斜拉橋承臺(tái)大體積混凝土水化熱及溫度控制

馬凡尹

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司大橋工程分公司, 四川成都 610000)

大體積混凝土的裂縫控制問(wèn)題是一項(xiàng)國(guó)際性的技術(shù)難題。大體積混凝土常常由于內(nèi)外溫差過(guò)大產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，導(dǎo)致其表面開(kāi)裂。為保證大體積混凝土施工質(zhì)量，避免產(chǎn)生溫差裂縫，確保橋梁的使用壽命和安全，必須制定切實(shí)可行的溫度控制方案以確保施工質(zhì)量[1-5]。本文結(jié)合鹽坪壩長(zhǎng)江大橋南岸5#承臺(tái)的施工，提出了一系列的溫度控制措施，并結(jié)合Midas Civil對(duì)其的水化熱分析結(jié)果，進(jìn)行了優(yōu)化。

1 工程概況

鹽坪壩長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)橹骺?80 m雙塔雙索面混合式疊合梁斜拉橋，采用“江魚(yú)”拱形混凝土橋塔，塔高181.5 m，跨徑布置為45+51+97+480+97+51+45=866m。大橋上跨北岸規(guī)劃濱江大道、南岸規(guī)劃麗雅大道；跨中橋面寬度40 m，邊跨橋?qū)捵畲蠹s60 m。圖1為鹽坪壩長(zhǎng)江大橋效果圖。

該橋南岸5#墩承臺(tái)為矩形，承臺(tái)順橋向長(zhǎng)度25.6 m，橫橋向長(zhǎng)度42.6 m，高度6 m，承臺(tái)四角為半徑2 m的圓弧倒角，總計(jì)澆筑C40混凝土6 600 m3。該承臺(tái)屬于大體積混凝土工程，體積超大，溫度控制難度極大，擬采用一系列溫度控制措施保證施工質(zhì)量。

2 溫度控制指標(biāo)

根據(jù)JTGT F50-2011《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，綜合參考其他相關(guān)規(guī)范及類似工程的施工經(jīng)驗(yàn)，該工程對(duì)混凝土入模溫度的控制為：大于等于5 ℃且小于等于28 ℃，混凝土在入模溫度基礎(chǔ)上實(shí)際溫升值不大于50 ℃，且內(nèi)部最高溫度不應(yīng)超過(guò)75 ℃，內(nèi)表溫差控制在25 ℃以內(nèi)。

3 溫度控制方案

大體積混凝土溫控是對(duì)混凝土質(zhì)量的全面控制。為達(dá)到溫控標(biāo)準(zhǔn)的要求，采取了一系列溫控措施進(jìn)行有效監(jiān)控，落實(shí)到混凝土的質(zhì)量控制，澆筑溫度的控制，混凝土拌和、運(yùn)輸、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護(hù)及保溫每一施工環(huán)節(jié)[6-8]。

3.1 原材料選擇

根據(jù)最大限度降低混凝土水化熱量及釋放速度的原則，在混凝土的原材料選用方面，采取了以下措施：選用中低水化熱品種的水泥、降低水泥的用量、摻加I級(jí)粉煤灰、優(yōu)選粗細(xì)骨料及摻入超緩凝型聚羧酸高性能減水劑、控制拌合水溫等措施，最終確定如表1的配合比。

表1 混凝土配合比 kg/m3

3.2 施工措施

3.2.1 分層澆筑

南岸5#墩承臺(tái)分成3 m+3 m兩次澆筑。每層澆筑時(shí)采用整體式水平分層連續(xù)澆筑，每層澆筑厚度控制在30～50 cm范圍。并在施工中，根據(jù)拌合站生產(chǎn)能力和現(xiàn)場(chǎng)泵送、澆筑能力，確定每層混凝土的最適宜澆筑層厚，以盡量縮短層間間隔時(shí)間，確保在下層混凝土能充分塑化之前完成上層混凝土的覆蓋澆筑完成。

3.2.2 布置冷卻水管

按照分2層的澆筑方案，采用Midas Civil 軟件的混凝土水化熱分析模塊進(jìn)行無(wú)冷卻水管溫度應(yīng)力場(chǎng)分析后，發(fā)現(xiàn)承臺(tái)第一澆筑層和第二澆筑層均在澆筑后2 d的時(shí)候結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度達(dá)到最高溫(圖2和圖3)，并在2～7 d始終保持在54～56 ℃，而表面最低溫度保持在20 ℃，結(jié)構(gòu)內(nèi)表最大溫差達(dá)到了36 ℃，大于25 ℃，不滿足溫度控制指標(biāo)的要求，需設(shè)置冷卻水管。

圖2 第一澆筑層澆筑后2d時(shí)溫度云圖

圖3 第二澆筑層澆筑后2d時(shí)溫度云圖

參照以往類似工程及實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，在滿足溫度控制要求的前提下盡量少設(shè)冷卻水管數(shù)量，初步擬定每一澆筑層設(shè)置3層冷卻水管，水平及豎直間距均為100 cm。每根冷卻水管長(zhǎng)度不超過(guò)200 m，冷卻水溫18 ℃，流量3.0 m3/h，擬定在混凝土澆筑后12 h開(kāi)始通以冷卻水。采用Midas Civil 軟件對(duì)擬定的冷卻水管方案進(jìn)行分析，混凝土內(nèi)部最高溫度云圖如圖4和圖7，各層混凝土澆筑中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度及應(yīng)力時(shí)程曲線如圖5、圖8和圖6、圖9，各層混凝土內(nèi)部最高溫度和最大內(nèi)表溫差見(jiàn)表2。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，添加三層冷卻水管，混凝土內(nèi)部最高溫度降低了10 ℃左右，最大內(nèi)表溫差為22.2 ℃，小于25 ℃，符合規(guī)范要求，該方案可行，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)后期混凝土內(nèi)部溫度下降速度過(guò)快，在施工過(guò)程中應(yīng)根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，降低冷卻水的速率或停止部分冷卻水管。

圖4 第一澆筑層冷卻水管下最高溫度云圖

圖5 第一層混凝土澆筑中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

圖6 第一層混凝土澆筑中心點(diǎn)、表面點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

圖7 第二澆筑層冷卻水管下最高溫度云圖

圖8 第二層混凝土澆筑中心點(diǎn)、表面點(diǎn)溫度時(shí)程曲線

圖9 第二層混凝土澆筑中心點(diǎn)、表面點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程曲線

表2 各層混凝土內(nèi)部最高溫度和最大內(nèi)表溫差

3.3 養(yǎng)護(hù)措施

對(duì)于結(jié)構(gòu)側(cè)面，拆模前，帶模養(yǎng)護(hù)，并覆蓋保溫層+防雨布，拆模后有條件回填的情況下盡快回填，不能及時(shí)回填的拆模后覆蓋塑料薄膜保濕，并覆蓋保溫層保溫，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于14 d。對(duì)于分層面，鑿毛后覆蓋薄膜+保溫層，養(yǎng)護(hù)至上層澆筑為止。對(duì)于永久暴露的表面，邊收面邊覆蓋塑料薄膜，初凝后覆蓋保溫層，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不小于14 d。

4 溫度監(jiān)測(cè)

為檢驗(yàn)施工質(zhì)量和溫控效果，掌握溫控信息，以便及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)溫控措施，做到信息化施工，需對(duì)混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。溫度檢測(cè)儀采用智能化數(shù)字多回路溫度巡檢儀，溫度傳感器為熱敏電阻傳感器。每層測(cè)點(diǎn)的布置如圖10。

圖10 溫度監(jiān)控測(cè)點(diǎn)布置

5 施工效果

鹽坪壩長(zhǎng)江大橋南岸5#承臺(tái)混凝土澆筑情況見(jiàn)表3，溫度監(jiān)測(cè)于2018年1月28日8:00開(kāi)始，截至2月28日12:00時(shí)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表4所示。鑒于篇幅有限，僅圖示了第一層混凝土溫度特征值發(fā)展歷時(shí)曲線如圖11所示。

表3 南岸5#墩承臺(tái)混凝土澆筑情況

表4 南岸5#墩承臺(tái)混凝土溫度監(jiān)控結(jié)果

由圖11和表4可以看出，內(nèi)部最高溫度45.5～50.9 ℃，各層混凝土最高溫度符合小于等于60 ℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)?；炷羶?nèi)表溫差前期隨內(nèi)部溫度增加而增加，后期隨表面溫度波動(dòng)而波動(dòng)，最大內(nèi)表溫差為23.8～24.9 ℃，第一澆筑層最大內(nèi)表溫差為23.8 ℃，第二澆筑層最大內(nèi)表溫差為24 ℃，均符合小于等于25 ℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)；溫峰過(guò)后通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻水控制降溫速率約為0.3～1.4 ℃/d，均符合小于等于2.0 ℃/d的溫控標(biāo)準(zhǔn)。但混凝土溫度峰值的時(shí)間卻比數(shù)值模擬分析時(shí)延遲了近24 h，經(jīng)分析后確定應(yīng)屬于混凝土澆筑溫度較低和外加劑的緩凝成分兩種原因推遲了混凝土溫峰出現(xiàn)的時(shí)間，而外加劑的緩凝作用在數(shù)值模擬分析時(shí)無(wú)法考慮。

圖11 第一澆筑層溫度時(shí)程

6 結(jié)論

本文針對(duì)鹽坪壩長(zhǎng)江大橋南岸5#墩承臺(tái)大體積混凝土水化熱問(wèn)題提出了相應(yīng)的溫度控制方案，并采用有限元軟件對(duì)溫度控制中冷卻水管的布置進(jìn)行了理論分析，對(duì)比了采取溫控措施后混凝土內(nèi)表溫度的變化，并在施工過(guò)程中進(jìn)行了監(jiān)控實(shí)測(cè)，以驗(yàn)證方案的合理性。

最終施工成果表明，采用優(yōu)選低中熱類硅酸鹽水泥、優(yōu)化配合比、分層施工、布置冷卻水管及正確的養(yǎng)護(hù)措施的聯(lián)合溫控措施，并結(jié)合有限元軟件模擬實(shí)際施工情況，是能夠確保超大體積的混凝土施工結(jié)果合規(guī)的有效途徑。