深埋式承臺(tái)大體積混凝土溫度控制技術(shù)

馮前進(jìn)，周日喻，張 楠，孫勁聲

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

1 工程概況

在建設(shè)增城區(qū)石灘東西大道時(shí)，其具體的施工位置為廣東省廣州市增城區(qū)石灘鎮(zhèn)，本標(biāo)段為第三標(biāo)段，路線長(zhǎng)1.798 km，其中石灘大橋主橋跨越增江，大橋的形式為分幅雙塔三跨矮塔斜拉橋，橋跨設(shè)置為83 m+148 m+83 m。

13#、14#主墩承臺(tái)為整體式，尺寸49.25 m(長(zhǎng))×12 m(寬)×3.5 m(高)，混凝土為C30，單個(gè)承臺(tái)方量為2 068.5 m3，單個(gè)承臺(tái)混凝土一次性澆筑完成。圖1為承臺(tái)立面圖。

圖1 承臺(tái)立面圖(單位：mm)

2 施工準(zhǔn)備

在對(duì)大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力進(jìn)行控制時(shí)困難重重，影響因素比較多。對(duì)此，應(yīng)詳細(xì)分析溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因，落實(shí)好原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)等工作，保證大體積混凝土的施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 材料選擇

為減少單位水泥用量，降低水化熱，延長(zhǎng)混凝土初凝時(shí)間，必須做好承臺(tái)混凝土原材料挑選和預(yù)控技術(shù)措施[1]。本工程采用自制混凝土澆筑。①水泥：臺(tái)泥(英德)P·O42.5R 水泥；②碎石：5 mm～31.5 mm 連續(xù)級(jí)配碎石；③砂：中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；④外加劑：由哈爾濱強(qiáng)石新材料技術(shù)開(kāi)發(fā)股份有限公司QSH-1000緩凝高效減水劑；⑤粉煤灰：FⅡ類級(jí)；⑥拌合用水：拌合用水應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范規(guī)定。

2.2 混凝土配合比

承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，在規(guī)范范圍內(nèi)，摻加粉煤灰摻合料，降低混凝土的水化熱，減少溫度應(yīng)力產(chǎn)生。混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比

2.3 冷卻水管

主塔承臺(tái)混凝土內(nèi)按水平縱橫交錯(cuò)布設(shè)3層冷卻水管，冷卻水管為φ42.25 mm薄壁鋼管，第1層水管距離底部75 cm，第2層距離底部175 cm，第3層距離底部275 cm，水平間距100 cm。當(dāng)冷卻水管位置與主筋及鋼絞線有沖突時(shí)可適當(dāng)挪動(dòng)水管位置。冷卻水管立面布置圖如圖2所示。

圖2 冷卻水管立面布置圖(單位：mm)

2.4 測(cè)溫元件的布置

根據(jù)構(gòu)件對(duì)稱性的特點(diǎn)，選取構(gòu)件的1/4塊布置測(cè)點(diǎn)。在布設(shè)溫度測(cè)點(diǎn)時(shí)，其具體的內(nèi)容包括內(nèi)部溫度測(cè)點(diǎn)和表面溫度測(cè)點(diǎn)等內(nèi)容，以溫度場(chǎng)的分布規(guī)律為基礎(chǔ)，承臺(tái)混凝土的布設(shè)層數(shù)為3層，測(cè)點(diǎn)數(shù)量為21個(gè)。

2.5 溫控計(jì)算

2.5.1 材料參數(shù)

參考有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及工程試驗(yàn)結(jié)果，承臺(tái)C30混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度、彈性模量、熱學(xué)參數(shù)、自生體積變形取值如下。

1)在7 d、14 d、28 d、60 d齡期內(nèi)，劈裂抗拉強(qiáng)度的取值為2.2 MPa、3.31 MPa、4.11 MPa、4.3 MPa。

2)彈性模量取值。3 d、7 d、28 d、60 d彈性模量取值分別為2.04×104MPa、2.9×104MPa、3.76×104MPa、3.94×104MPa。

3)熱學(xué)參數(shù)。線膨脹系數(shù)1/T為1×10-5，導(dǎo)溫系數(shù)為0.068 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)為2.3 kcal/(m·h·℃)。

4)3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、60 d、90 d、180 d齡期內(nèi)，自生體積變形的具體情況為2.11×10-6、15.54×10-6、18.03×10-6、6.09×10-6、-3.89×10-6、-7.47×10-6、-12.07×10-6、-29.30×10-6(負(fù)值代表收縮)。

水泥水化熱試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水泥水化熱試驗(yàn)結(jié)果

2.5.2 計(jì)算結(jié)果及分析

使用大型有限元程序來(lái)完成溫控計(jì)算工作，以承臺(tái)的結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，選取承臺(tái)的1/4來(lái)計(jì)算網(wǎng)格剖分，具體情況如圖3所示。

1)計(jì)算模型及假定。①承臺(tái)混凝土按一次澆筑成型；②計(jì)算時(shí)考慮冷卻水管降溫效果；③承臺(tái)混凝土受鉆孔樁和封底混凝土的約束，計(jì)算時(shí)取彈模為3.5×104MPa；④計(jì)算時(shí)考慮混凝土表面的保溫，根據(jù)承臺(tái)四周邊界條件取相同的散熱系數(shù)，承臺(tái)頂面為第三類邊界條件(向空氣散熱)，取散熱系數(shù)為1.11 m/d；⑤導(dǎo)溫系數(shù)依據(jù)配合比取為0.107 m2/d；⑥計(jì)算時(shí)考慮徐變、自生體積變形對(duì)混凝土應(yīng)力的影響。

圖3 承臺(tái)網(wǎng)格剖分圖(取1/4承臺(tái))

2)溫控計(jì)算結(jié)果。溫度計(jì)算結(jié)果：承臺(tái)支撐于墊層上，總體溫度分布為邊緣溫度低，中心溫度高，其中內(nèi)部最高溫度為54.9℃，出現(xiàn)時(shí)間為澆筑后3 d，最大溫差24.8℃。

在計(jì)算仿真應(yīng)力時(shí)，承臺(tái)頂面出現(xiàn)了最大的拉應(yīng)力，其隨著齡期的變化而發(fā)生改變，在60 d時(shí)達(dá)到最大值。同強(qiáng)度等級(jí)混凝土的容許劈裂抗拉強(qiáng)度要大于混凝土的主拉應(yīng)力，混凝土的抗裂安全系數(shù)應(yīng)>1.2。

3 承臺(tái)大體積混凝土施工溫度控制措施

3.1 溫控控制標(biāo)準(zhǔn)

以相關(guān)規(guī)范要求為基礎(chǔ)，對(duì)該工程的實(shí)際施工情況進(jìn)行詳細(xì)分析，溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)為：承臺(tái)混凝土最大水化熱溫度保持在75℃以內(nèi)，最大內(nèi)表溫差要控制在25℃以內(nèi)，混凝土表面養(yǎng)護(hù)水溫度與表面溫度的差值要控制在15℃以內(nèi)，混凝土的最大降溫速率要保持在2.0℃/d之內(nèi)。

3.2 混凝土澆筑溫度的控制

在運(yùn)輸、泵送、澆筑和振搗混凝土?xí)r，不僅會(huì)與大氣和倉(cāng)面環(huán)境產(chǎn)生熱交換，而且會(huì)與混凝土運(yùn)輸車(chē)車(chē)鼓、泵送管內(nèi)壁、模板、鋼筋以及混凝土內(nèi)部產(chǎn)生摩擦，這些因素使得混凝土的溫度出現(xiàn)持續(xù)上升，混凝土的溫度主要來(lái)源于水化熱、摩擦和熱傳遞。

1)在冷卻骨料時(shí)，使用的主要措施為噴霧、通風(fēng)、搭建遮陽(yáng)棚和增加儲(chǔ)存量。

2)在冷卻膠材時(shí)，使用的主要措施為倒倉(cāng)、轉(zhuǎn)運(yùn)和延長(zhǎng)儲(chǔ)存時(shí)間，水泥溫度要保持在60℃以內(nèi)，粉煤灰的溫度要保持在40℃以內(nèi)。

3)盡量?jī)?yōu)選澆筑時(shí)間，施工避開(kāi)高溫日曬時(shí)段。

4)使用反復(fù)淋水降溫的方式處理運(yùn)輸罐車(chē)，使用濕麻袋或者濕罩布覆蓋泵送管道，防止陽(yáng)光長(zhǎng)時(shí)間照射造成不良影響。

3.3 混凝土澆筑分層厚度

承臺(tái)高度3.5 m，采用一次澆筑，澆筑時(shí)應(yīng)分層，每層厚度30～40 cm，避免混凝土過(guò)厚導(dǎo)致混凝土溫升過(guò)高。

3.4 冷卻水管通水控制

當(dāng)混凝土澆筑施工達(dá)到冷卻水管標(biāo)高位置時(shí)方可通水，使用循環(huán)淡水充當(dāng)冷卻水?；炷辽郎爻跗诓捎猛庋h(huán)，即冷卻出水直排并不間斷補(bǔ)充淡水以最大程度冷卻混凝土；混凝土內(nèi)部溫度與進(jìn)水溫度之差達(dá)到25℃后改為內(nèi)循環(huán)，即冷卻出水回到循環(huán)水箱，根據(jù)需要補(bǔ)充淡水，在充分冷卻混凝土的前提下盡量避免進(jìn)水溫度過(guò)低給混凝土造成冷擊；溫峰值過(guò)后，以溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果為依據(jù)，混凝土內(nèi)部最高溫度與冷卻水進(jìn)水溫度差要保持在25℃之內(nèi)，在控制冷卻水流量時(shí)要使用單獨(dú)的水閥，將混凝土降溫速率控制在2.0℃/d之內(nèi)。

3.5 保溫、養(yǎng)護(hù)

在養(yǎng)護(hù)大體積混凝土?xí)r，從溫度和濕度兩個(gè)方面著手。采取措施提升混凝土保溫養(yǎng)護(hù)的效果，將混凝土內(nèi)部溫差控制到最低。氣溫較低時(shí)施工以保溫養(yǎng)護(hù)為主，氣溫較高時(shí)施工以保濕養(yǎng)護(hù)為主。

在開(kāi)展養(yǎng)護(hù)施工任務(wù)時(shí)，依據(jù)環(huán)境溫度、混凝土表面溫度和混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)養(yǎng)護(hù)制度和養(yǎng)護(hù)策略進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，混凝土表面與混凝土內(nèi)部的溫差控制在25℃以內(nèi)，混凝土表面與環(huán)境的溫差控制在20℃以內(nèi)。同時(shí)，混凝土在整個(gè)養(yǎng)護(hù)期間和降溫過(guò)程中，應(yīng)采取措施保護(hù)混凝土濕度不發(fā)生損失。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的混凝土內(nèi)部溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，其最終的測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3。

4.2 數(shù)據(jù)分析

分析檢測(cè)數(shù)據(jù)信息可發(fā)現(xiàn)，主墩承臺(tái)混凝土內(nèi)部溫度變化表現(xiàn)出來(lái)的特點(diǎn)為急劇升溫后緩慢下降，直到達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

通過(guò)對(duì)溫度曲線進(jìn)行分析，溫度曲線分為三個(gè)階段：升溫階段、強(qiáng)制降溫階段和自然降溫階段。其中降溫階段比升溫階段時(shí)間要長(zhǎng)得多。

1)在升溫的過(guò)程中，水化熱溫度持續(xù)升高，混凝土入模以后，水化反應(yīng)比較強(qiáng)烈，在36 h后達(dá)到最大值，持續(xù)1～4 h以后，出現(xiàn)回落的情況。

2)在使用強(qiáng)制降溫措施以后，冷卻水管在持續(xù)作用的影響下，混凝土溫度出現(xiàn)了大幅度降低的情況，此時(shí)降溫速度也比較快。

3)在自然降溫的過(guò)程中，溫度變化曲線比較平緩，逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。平穩(wěn)降溫為混凝土的正常冷卻奠定了良好的基礎(chǔ)，并將降溫速率和溫差控制對(duì)混凝土造成的變形應(yīng)力控制到最小的范圍。

5 結(jié)束語(yǔ)

在承臺(tái)施工的過(guò)程中，采取積極的措施控制大體積混凝土的溫度取得了良好的效果，值得同類型工程項(xiàng)目借鑒和學(xué)習(xí)。

1)對(duì)于大體積混凝土溫控，混凝土配合比及其材料性質(zhì)對(duì)于溫控具有決定性意義。

2)采用有限元程序進(jìn)行溫控計(jì)算，為現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫控控制提供依據(jù)。

3)在控制冷卻水管通水時(shí)間和溫度時(shí)，要以混凝土的內(nèi)部溫度變化為依據(jù)。

4)在控制混凝土裂縫問(wèn)題時(shí)，采取的主要措施為保溫保濕養(yǎng)護(hù)，這也是整個(gè)工程項(xiàng)目施工的主要內(nèi)容。

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