大體積混凝土無冷卻水管施工的研究與應(yīng)用

柏國勝 陳 勉

( 四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司， 四川 成都 610071)

0 引言

雅康高速公路瀘定大渡河特大橋?yàn)橹骺?100m的鋼桁梁懸索橋，主塔高188m，承臺采用棱臺型，其中雅安岸承臺底面尺寸 28.8m × 28.8m，頂面尺寸為16.2m(縱)×12.0m(橫)，承臺總高 9.0m，混凝土總用量14953.7m3;康定岸承臺底面尺寸為32.8m×32.8m，頂面尺寸為16.2m(縱) ×12.0m(橫)，承臺總高9.0m，混凝土總用量18652.5m3，為C40 大體積混凝土，設(shè)計通過布置冷卻水管，控制內(nèi)部溫升來降低內(nèi)外溫差，避免溫度應(yīng)力過大造成大體積混凝土開裂，從而降低結(jié)構(gòu)的功能性。 通過在大體積混凝土內(nèi)布設(shè)冷卻水管雖能有效控制混凝土內(nèi)部溫度，但需要設(shè)置大量的冷卻水管，其僅能控制混凝土溫度，不能給后期結(jié)構(gòu)提供任何作用，為一次性裝置，不僅增加承臺施工工期而且造成大量的鋼材浪費(fèi)。本文研究通過合理的混凝土配比設(shè)計，按2.25m 分層高度進(jìn)行澆筑，同時加強(qiáng)混凝土過程控制和外部保溫措施，使內(nèi)外溫差在可控范圍內(nèi)，從而取消冷卻水管，避免鋼材浪費(fèi)，達(dá)到工期與成本的節(jié)約。

圖1 承臺立面圖 Fig.1 Elevation of the main tower base slab

1 混凝土配合比及性能

主塔承臺混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C40，原材料如下：

水泥：西南兆山P.O42.5 水泥；

圖2 水泥水化放熱曲線圖 Fig.2 Diagram of heat release of Cement Hydration

水化放熱量和水化放熱速率曲線的測定采用了美國TA 公司生產(chǎn)的TAM Air八通道水化微量熱儀（Isothermal Calorimetry）。該儀器測試溫度范圍為5～90℃，儀器的恒溫槽是以空氣作為冷卻介質(zhì)的（測試溫度高于室溫時需通過調(diào)節(jié)室溫保持實(shí)驗(yàn)溫度），儀器溫度可以保持高精確度（溫度波動小于±0.02 K，量熱誤差小于±20μW）和高穩(wěn)定性（散熱良好的狀態(tài)下持續(xù)測試時間可達(dá)數(shù)星期）。測試結(jié)果表明，水泥3d 水化放熱量213.47KJ/kg，7d 水化放熱量267.26KJ/kg；

粉煤灰：F 類Ⅰ級灰；

外加劑：PCA-1 聚羧酸高性能減水劑（緩凝型）；

粗骨料：5-16mm、16-31.5mm 兩級配碎石；

細(xì)骨料：機(jī)制砂，MX=2.87；

拌合水：自來水。

混凝土配合比設(shè)計與力學(xué)性能見表1、表2。

表1 C40 混凝土配合比及力學(xué)性能 Table.1 proportions mix and mechanical properties of C40 concrete

表2 C40 混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度參考值 Table.2 Reference value of C40 concrete splitting tensile strength

2 有限元計算分析

2.1 通冷卻水時計算結(jié)果

（1）溫度

主塔承臺內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差結(jié)果見表3，特征點(diǎn)溫度時程圖見圖3，3d 齡期溫度場分布見圖4。

表3 主塔承臺仿真計算結(jié)果 Table.3 Simulation results of main tower base slab

圖3 承臺中心溫度、表層溫度、內(nèi)表溫差時程圖 Fig.3 Time chart of center temperature、surface temperature and temperature difference of surface inside of the main tower base slab

圖4 承臺各層混凝土第3d 溫度場分布圖（單位：℃） Fig.4 Map of the 3d temperature field of concrete in each layer of the main tower base slab

（2）應(yīng)力

主塔承臺溫度應(yīng)力計算結(jié)果見表4，特征點(diǎn)應(yīng)力時程圖見圖5。

表4 主塔承臺仿真計算結(jié)果 Table.4 Simulation results of main tower base slab

圖5 承臺中心、表層應(yīng)力時程圖 Fig.5 time chart of center and surface stress of the main tower base slab

2.2 不通冷卻水時計算結(jié)果

（1）溫度

主塔承臺內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差結(jié)果見表5，相應(yīng)齡期溫度場分布及發(fā)展規(guī)律基本同通冷卻水條件，圖略。

表5 主塔承臺仿真計算結(jié)果 Table.5 Simulation results of main tower base slab

承臺第三層 62.4 20.3 3d 承臺第四層 60.9 20.0 3d

（2）應(yīng)力結(jié)果

主塔承臺溫度應(yīng)力計算結(jié)果見表6，相應(yīng)齡期應(yīng)力場分布及發(fā)展規(guī)律基本同通冷卻水條件，圖略。

表6 主塔承臺仿真計算結(jié)果 Table.6 Simulation results of main tower base slab

2.3 計算結(jié)果分析

承臺各澆筑層應(yīng)力發(fā)展規(guī)律為：混凝土早期膨脹，3d 應(yīng)力發(fā)展較快，集中于構(gòu)件上表面及側(cè)面，為內(nèi)表溫差引起的拉應(yīng)力；混凝土后期收縮，7d 后有部分應(yīng)力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并逐漸發(fā)展至穩(wěn)定水平。中后期于第一層系梁變截面處產(chǎn)生一定應(yīng)力集中。

通冷卻水承臺內(nèi)部最高溫度為55.0～57.0℃；最大內(nèi)表溫差為16.9～18.0℃，混凝土最高溫度與最大內(nèi)外溫差均出現(xiàn)第3 天；3d 最大溫度應(yīng)力0.85～0.96Mpa，7d最大溫度應(yīng)力0.72～1.00MPa，28d 最大溫度應(yīng)力0.82～2.21MPa，3d、7d、28d 溫度應(yīng)力均小于同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度（劈裂抗拉強(qiáng)度3d 為1.5MPa、7d 為2.8MPa、28d 為3.5MPa），有較高的安全系數(shù)。

不通冷卻水管承臺內(nèi)部最高溫度（第一層60.1℃，第二層61.3℃，第三層62.4℃，第四層60.9℃）；最大內(nèi)表溫差（第一層20.1℃，第二層19.9℃，第三層20.3℃，第四層20.0℃）；混凝土最高溫度與最大內(nèi)外溫差均出現(xiàn)第3 天，均符合《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496-2009）“混凝土實(shí)際溫升不超過50℃”，“內(nèi)表溫差小于25℃”的規(guī)定；3d 最大溫度應(yīng)力（第一層1.03Mpa，第二層1.05Mpa，第三層1.06Mpa，第四層1.04Mpa），7d 最大溫度應(yīng)力（第一層1.21Mpa，第二層0.93Mpa，第三層1.02Mpa，第四層0.85Mpa），28d 最大溫度應(yīng)力（第一層2.45Mpa，第二層2.13Mpa，第三層1.72Mpa，第四層1.04Mpa），3d、7d、28d 溫度應(yīng)力均小于同齡期的劈裂抗拉強(qiáng)度（劈裂抗拉強(qiáng)度3d 為1.5MPa、7d 為2.8MPa、28d 為3.5MPa），3d、7d、28d 最小安全系數(shù)均大于1.5，抗開裂能力較強(qiáng)，在不通水條件下，可滿足施工要求

2.4 溫控措施

控制入模溫度小于28℃：①加強(qiáng)水泥、砂石等原材料溫度控制：嚴(yán)格控制水泥溫度，使其不超過60℃；②控制骨料溫度28℃以內(nèi)，粗細(xì)骨料堆場應(yīng)搭設(shè)遮陽棚，堆高并從底層取料，當(dāng)溫度超過28℃時，可抽大渡河水冷卻，但必須定期準(zhǔn)確測試石料含水率，及時調(diào)整用水量，以控制水膠比不變；③利用大渡河水控制拌和水溫低于15℃；④加大混凝土的拌合量，縮短層間澆筑時間，避免熱交換導(dǎo)致溫升提高；⑤延長混凝土的凝結(jié)時間，初凝時間控制在21h 以上，承臺分層澆筑，每層澆筑時分50cm 澆筑一層，在澆筑過程中，應(yīng)避免中午陽光直射，造成水分蒸發(fā)，表面形成硬殼，從而引起開裂與冷縫；應(yīng)注意50cm 層表面保濕，定期噴灑水霧，但不能噴水過多，以免影響混凝土水膠比；⑥澆筑完成后，在混凝土初凝前應(yīng)注意表面噴水霧保濕，凝結(jié)后應(yīng)立即鑿毛處理，清理干凈后蓄水20cm 養(yǎng)護(hù)；⑦計算澆筑間隔期為7d，應(yīng)注意避免澆筑間隔期過長引起承臺約束過大；⑧每層脫模時間不得早于3～4d，以避免脫模過早而保溫保濕養(yǎng)護(hù)不到位造成裂縫。

3 現(xiàn)場施工驗(yàn)證

雅康高速瀘定大渡河特大橋首幅承臺按2.25m 分層，為避免仿真計算和現(xiàn)場實(shí)際出現(xiàn)較大偏差，發(fā)生內(nèi)部溫度與內(nèi)表溫差過大，導(dǎo)致承臺結(jié)構(gòu)出現(xiàn)無法彌補(bǔ)的工程質(zhì)量問題，所以首幅承臺在施工過程中按設(shè)計要求布設(shè)了冷卻水管，同時考慮對承臺全過程監(jiān)控，實(shí)時了解溫度變化情況，在澆筑混凝土前在內(nèi)部和外部相應(yīng)位置布設(shè)了溫控原件，相關(guān)數(shù)據(jù)如下：

3.1 檢測數(shù)據(jù)成果

圖6 承臺混凝土各層內(nèi)部中心溫度實(shí)測時程圖 Fig.6 time chart of the center temperature inside each layer of the main tower base slab

圖7 承臺混凝土各層內(nèi)外溫差實(shí)測時程圖 Fig.7 time chart of temperature difference between the inside and outside of each layer of the main tower base slab

表7 承臺混凝土各層溫度檢測綜合成果一覽表 Table.7 List of comprehensive results of temperature detection in each layer of concrete in the the main tower base slab

3.2 檢測數(shù)據(jù)分析

（1）由斷面溫度過程線可知，承臺砼溫度變化都有一個先急劇升溫后緩慢降溫的特征，直到最后達(dá)準(zhǔn)穩(wěn)定階段。升溫階段一般只有2～3 天，升溫達(dá)到峰值后，高溫峰值時間較短，一般約6～8h。

（2）不通冷卻水的情況下，承臺各層斷面最大內(nèi)表溫差在17.4～20.5 之間，均低于溫度設(shè)計要求的25℃，因此承臺不會出現(xiàn)溫度裂縫。

（3）從斷面溫度過程線圖可知，砼峰值出現(xiàn)后，砼降溫速率不盡相同，這與各層砼澆筑時層厚、澆筑溫度、氣溫和澆筑位置以及保溫保濕措施有關(guān)。

4 結(jié)語

通過雅康高速瀘定大渡河特大橋承臺大體積混凝土施工的數(shù)值模擬與現(xiàn)場溫度實(shí)測數(shù)據(jù)分析，明確了采用合理的配合比設(shè)計、分層澆筑厚度設(shè)計以及外部溫度控制措施能夠使大體積混凝在不采用冷卻水進(jìn)行內(nèi)部降溫的情況下實(shí)現(xiàn)內(nèi)部溫升和內(nèi)表溫差控制在規(guī)范及設(shè)計要求的范圍，其節(jié)約了因布設(shè)冷卻水管導(dǎo)致的工期延長和材料的浪費(fèi)，從而降低施工成本。