市政橋梁大體積素混凝土裂縫控制技術(shù)研究

鐘 波

(中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

眾所周知，混凝土裂縫在施工中是經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題，尤其是在大體積混凝土施工時(shí)尤為突出。混凝土裂縫的出現(xiàn)嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全、耐久性和安全運(yùn)營(yíng)。據(jù)分析，裂縫出現(xiàn)的原因主要有以下三個(gè)方面：

(1)由外部荷載引起，即混凝土承受了自身不能承受的荷載而造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫。

(2)由結(jié)構(gòu)性應(yīng)力引起，即由于實(shí)際工作狀態(tài)與假設(shè)模型不符所致。

(3)由形變應(yīng)力引起，即由溫度、收縮膨脹、不均勻沉降、施工等因素引起的結(jié)構(gòu)形變[1]。

施工中主要從澆筑方案、混凝土配合比以及溫度等方面對(duì)大體積混凝土裂縫進(jìn)行控制。

2 澆筑方案控制

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

天保灣大橋擴(kuò)大基礎(chǔ)分為三層，每層高度為3 m，底層設(shè)計(jì)了3級(jí)、0.5 m×4 m的抗推抗滑移臺(tái)階，中層和頂層為矩形結(jié)構(gòu)。底層平面尺寸為57.91 m×25 m，澆筑方量為3 626.61 m3；中層平面尺寸為54.91 m×20.5 m，澆筑方量為3 376.9 m3；頂層平面尺寸為51.91 m×16 m，澆筑方量為2 491.7 m3；整個(gè)擴(kuò)大基礎(chǔ)未設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)鋼筋，僅外表面設(shè)計(jì)了一層φ10防裂鋼筋網(wǎng)(@100)，屬于大體積素混凝土施工(圖1)。

圖1 擴(kuò)大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖(正面、側(cè)面)

2.2 分層分塊方案

由于擴(kuò)大基礎(chǔ)單層面積較大、高度較高，故采取分層分塊澆筑方案。分層分塊澆筑可以增大散熱面積，減小混凝土集中升溫，有效控制混凝土由于溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。每塊混凝土之間設(shè)置后澆帶，對(duì)施工縫設(shè)置鍵槽并設(shè)置連接插筋，以保證結(jié)構(gòu)的整體性。

擴(kuò)大基礎(chǔ)的單層設(shè)計(jì)厚度為3 m，共分2層澆筑，每一層澆筑厚度為1.5 m；每層再分為6大塊澆筑，并設(shè)3 m寬后澆帶。上下兩層豎向、縱向施工縫相互錯(cuò)開(kāi)，后澆帶在先澆塊澆筑至少7 d后澆筑。

2.3 冷卻水管的布置

在大體積混凝土施工中，混凝土澆筑后將會(huì)產(chǎn)生數(shù)量可觀的水化熱。其中，水泥的水化熱一般發(fā)生在早期，也就是混凝土澆筑之后的不久。在此期間，混凝土的溫度上升將會(huì)很快，直至達(dá)到一定溫度后開(kāi)始下降。由于混凝土導(dǎo)熱性能較差，水泥水化熱產(chǎn)生的熱量需要在很長(zhǎng)一段時(shí)間才能散發(fā)完，從而導(dǎo)致在施工期間形成混凝土內(nèi)部溫度和表面溫度的不一致，進(jìn)而產(chǎn)生表面裂縫。在混凝土降溫階段，會(huì)因?yàn)轶w積的收縮所引起的各種原因?qū)е伦冃我鹄瓚?yīng)力，拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉能力時(shí)往往導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。而對(duì)混凝土溫度變化進(jìn)行控制是能夠防止其產(chǎn)生溫度應(yīng)力的一種有效手段。

在大體積混凝土內(nèi)布置冷卻水管，通過(guò)循環(huán)冷卻水可以有效地控制混凝土的內(nèi)部溫度。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，冷卻水管的布置形式多種多樣。天保灣大橋擴(kuò)大基礎(chǔ)冷卻水管采取分層布置方式，采用D48×3 mm普通鋼管，利用φ25和φ20架立鋼筋支撐。冷卻水管水平間距為1.5 m，在每層(厚1.5 m)中間位置布置，距上下混凝土結(jié)構(gòu)面各0.75 m，進(jìn)、出水口伸出混凝土表面50 cm并引流至模板外的基坑內(nèi)，避免水流淤積在混凝土保溫層上。

在大體積混凝土內(nèi)還需布置測(cè)溫管，用于混凝土溫度監(jiān)控。測(cè)溫管采用φ50 PVC管，豎直安裝，沿?cái)U(kuò)大基礎(chǔ)縱橫向中軸線對(duì)稱布置。測(cè)溫點(diǎn)豎直布置，一般每個(gè)測(cè)溫管內(nèi)布置一組、3個(gè)，分別布置在混凝土的上、中、下位置，上下測(cè)點(diǎn)均布置在距離混凝土表面10 cm處，另外，在離開(kāi)基礎(chǔ)周邊一定的距離埋設(shè)2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)用于測(cè)量環(huán)境溫度。

3 混凝土配合比控制

混凝土水化熱主要由水泥產(chǎn)生，因此，水泥的選擇、水泥的用量以及外加劑的配比是控制混凝土水化熱的關(guān)鍵因素。為了有效降低混凝土的水化熱，擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土的水泥用料，最終選用低熱硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥3 d水化熱為240 kJ/kg，7 d水化熱為270 kJ/kg。而低熱硅酸鹽水泥3 d水化熱為198 kJ/kg，7 d水化熱為239 kJ/kg[2]。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用60 d或90 d齡期的強(qiáng)度指標(biāo)并將其作為混凝土配合比設(shè)計(jì)、混凝土強(qiáng)度評(píng)定及工程驗(yàn)收的依據(jù)。根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度(C35)制定了初始配合比(表1)。

表1 初始配合比表 /kg

該配合比強(qiáng)度、塌落度以及入倉(cāng)溫度均能滿足設(shè)計(jì)要求，但是其水泥用量仍然較大。因此，為了盡可能減小水泥用量，在保證混凝土和易性及耐久性的基礎(chǔ)上，對(duì)初始配合比進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化的目的主要是減少水泥，同時(shí)摻加膨脹劑，以補(bǔ)償混凝土的后期收縮。最終優(yōu)化得出了以下兩種混凝土配合比(表2、3)。

表2 優(yōu)化配合比1表 /kg

表3 優(yōu)化配合比2表 /kg

其中外加劑1為減水劑，外加劑2為膨脹劑。

根據(jù)優(yōu)化后的兩種配合比進(jìn)行室內(nèi)試拌并成型混凝土試件，兩種優(yōu)化后的配合比對(duì)比情況如下：

(1)拌和物狀態(tài)。配比1混凝土的施工和易性不好，流動(dòng)性差，不利于泵送，現(xiàn)場(chǎng)施工難度大。

(2)混凝土試塊7 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明：配比1混凝土的抗壓強(qiáng)度為24.2 MPa，配比2混凝土的抗壓強(qiáng)度為27.8 MPa。

考慮到混凝土的后期強(qiáng)度以及現(xiàn)場(chǎng)施工情況，最終選用優(yōu)化配合比2為擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土澆筑配合比。

4 溫度控制

4.1 溫控指標(biāo)

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》(GB50496-2009)要求，大體積混凝土溫控指標(biāo)須符合下列規(guī)定[3]：

(1)混凝土澆筑體在入模溫度基礎(chǔ)上的溫升不宜大于50 ℃；

(2)混凝土澆筑塊體的里表溫差(不含混凝土收縮的當(dāng)量溫度)不宜大于25 ℃；

(3)混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2 ℃/d；

(4)混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20 ℃。

4.2 冷卻水管的通水方案

冷卻水管在擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土澆筑的同時(shí)通水，冷卻水采用河道內(nèi)的天然河水(澆筑期間的常溫為12 ℃)，進(jìn)出水流方向每天交替一次。冷卻水的流量應(yīng)大于30 L/min，流速大于1 m/s。冷卻水不宜過(guò)冷，冷卻水水溫與混凝土內(nèi)部的最高溫差不宜大于30 ℃，可采用循環(huán)水以及水箱進(jìn)行調(diào)溫[4]。

混凝土澆筑完成后，在其表面鋪設(shè)土工布并灑水進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)[5]。安排專人24 h對(duì)混凝土表面溫度、混凝土內(nèi)部溫度以及室外溫度進(jìn)行監(jiān)控并實(shí)時(shí)根據(jù)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)增加或減小通水流量和溫度，以保證混凝土的內(nèi)外溫差不超過(guò)25 ℃、內(nèi)部降溫速率不超過(guò)2 ℃/d。為保證施工質(zhì)量和溫控效果，連續(xù)通水的時(shí)間不宜小于12 d。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)澆筑方案、混凝土配合比以及溫度等方面進(jìn)行控制，天保灣大橋擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土施工順利完成，混凝土澆筑質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，擴(kuò)大基礎(chǔ)混凝土未產(chǎn)生影響結(jié)構(gòu)功能以及耐久性的裂縫。取得了非常好的效果。