(tái)上表面灑冷卻水進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，確?；炷羶?nèi)表溫差在控制范圍內(nèi),避免表面塑性開裂。

4 存在的問題與建議

4.1 存在的問題

(1)冷卻水管未綁扎固定，管與管之間的套管太短，接頭不牢固。在混凝土澆筑過程中，經(jīng)過混凝土的下落沖擊，冷卻水管接頭處極易受到破壞，若混凝土漿體進(jìn)入冷卻水管中則容易造成堵管現(xiàn)象。

(2)2#承臺(tái)、塔座工期為暑期，氣溫高，入模溫度較難控制。且單次澆筑方量大，內(nèi)部溫度及內(nèi)表溫差較難控制。

(3)蓄水養(yǎng)護(hù)時(shí)間過短，灑水養(yǎng)護(hù)未進(jìn)行覆蓋。夏季氣溫較高、日照強(qiáng)烈，水分極易蒸發(fā)，灑水養(yǎng)護(hù)而未進(jìn)行覆蓋極易造成混凝土表面干濕循環(huán)，產(chǎn)生塑性裂紋。

(4)表層混凝土緩凝時(shí)間過短。表層混凝土水化較快，溫度發(fā)展較快，在受到外界環(huán)境較低溫度刺激時(shí)容易因內(nèi)表溫差過大造成表面塑性開裂。

(5)冷卻水進(jìn)水分水器水泵損壞，接頭個(gè)別不牢靠中間有停止供水更換水泵等,造成隱患。

最后，進(jìn)一步通過透射電子顯微鏡觀察細(xì)胞形態(tài)的變化，結(jié)果如圖3C所示：LFS-01處理后JeKo-1細(xì)胞出現(xiàn)了明顯的細(xì)胞核濃縮現(xiàn)象，這一現(xiàn)象是細(xì)胞發(fā)生凋亡的特征之一[21]。

4.2 建議

(1)建議若使用兩通連接則必須用生膠帶將接口密封完全，且冷卻水管必須使用扎絲綁扎固定在承臺(tái)鋼筋上，以減小混凝土下落對(duì)冷卻水管的沖擊。

(2)建議采用兩個(gè)連通的蓄水箱，一個(gè)作為供應(yīng)冷卻進(jìn)水用，另一個(gè)作為回收冷卻出水用，回收蓄水箱略高于供應(yīng)蓄水箱。水箱水自然冷卻一定時(shí)間并蓄滿時(shí)，自然流到供應(yīng)蓄水箱里進(jìn)行補(bǔ)水。通水冷卻過程中每小時(shí)測量一次冷卻水的進(jìn)水溫度，確保進(jìn)水口水溫≤30℃。如果進(jìn)水水溫過高，建議通過更換新鮮淡水或加冰塊對(duì)冷卻水進(jìn)行降溫，以求達(dá)到混凝土內(nèi)部降溫的效果。

(3)第一層混凝土上表面為分層面，待混凝土初凝鑿毛后可采取鋪設(shè)麻袋或土工布并灑水保濕，也可采用蓄水養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)用水使用冷卻水管出水，保證淡水及有一定的溫度，蓄水深度大于30cm。

(4)建議表層混凝土現(xiàn)場初凝時(shí)間至少≥20h。通過2#墩承臺(tái)檢驗(yàn)，采取措施后的觀察沒有發(fā)現(xiàn)肉眼可見裂縫產(chǎn)生。但一些細(xì)微裂縫通過裂縫觀察儀器可以檢驗(yàn)到。

5 結(jié)束語

由于在施工過程中對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了有效實(shí)施和嚴(yán)密的組織，可以達(dá)到控制大體積混凝土裂縫現(xiàn)象。

(1)經(jīng)驗(yàn)表明，為有效控制大體積混凝土的裂縫應(yīng)預(yù)先采用科學(xué)合理的施工方案。

(2)原材料中必須使用水化熱較低、凝結(jié)時(shí)間長的水泥，水泥用量盡量減少，水灰比小，大摻量使用粉煤灰和礦粉，用保水性強(qiáng)的聚羧酸外加劑，大體積混凝土早期開裂的風(fēng)險(xiǎn)可有效控制。

(3)大體積混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，選取適宜的砂率、水泥用量及摻和料用量等。

(4)必須對(duì)大體積混凝土澆注完畢后內(nèi)部的冷水循環(huán)溫控措施。并仔細(xì)觀察內(nèi)部溫度控制情況。必要時(shí)增加外置儲(chǔ)冰水裝置降低內(nèi)部溫度?？捎行Ы档陀蓽囟纫鸬牧芽p。

［1］夏錦紅.河南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2008年7月.

［2］劉偉.大體積混凝土裂縫的原材料控制淺析.中小企業(yè)管理與科技，2011(3).

［3］焦云攀.廈漳大橋混凝土指導(dǎo)書.2010-01-01.