橋梁大體積混凝土水化熱控制技術(shù)研究

趙 娜 王凱挺 張立明

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

橋梁大體積混凝土水化熱控制技術(shù)研究

趙 娜 王凱挺 張立明

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

分析總結(jié)了大體積混凝土的概念及其結(jié)構(gòu)特點,列舉出大體積混凝土一般的溫度計算方法,并概括了大體積混凝土水化熱的施工控制技術(shù)，經(jīng)過對大體積水化熱的控制技術(shù)研究可為大體積混凝土的施工提供技術(shù)參考。

橋梁工程，大體積混凝土，水化熱，控制技術(shù)

0 引言

現(xiàn)如今大體積混凝土水化熱控制是否得當(dāng)幾乎成為衡量整個橋梁質(zhì)量的重要因素之一。大體積混凝土是橋梁的重要支撐結(jié)構(gòu),承擔(dān)起整個橋梁的重量。如果對其水化熱控制不力,則會引起混凝土不同程度的裂縫,影響工程質(zhì)量。大體積混凝土的溫度裂縫是源于大體積混凝土中的水泥在早期硬化階段發(fā)生水化反應(yīng)，在這過程中散發(fā)出大量的熱量，由于混凝土的絕緣性能，因而會在混凝土內(nèi)外表面產(chǎn)生溫差，引起溫度變形產(chǎn)生混凝土裂縫。所以為了確保橋梁整體質(zhì)量，需要我們對大體積混凝土的施工控制進行研究，尤其控制大體積混凝土的水化熱，避免產(chǎn)生較大的溫度裂縫。在橋梁施工中嚴(yán)格按照我國最新JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范中的要求，控制水化熱引起的溫度不超過25 ℃。

1 大體積混凝土的概念及特點

1.1 大體積混凝土的概念

1)JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范認(rèn)為如果混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑時，結(jié)構(gòu)的最小截面尺寸在1 m～3 m以內(nèi),并需要采取措施控制水化熱引起的溫差在25 ℃以內(nèi)的混凝土,稱其為大體積混凝土。

2)JGJ 55—2000普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程關(guān)于大體積混凝土概念:混凝土結(jié)構(gòu)的最小截面尺寸不小于1 m或者由于混凝土產(chǎn)生熱量致使混凝土內(nèi)外表面溫差超過25 ℃而產(chǎn)生裂縫的混凝土稱之為大體積混凝土。

3)中國冶金建筑研究院總院的王鐵夢教授經(jīng)過多年的研究,是這樣定義大體積混凝土的:在土木工程中的一些混凝土結(jié)構(gòu),受到溫度應(yīng)力的作用后結(jié)構(gòu)自身不能抵抗收縮拉應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)。

4)日本建筑學(xué)會經(jīng)過多年的研究總結(jié)出,當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)在澆筑時,受到混凝土中水泥水化熱的影響,內(nèi)外溫度差大于25 ℃,并且結(jié)構(gòu)的最小斷面尺寸大于0.8 m的混凝土稱之為大體積混凝土。

5)美國混凝土學(xué)會認(rèn)為如果混凝土結(jié)構(gòu)截面最小尺寸足夠大,大到必須采取措施來解決水化熱以及水化熱導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)體積變形,并且還需要現(xiàn)場澆筑的混凝土結(jié)構(gòu)稱之為大體積混凝土。

到現(xiàn)在為止專家們對于如何定義大體積混凝土這一問題還未達成一致看法。因為僅僅通過結(jié)構(gòu)斷面的尺寸來確定是不是大體積混凝土是不夠全面不夠確切的,水化熱對結(jié)構(gòu)的影響需要綜合考慮結(jié)構(gòu)斷面水泥材料、環(huán)境溫度、大氣環(huán)境、結(jié)構(gòu)尺寸等等一系列因素的影響[2]。

1.2 大體積混凝土的特點

大體積混凝土具有以下4個重要的特征:

1)混凝土是由粗骨料(碎石、卵石等)、細(xì)骨料(河砂等)、水等按照一定的配比,經(jīng)過均勻攪拌、碾壓、養(yǎng)護等階段形成。現(xiàn)在混凝土是最普遍的土木工程材料之一。它的抗拉強度一般約為極限抗壓強度的1/10左右,屬于抗拉強度非常低的脆性膠凝材料。短期荷載下拉伸變形能力只有溫降8 ℃左右變形能力。

2)大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般都是暴露在空氣或者水中,周圍大氣氣溫或者水中水溫會對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。

3)由于結(jié)構(gòu)截面最小尺寸比較大,表面積相對于體積來說比較小(體表比較大),混凝土中的水泥在水化反應(yīng)中產(chǎn)生大量的熱量,使混凝土內(nèi)外表面產(chǎn)生溫差,引起混凝土的溫度應(yīng)力,但是混凝土的抗拉強度非常低,只有抗拉強度的1/10(如C30混凝土的抗拉強度為1.43 MPa),所以如此大的溫度應(yīng)力就會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

4)由于鋼筋抗拉強度非常高,一般來講,配筋率高的結(jié)構(gòu)不容易出現(xiàn)裂縫,而大體積混凝土如橋梁中的大體積承臺結(jié)構(gòu)配筋率很低,相對于較大的斷面尺寸,結(jié)構(gòu)的含鋼率是非常低的。在水化熱等作用下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大部分只能由混凝土來抵抗[2]。

2 大體積混凝土的常用溫度計算公式

在大體積混凝土施工前，必須對混凝土結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生的水化熱進行預(yù)測計算，只有這樣才能對結(jié)構(gòu)采取相應(yīng)有效的措施，控制水化熱產(chǎn)生的溫度，進而控制大體積混凝土產(chǎn)生的溫度裂縫。

水泥水化熱的計算公式：

Q(τ)=Q0(1-e-mt)

(1)

其中,τ為齡期，d;Q(τ)為對應(yīng)齡期的累計水化熱，kJ/kg;Q0為最終水化熱,kJ/kg；m為常數(shù)，對應(yīng)水泥的品種、比表面積以及澆筑溫度[3]。

混凝土絕熱溫升計算公式[4]為：

θ(τ)=Q0W(1-e-mt)/cρ

(2)

θ(τ)=Q0(W+kF)(1-e-mt)/cρ

(3)

其中，θ(τ)為齡期τ時混凝土的絕熱溫升，℃；Q0為1 kg水泥的最終水化熱，kJ/kg；c為混凝土的比熱，kJ/(kg·℃);W為1 m3混凝土中的水泥用量，kg/m3；ρ為混凝土的密度，kg/m3;m為常數(shù)，見表1；F為混合材用量，kg/m3；k為折減系數(shù)，可取k=0.25。

3 大體積混凝土水化熱控制施工技術(shù)

3.1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)水化熱的控制標(biāo)準(zhǔn)

表1 常數(shù)m取值

我國GB 50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范對于大體積混凝土溫度指標(biāo)規(guī)定：1)混凝土澆筑體入模溫度溫升值不宜大于50 ℃；2)大體積混凝土澆筑體內(nèi)外溫差不得大于25 ℃；3)大體積混凝土結(jié)構(gòu)的降溫速率不得大于2.0 ℃/d；4)大體積混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20 ℃。

在大體積混凝土施工前，必須對我國關(guān)于大體積混凝土水化熱控制標(biāo)準(zhǔn)有所了解，這樣才能在施工中嚴(yán)格按照規(guī)范要求進行作業(yè)管理。

3.2 水泥混凝土的優(yōu)化配比設(shè)計

1)采用水化熱相對較低的水泥。在一般的情況下水泥中的鋁酸三鈣含量越高,水泥的水化熱也就越高,因此針對大體積混凝土結(jié)構(gòu)中水泥的選擇上應(yīng)該避免選擇水化熱較高的早強水泥,盡量選擇使用礦渣水泥或者是普通硅酸鹽水泥。

2)減小水泥的用量。水化熱的主要來源就是水泥的水化反應(yīng),因此在水泥混凝土的配比設(shè)計過程中,應(yīng)確保在滿足施工設(shè)計要求的前提下,降低水泥混凝土中的水泥用量,或采用外加劑以降低水泥用量，防止混凝土的溫度變形。

3)對水泥混凝土的集料級配進行優(yōu)化。調(diào)整優(yōu)化水泥混凝土的集料級配,減少膠凝材料的用量。因此在水泥混凝土的集料級配的確定上,盡可能采取大骨料,但必須保證混凝土的強度滿足要求,而且便于進行泵送施工作業(yè)。

4)適當(dāng)摻加粉煤灰以及礦渣粉等混合材料。粉煤灰中含有較高的活性二氧化硅,所以在水泥混凝土中可以取代部分水泥,并能提高混凝土的和易性。礦渣粉則可以起到提高混凝土抗負(fù)荷能力的作用。因此,在水泥混凝土的級配設(shè)計中,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)摻加這些混合料,以改善混凝土的水化熱效應(yīng)。

5)采用外摻劑。在橋梁大體積混凝土施工中,常用的外摻劑主要有減水劑、混凝劑以及膨脹劑。其中減水劑由于具有減水和增塑的作用,因此可以在確保水泥混凝土強度的前提下降低水泥水化熱。緩凝劑有抑制水泥水化以及延長混凝土凝結(jié)時間的作用,還可以放慢混凝土的放熱速率,并降低其最高溫度。膨脹劑則能抵消混凝土內(nèi)部的溫差收縮應(yīng)力。所以在水泥混凝土配比設(shè)計中,可采用這些外摻劑,提高混凝土施工質(zhì)量。

3.3 預(yù)埋冷卻水管

預(yù)埋冷卻水管是最直接的降低水泥混凝土內(nèi)部水化熱的措施,通過冷卻水與循環(huán)管之間的熱交換,降低水化熱造成的溫升。對于冷卻水管的布置,一般選擇便于操作的矩形排列方式,冷卻水管一般選擇15 mm～25 mm的薄壁鋼管,流量一般控制在0.6 m3/h～2.8 m3/h。對于冷卻水溫度,按規(guī)范要求控制在20 ℃以內(nèi)。冷卻水管的間距控制在0.8 m～1.5 m。在完成大體積混凝土澆筑以后應(yīng)該及時通水冷卻,并確保通水冷卻的連續(xù)性,以達到降低水泥混凝土內(nèi)部溫度的目的。

3.4 大體積水泥混凝土的澆筑

如果要采取最有效的方法控制大體積混凝土的水化熱,則必須結(jié)合大體積混凝土結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實情況采取分層、分塊的澆筑施工作業(yè)方式,對大體積混凝土的每一塊采取薄層澆筑技術(shù),以使水泥混凝土內(nèi)部的水化熱得到有效的散失,減少外應(yīng)力和溫度應(yīng)力，降低混凝土內(nèi)部溫度，對于各塊之間可以采用后澆帶的方式進行連接[4]。在分層澆筑的時候盡可能縮短間歇的時間，這樣可以避免由于間隙時間不當(dāng)造成裂縫問題的發(fā)生,同時分層澆筑以適應(yīng)橋梁大體積混凝土結(jié)構(gòu)體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點,要求斜面的坡度不大于1/3。通常在水泥混凝土的振搗時,采用“快插慢拔,逐點移動,順序進行”的方法,并確保與側(cè)模保持5 cm～10 cm的距離,直到混凝土無氣泡冒出、表面平整不泛漿、完全密實為止。

3.5 大體積混凝土的養(yǎng)護

大體積混凝土的養(yǎng)護，既要滿足混凝土本身強度增長的需要，也要采取人工溫度控制，避免引起混凝土溫度裂縫的出現(xiàn)。對于大體積混凝土的養(yǎng)護,一般分為保溫和保濕兩道程序。

1)保溫：把大體積混凝土露在大氣中的部分覆蓋上保溫材料，一般材料有鋸木、濕砂、麻袋等。對大體積混凝土進行保溫可減小混凝土表面熱量散失速率,使混凝土獲得必要的強度。

2)保濕：在保證混凝土強度的前提下在大體積混凝土表面按時噴灑自來水，保持混凝土表面的濕潤，防范發(fā)生干縮裂縫,同時確保水泥水化反應(yīng)以及混凝土強度的提升。

4 結(jié)語

在橋梁施工過程中，控制大體積混凝土水化熱對于避免大體積混凝土的開裂具有非常重要的作用。因此我們應(yīng)當(dāng)對大體積混凝土的水化熱進行研究控制，了解水化熱規(guī)律，根據(jù)水化規(guī)律可以在施工各個階段采取相應(yīng)有效措施，例如：水泥混凝土配比階段、預(yù)埋冷卻水管階段、混凝土澆筑階段以及混凝土養(yǎng)護階段。進行有效的大體積混凝土水化熱控制技術(shù)研究對提高大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量有重要作用。

[1] 陳 輝.橋梁大體積混凝土水化熱控制技術(shù)研究及實踐分析[J]，道路工程，2011(8)：81-83.

[2] 茍 季.大體積混凝土水化熱對結(jié)構(gòu)的影響研究[D].南寧：廣西大學(xué)碩士論文，2008.

[3] 王建彬.橋梁工程大體積混凝土水化熱控制施工技術(shù)研究[J].橋梁與隧道工程，2014(5)：114-116.

[4] 劉琳莉.橋梁大體積混凝土水化熱施工控制研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士論文，2012.

[5] 欒 堯.大體積混凝土水化熱溫度場的數(shù)值計算[J].工業(yè)建筑，2008(10)：81-85.

Research of hydration heat control technology for mass concrete of bridge

Zhao Na Wang Kaiting Zhang Liming

(CollegeofCivilEngineeringandBuilding,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Qingdao266590,China)

This paper introduces the concept and characteristic of mass concrete, and then introduces the computing method about temperature of that, and this paper discusses the control method of the hydration heat. Based on the research of mass concrete bridge hydration heat control technology, this can give a good example for other bridge construction.

bridge engineering, mass concrete, hydration heat, control technology

1009-6825(2015)28-0152-02

2015-07-21

趙 娜(1990- )，女，在讀碩士； 王凱挺(1991- )，女，在讀碩士； 張立明(1991- )，男，在讀碩士

TU755

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