客運專線承臺大體積混凝土裂縫控制措施

高麗丹

中鐵二局第三工程有限公司（450006）

客運專線承臺大體積混凝土裂縫控制措施

高麗丹

中鐵二局第三工程有限公司（450006）

這里以客運專線大體積承臺混凝土施工為研究對象，分析大體積混凝土的起因，通過計算驗證了混凝土的裂縫控制措施是安全的；最后，給出了大體積承臺混凝土的裂縫控制措施。

大體積混凝土；水泥水化熱；溫控措施

0 概述

哈大鐵路客運專線貫通東北全境，哈大鐵路是東北地區(qū)客運輸?shù)闹匾ǖ溃钦衽d東北老工業(yè)基地重大戰(zhàn)略的實施，顯著提升東北地區(qū)及進出關(guān)鐵路網(wǎng)質(zhì)量和綜合運輸能力，深入實施振興東北戰(zhàn)略，促進東北地區(qū)經(jīng)濟社會又好又快發(fā)展，具有極其重要的意義。

由中鐵二局建設(shè)的哈大鐵路客運專線鞍遼特大橋是該工程重點控制之一。鞍遼特大橋全長19.2公里，共有墩身586個。為了實現(xiàn)架梁工期和快速有序建設(shè)好客運專線的目標(biāo)，因此，必須安排冬季施工。在負(fù)溫條件下承臺施工，重點解決的是混凝土的防凍和防裂。517號承臺長18.6 m寬15.6 m高3.5 m,混凝土方量1 000 m3，故屬大體積混凝土。

1 大體積混凝溫度裂縫產(chǎn)生的原因與控制措施

1.1 溫度裂縫的起因及預(yù)防

大體積混凝溫度裂紋大是由于混凝土截面尺寸較大，在硬化期間水泥水化過程中，釋放的水化熱產(chǎn)生的溫度變化和混凝土收縮，以及外界約束條件的共同作用下產(chǎn)生溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力而引起混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的裂縫。大體積混凝土中，溫度裂縫出現(xiàn)有兩種原因：一種是表面裂縫，由于內(nèi)外溫差過大和表面溫度陡降而形成的；一種是內(nèi)部溫度梯度過大而出現(xiàn)裂縫。

1.2 大體積混凝溫控措施

大體積混凝土裂縫出現(xiàn)的原因為內(nèi)外溫差過大和溫度陡降引起的。因此，控制裂縫出現(xiàn)的核心是確?；炷羶?nèi)外溫差在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，通過一定的方式消除混凝土內(nèi)部溫度過高使得溫度梯度過大而出現(xiàn)的溫度裂縫。

一般裂縫控制措施有：混凝土內(nèi)部合理布置冷卻水管；施工工藝采取分層澆筑；混凝土外部保溫等措施。

2 承臺混凝土原材料及配合比

水泥：遼寧恒威P.0 42.5低堿水泥；碎石：遼寧隆安5～25 mm連續(xù)級配，含泥量0.3%，泥塊含量0.1%；河砂：Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.5，含泥量1.3%，泥塊泥量0.3%；礦粉：鞍鋼磨細(xì)礦粉，規(guī)格S95，比表面積421 m2/kg，需水比96%，燒失量0.3；粉煤灰：細(xì)度9.1%，燒失量2.18%，需水比93%；水：地下水，符合混凝土施工用水標(biāo)準(zhǔn)；外加劑：山西黃騰HT-HPC高效減水劑?；炷僚浜媳纫姳?：

表1 C40高性能混混凝土配合比

3 水泥水化熱計算及裂縫控制計算

3.1 水化熱計算

大體積混凝土施工中，根據(jù)哈大鐵路客運專線《混凝土工程質(zhì)量控制手冊》混凝土內(nèi)部溫度與外表面溫度之差、表面溫度與環(huán)境溫度之差不宜大于25℃。，通過計算如下。水泥水化熱3 d為253 J/kg，7 d為297 J/kg，28 d為364 J/kg?；炷了^熱溫升，見公式（1）

式中：T熱——混凝土絕熱溫度；W——每立方混凝土中水泥實際用量kg/m3；Q0——每千克水泥水化熱J/kg；γ——混凝土的密度2 390 kg；t——水泥水化熱升溫齡期，取4 d；C——混凝土比熱；m——熱影響系數(shù)，m=0.55+0.001 Q0；е——指數(shù)函數(shù)2.718。

相應(yīng)可建立絕熱溫度，見公式（2）：

式中：F——粉煤灰用量kg/m3；ε——熱系數(shù)0.9

得出混凝土最高水化絕熱溫升為58.0℃。

3.2 溫度應(yīng)力計算

混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力公式見公式（3）：

表2 代入任意時間收縮εg(t)

表3 代入當(dāng)量溫差Ty(t)=εg(t)/α

表4 各階段收縮當(dāng)量溫差（梯度溫度）

3.3 計算混凝土中心溫度

混凝土施工時處于散熱條件為上下表面及側(cè)面散熱條件，體積厚度3.5 m，散熱系數(shù)取0.98，混凝土施工完成后第三天水化熱達(dá)到峰值。

入摸溫度為18℃，計算結(jié)果見下表5。

3.4 混凝土各齡期彈性摸量

澆筑初期混凝土上升呈塑性，此時混凝土彈摸量很小，彈性摸量隨混凝土的養(yǎng)護時間推移彈摸強度增加。

混凝土C40R30～45，彈摸為3.40×104N/mm2，見表6。

表5 差分法推導(dǎo)的計算中心溫度

3.5 各齡期混凝土松弛系數(shù)

當(dāng)結(jié)構(gòu)保持變形不變時，結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力因徐變而隨時間衰減的現(xiàn)象稱松弛。齡期越早，徐變引起的松弛越大；應(yīng)力作用時間越長，松弛也越大。不同齡期的松弛系數(shù)見表7。

表6 任意齡期的彈性摸量

表7 不同齡期的松弛系數(shù)

3.6 最大拉應(yīng)力計算

根據(jù)YBJ 1224-91拉應(yīng)力計算：

式中：σ(t)——各齡期混凝土基礎(chǔ)所承受的溫度應(yīng)力；E(t)—各齡期混凝土彈性摸量；α—混凝土線性膨脹系數(shù)；υ—泊松比1.0×10-5；ΔT——各齡期混凝土綜合降溫差；H(t)—各齡期混凝土松弛系數(shù)；R(t)——混凝土的外約束系數(shù)，基礎(chǔ)為鉆孔樁，樁頭密集鋼筋聯(lián)接多；Cx—外約束介質(zhì)，取10×10-2N/mm2；L—混凝土長度,取18.6×103mm;H—基礎(chǔ)厚度,取3.5× 103mm。

故總降溫差產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力，見表7：

表7 不同齡期混凝土外約束系數(shù)、內(nèi)部溫度應(yīng)力

4 測溫線與冷卻管的布置

4.1 測溫線的布置

為了解混凝土各部位水化熱的大小對517號墩承臺基礎(chǔ)的影響，進行測溫線布置（見圖1）與冷卻管布置（見圖2）；側(cè)溫儀器為JDC-2建筑電子測溫儀，測溫范圍-30～130℃，測溫誤差≤±0.5℃，使用環(huán)境-20～50℃。

圖1 測溫點布置圖（單位：m）

圖2 冷卻管布置圖（單位：mm）

根據(jù)本工程基礎(chǔ)的大小分上中下三層布點，下層混凝土0.7 m處，中間混凝土1.8 m處，上層混凝土面3.0 m處；斜交45°布四點，隔模型邊0.2 m布一點。其余3.0 m布點。測溫點被混凝土覆蓋后開始測溫，在混凝土澆筑后每四小時測溫一次。

4.2 冷卻水管的布置

冷卻水管為矩形布置，左右間距為1.0 m，上下間距為1.5 m，采用直徑Φ30 mm雙層鋼管。在混凝土澆筑完成第二天開始抽水循環(huán)冷卻水降溫，進出水口溫度之差控制在10～25℃；當(dāng)進出水口溫度之差小于10℃時，停止循環(huán)冷卻管降溫。

4.3 混凝土保溫被材料計算

式中：Δi——保溫材料所需厚度，m；h——結(jié)構(gòu)厚度，3.5 m；λi——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)查表保溫棉被為0.14；λ——混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.3 W/(m·K)；Tmax——混凝土中心最高溫度℃；Тb—混凝土表面溫度，℃，取21℃；Ta——混凝土澆筑3～5 d空氣溫度；0.5——指中心溫度向兩邊散熱的距離，為結(jié)構(gòu)厚度的一半；K——傳熱系數(shù)胡整修正值，塑料布加保溫棉被時，取2.3；T0——混凝土澆筑溫度，前面計算為18℃；Q——每立方米混凝土中水泥（礦渣）的用量，Kg/m3；F——每立方米混凝土中粉煤灰的用量，kg/m3。

通過計算得知，混凝土需要14 cm保溫棉被覆蓋保溫。

4.4 通水、養(yǎng)護時間

混凝土施工完畢后，混凝土表面、側(cè)面采用塑料薄膜加二層保溫棉被，養(yǎng)護14 d。拆除保溫棉被后，在基坑上部搭棚保溫養(yǎng)護，這種復(fù)合保溫方法，有效的控制了混凝土表面溫度，混凝土表面未產(chǎn)生收縮裂紋。有效降低混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度梯度。當(dāng)測量溫度上升趨勢較大時，繼續(xù)通水。側(cè)面模板拆出后，及時進行基礎(chǔ)回填。循環(huán)冷卻水管停止降溫后，進行注漿處理。

5 溫度控制的結(jié)果分析

517 號承臺混凝土施工時間為2009年11月13日～11月14日。從圖3、圖4可以看出：

圖3 中心紅線1～4號測溫線25 d溫度變化趨勢

圖4 中心1、中心上1、中心下1溫度27 d變化趨勢圖

1）混凝土澆筑后3 d溫度達(dá)到峰值，混凝土中心點溫度為53.6℃；

2）溫度峰值持續(xù)2 d后，開始緩慢下降；

3）7 d后，混凝土溫度基本持續(xù)保持不變，局部溫度有回升現(xiàn)象,這是由于摻加活性材料粉煤灰、礦粉二次水化熱升溫的原因。

4）摻加HT-HPC外加劑，降低配合比用水量，并使坍落度損失減小,延緩了混凝土凝結(jié)時間，同時改善了混凝土拌合物的和易性，從而使混凝土前期水化熱降低。

6 結(jié)語

本文得出的主要結(jié)論如下：

1）通過計算，預(yù)測出混凝土最高水化絕熱溫升為58℃，實際測溫最高水化絕熱溫升為53.6℃，這是由于冷卻水管的使用降低了溫度峰值。

2）通過計算緩慢降溫引起的溫度應(yīng)力較小，不足以引起混凝土的開裂。

3）通過計算，得出采用14 cm棉被保溫可以避免混凝土內(nèi)外溫差過大引起的溫度裂縫。

4）通過測溫了解混凝土內(nèi)部的溫度變化情況，為大體積承臺溫度控制措施提供依據(jù)。

5）通過合理的內(nèi)部布置循環(huán)冷卻水管降溫，棉被復(fù)合表面保溫的綜合溫度控制措施，對混凝土溫度起到內(nèi)外兼治的效果，有效的控制了大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生。

[1]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂紋控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[2]TB 10002.3-2005,鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].2005,6.