橋梁承臺(tái)大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)研究

■謝江平

（福建省高速公路有限責(zé)任公司三明管理分公司，三明 365000）

1 引言

隨著工程建設(shè)規(guī)模的不斷增大，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也愈發(fā)廣泛，在滿足強(qiáng)度、剛度、整體性和耐久性的設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，控制溫度應(yīng)力和溫度變形裂縫的擴(kuò)展，成為大體積混凝土質(zhì)量控制的關(guān)鍵。本文以福建省泰寧縣金湖2號(hào)大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^原材料選用、施工工藝控制、混凝土養(yǎng)護(hù)等溫控措施，詳細(xì)闡述了如何有效防止大體積混凝土溫度裂紋的產(chǎn)生。

2 工程概況

金湖2號(hào)大橋?yàn)楦＝ㄊ√幙h“鎮(zhèn)鎮(zhèn)有干線”下渠至大龍公路控制性工程，采用三跨（66m+120m+66m）現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)橋型式，1#墩承臺(tái)尺寸為10.5m×10.5m×3.5m，根據(jù)我國 《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ 55-2000）的規(guī)定，1#墩承臺(tái)屬于典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30。

3 溫度裂縫產(chǎn)生機(jī)理

由于導(dǎo)熱性差，大體積混凝土內(nèi)部降溫速度慢，而外部降溫速度很快，外部收縮大于內(nèi)部收縮，這種內(nèi)外收縮的差異使得混凝土內(nèi)部給外部起了約束的作用，使混凝土外表面產(chǎn)生了拉應(yīng)力。當(dāng)內(nèi)外溫差過大時(shí)，拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

澆筑后升溫過程中混凝土的彈性模量很小，受到邊界約束時(shí)產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小。而降溫過程中，彈性模量迅速增大，約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力也隨之增大，且抵消前期壓應(yīng)力后還存在很大的剩余拉應(yīng)力。當(dāng)剩余拉應(yīng)力大于混凝土此時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)內(nèi)部收縮裂縫，若與外表面裂縫連接便形成了貫穿裂縫。

內(nèi)部的水分蒸發(fā)散失也會(huì)引起混凝土體積收縮。由于混凝土表里溫度不均勻，失水收縮變形也隨之不均勻，平均的失水收縮又有利于溫度變形引起的應(yīng)力，也可能導(dǎo)致混凝土開裂。

4 有限元模型計(jì)算

采用MIDAS/Civil有限元軟件，取承臺(tái)1/4部分建立有限元模型，考慮混凝土澆筑溫度、施工間歇期、混凝土水化熱的放熱規(guī)律、養(yǎng)護(hù)方式、冷卻水管降溫、外界氣溫變化、混凝土彈性模量變化、樁基約束以及混凝土徐變等因素，模擬計(jì)算承臺(tái)混凝土溫度及應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，仿真計(jì)算結(jié)果顯示：承臺(tái)最高溫度出現(xiàn)部位在承臺(tái)中心區(qū)域，最高溫度為54.7℃（如圖1所示）；底部混凝土由于樁基及內(nèi)外收縮的約束，受到主拉應(yīng)力最大，不同齡期的最大主拉應(yīng)力如表1所示。

圖1 承臺(tái)混凝土最高溫度示意圖

表1 底部混凝土最大主拉應(yīng)力

從表1結(jié)果可以看出，承臺(tái)混凝土早期溫度拉應(yīng)力發(fā)展很快，而后期溫度拉應(yīng)力發(fā)展緩慢，其中14d的最大主拉應(yīng)力為1.99MPa，所以溫控防裂的重點(diǎn)應(yīng)在控制混凝土早期裂縫。

5 溫度裂縫控制措施

5.1 合理選用原材料和配合比

混凝土原材料的質(zhì)量及其配合比設(shè)計(jì)是大體積混凝土裂縫控制的一個(gè)重要的因素。

5.1.1 原材料的選用

在大體積混凝土工程中，水泥應(yīng)盡量選用水化熱低，凝結(jié)時(shí)間長的水泥。骨料要盡量選用粒徑較大、級(jí)配良好的骨料，同時(shí)嚴(yán)格控制砂石的含泥率和石子中的針狀和片狀顆粒的含量。粉煤灰不僅可以降低水化熱、改善混和易性，而且進(jìn)一步改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，減少混凝土收縮。1#承臺(tái)選用混凝土原材料如下：

（1）水泥：選用水化熱低的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

（2）骨料：選用 4.75～31.5mm 碎石，針、片含量＜10%，含泥量不大于1%，級(jí)配良好。砂為河砂，含泥量不大于5%，細(xì)度模數(shù)大于2.53。

（3）粉煤灰：摻加磨細(xì)的Ⅰ級(jí)粉煤灰。

（4）外加劑：摻入適量的高效減水劑與緩凝劑。

5.1.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)

配合比方面在滿足混凝土強(qiáng)度等級(jí)的前提下，盡量減少水泥的用量、降低水灰比、減小坍落度，同時(shí)摻入適量的外加劑，可以改善混凝土的性能，節(jié)約水泥，降低水化熱。

根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》與《大體積混凝土施工規(guī)范》；試驗(yàn)確定的承臺(tái)混凝土配合比如表2所示：

表2 1#承臺(tái)混凝土配合比（kg/m3）

5.2 施工工藝控制

5.2.1 控制混凝土入模溫度

混凝土入模溫度直接影響到混凝土的內(nèi)部最高溫度，因此要嚴(yán)格控制混凝土出機(jī)溫度和澆筑溫度。

首先要降低骨料溫度。料倉采用頂蓬遮蓋以減少陽光照射，澆注前對(duì)砂石進(jìn)行灑水降溫（注意砂石含水率變化）；骨料盡量堆高，底層取料。

二是要降低水的溫度。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：水溫每降低1℃，可使混凝土出機(jī)口溫度降低0.2℃左右；因此，拌和用水預(yù)先放入地下蓄水池中降溫，用低溫水拌和。

三是夜間澆筑混凝土，避開當(dāng)日高溫時(shí)段。

5.2.2 控制混凝土澆筑工藝

大體積混凝土的澆筑工藝一般可分為：水平全面分層、水平分段分層及斜面分層三種形式。根據(jù)項(xiàng)目自身特點(diǎn)，1#承臺(tái)采用水平全面分層澆筑方式。根據(jù)有限元仿真計(jì)算結(jié)果，由于底部混凝土受到樁基約束，溫度應(yīng)用較大；因此，1#承臺(tái)分二層（第一層1.5m，第二層2m）水平全面分層澆筑。

每一分層混凝土澆筑遵循“同時(shí)澆搗、分層推進(jìn)、一次到頂、循序漸進(jìn)”原則，按30cm分層，在下一層混凝土初凝前完成上一層的混凝土澆筑。

上分層澆筑前應(yīng)清除下分層混凝土表面浮漿，并拉毛處理。

5.3 設(shè)置冷卻管

5.3.1 冷卻管埋設(shè)

根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征，承臺(tái)內(nèi)部冷卻水管按照冷卻水由熱中心區(qū)域流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置，且上下層冷卻水管相互交錯(cuò)，每層冷卻管進(jìn)、出水口相互錯(cuò)開。

承臺(tái)混凝土沿厚度方向布置3層Φ50mm的冷卻水管，水管水平間距為0.8m（見圖2）。

圖2 冷卻管平面布置圖

5.3.2 通水冷卻

冷卻水管在使用前應(yīng)進(jìn)行壓水試驗(yàn)，防止管道漏水、阻水。

混凝土澆筑到各層冷卻水管標(biāo)高后開始通水，流速應(yīng)大于 60cm/s；保證冷卻水管進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差不應(yīng)超過25℃。通水時(shí)間可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定。當(dāng)溫度經(jīng)過最高點(diǎn)開始下降后，應(yīng)通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量以控制降溫速度。

為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，澆筑下層混凝土?xí)r，對(duì)上層混凝土采用二次通水冷卻。

5.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土澆筑完畢后，及時(shí)覆蓋養(yǎng)生草袋，對(duì)其進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。保溫養(yǎng)護(hù)可降低大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差值，從而降低混凝土塊體的自約束應(yīng)力?；炷翞⑺B(yǎng)護(hù)7d，保持混凝土表面濕潤，避免出現(xiàn)表面干裂收縮。

6 溫度監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

為了掌握混凝土內(nèi)部的最高溫升及中心部位與表面部位的溫度差，以指導(dǎo)溫度控制技術(shù)措施，根據(jù)承臺(tái)混凝土的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和溫度變化的一般規(guī)律，在承臺(tái)內(nèi)部共布設(shè)2層溫度傳感器，共10個(gè)。

溫度測(cè)試在混凝土澆筑后立即進(jìn)行，連續(xù)不斷?；炷恋臏囟葴y(cè)試，峰值以前每2h監(jiān)測(cè)一次，峰值出現(xiàn)后每4h監(jiān)測(cè)一次，持續(xù)5d，然后轉(zhuǎn)入每天測(cè)2次，直到溫度變化基本穩(wěn)定為止。采用PN結(jié)溫度傳感器測(cè)得承臺(tái)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)各特征參數(shù)。

按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB50204-2002）的規(guī)定：“大體積混凝土表面和內(nèi)部溫差控制在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，當(dāng)設(shè)計(jì)無具體要求時(shí)，溫差不宜超過25℃”。由表3可知，由于溫控措施到位，大體積混凝土溫度控制效果良好。

表3 承臺(tái)混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)特征參數(shù)

7 結(jié)語

綜上所述，在混凝土終凝、拆模、混凝土28d齡期及經(jīng)歷一個(gè)冬季后等不同階段，混凝土表面均未出現(xiàn)裂紋。因此，在大體積混凝土施工過程中，通過優(yōu)選混凝土原材料和優(yōu)化混凝土配合比、控制好混凝土澆筑工藝、布置冷卻水管進(jìn)行通水冷卻、以及混凝土養(yǎng)護(hù)等溫控措施，可以有效的控制大體積混凝土的內(nèi)表溫差，避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

[1]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.

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