仙新路大橋承臺(tái)大體積混凝土防裂技術(shù)研究

錢 越

(南京市公共工程建設(shè)中心,江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著橋梁的發(fā)展壯大,大跨徑橋梁行業(yè)進(jìn)入了新的篇章。而承臺(tái)作為基礎(chǔ)的重要結(jié)構(gòu),承受荷載大,質(zhì)量要求高,是當(dāng)前橋梁工程施工的重難點(diǎn)。大體積混凝土施工內(nèi)部熱量和表面熱量存在較大的差異,這會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力的出現(xiàn),加大混凝土裂縫發(fā)生的幾率,既對(duì)工程美觀性能造成影響,還有很大可能對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重影響,甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)無(wú)法使用,所以,大體積混凝土裂縫的控制是非常關(guān)鍵的。項(xiàng)目特點(diǎn)和控裂重難點(diǎn)如下:1)混凝土方量大(承臺(tái)23 816 m3);混凝土升溫速率控制不當(dāng),將導(dǎo)致開裂。2)本項(xiàng)目大體積混凝土在低溫狀態(tài)下施工。工程所在地氣溫較低,混凝土凍害預(yù)防、保溫養(yǎng)護(hù)難度較大。3)承臺(tái)長(zhǎng)寬比較大(接近2∶1),因長(zhǎng)寬方向膨脹收縮量差異較大,在長(zhǎng)邊更容易出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。

1 工程概述

本項(xiàng)目大橋?yàn)橹骺? 760 m的雙塔單跨懸索橋。承臺(tái)為長(zhǎng)方形承臺(tái),結(jié)構(gòu)尺寸為74.8 m×39.8 m×8 m,采用C35混凝土。塔座呈棱臺(tái)形,采用C40混凝土,頂面尺寸為14.5 m(橫橋向)×18.0 m(順橋向),底面尺寸18.5 m(橫橋向)×22 m(順橋向),高度為3.5 m(如圖1所示)。

2 大體積混凝土仿真計(jì)算

2.1 混凝土配合比及性能指標(biāo)

配合比見(jiàn)表1。

表1 C35承臺(tái)混凝土配合比 kg/m3

混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2?；炷廖锢頍釋W(xué)參數(shù)根據(jù)混凝土配合比進(jìn)行計(jì)算,線膨脹系數(shù)、泊松比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值[1],結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 C35承臺(tái)混凝土實(shí)測(cè)工作性能及力學(xué)性能指標(biāo)

表3 混凝土物理熱學(xué)參數(shù)

2.2 模型參數(shù)

構(gòu)件尺寸:結(jié)構(gòu)為矩形,尺寸為39.8 m×74.8 m×8.0 m;塔座為棱臺(tái)形,尺寸為(14.5～18.5)m×(18.0～22.0)m×3.5 m。

約束條件:墊層50 cm,采取水下C30。

分層分塊:總體分2次,第一層澆筑厚度為4.0 m,第二層澆筑為4.0 m+0.5 m塔座預(yù)澆段。

由于本結(jié)構(gòu)對(duì)稱,因此可以取承臺(tái)、0.5 m塔座的1/4進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算模型網(wǎng)格剖分圖見(jiàn)圖2。

2.3 邊界條件

澆筑邊界條件如表4所示。

表4 大體積混凝土邊界條件

1)環(huán)境溫度:主墩大體積混凝土預(yù)計(jì)工期為2021年1月中旬—2021年3月上旬。

2)澆筑溫度:混凝土于低溫期施工,根據(jù)氣溫進(jìn)行估算,按照澆筑溫度下限控制,澆筑溫度控制為不小于5 ℃。

3)養(yǎng)護(hù)方法:低溫期施工側(cè)面帶模并覆蓋保溫層,上表面覆蓋保溫層。

4)冷卻水:承臺(tái)縱橫交錯(cuò)布置布設(shè)冷卻水管,水管水平間距、豎管間距100 cm。承臺(tái)豎向布置為0.5 m+1.0 m×3 +0.5 m(見(jiàn)圖3),通水時(shí)間為7 d,承臺(tái)施工入水溫度取為 18 ℃,水管內(nèi)徑40 mm,水流量取為1.5 m3/h。

2.4 溫度計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)內(nèi)部的最高溫度、最大內(nèi)表溫差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 溫度計(jì)算結(jié)果 ℃

結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見(jiàn)圖4。溫度控制的核心為“外保內(nèi)散”,即內(nèi)部加強(qiáng)通水降溫、外部加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)保溫。

2.5 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

各齡期溫度應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果如表6所示。均滿足要求,抗裂安全性較高。

表6 溫度應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算可知,澆筑完成3 d應(yīng)力發(fā)展最為迅速,后期混凝土收縮,3 d后趨于平緩。因此需采取措施降低混凝土內(nèi)部最高溫度,同時(shí),提高表面溫度,使得內(nèi)部溫度和表面溫度差值不超過(guò)規(guī)范值。

2.6 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

混凝土溫度控制的原則是:1)控制混凝土澆筑溫度。2)降低溫度上升的速率,使最高溫度出現(xiàn)晚。3)在達(dá)到溫峰之后,采取措施降低降溫速率。4)降低混凝土內(nèi)表溫差,新舊混凝土溫差。5)控制混凝土表面溫度與外部環(huán)境溫度的差異。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和相關(guān)規(guī)范要求,并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際。本項(xiàng)目溫控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表7。

表7 溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

3 施工控制措施

3.1 混凝土澆筑質(zhì)量控制

3.1.1 混凝土原材料質(zhì)量控制

混凝土施工期間,為了減少由于原材料質(zhì)量問(wèn)題影響過(guò)大而造成混凝土性能受損,在原料性能指標(biāo)達(dá)到要求的前提下,對(duì)各批次的原料性能指標(biāo)的波動(dòng)(不超過(guò)±10%),盡可能控制[2-3]。

大體積混凝土水化熱發(fā)展受減水劑的凝結(jié)時(shí)間影響顯著,低溫期施工大體積混凝土在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)溫濕度下試拌的混凝土初凝時(shí)間要求為20 h～25 h,給定配合比的初凝時(shí)間C35為30 h,C40為21 h,能滿足混凝土大體積的緩凝要求。

3.1.2 混凝土生產(chǎn)質(zhì)量控制

專門設(shè)儲(chǔ)存?zhèn)}儲(chǔ)存各種原材料。在混凝土攪拌前,要對(duì)集料的含水量的變化進(jìn)行嚴(yán)格測(cè)定,以便施工配合比的及時(shí)調(diào)整。保證混凝土在入模后不分層、不離析,混凝土應(yīng)具有較好的黏聚性、勻質(zhì)性。

3.1.3 混凝土運(yùn)輸、澆筑和振搗質(zhì)量控制

1)保證混凝土運(yùn)輸過(guò)程中的整齊劃一。2)優(yōu)化混凝土布面方式:橫向分層次連續(xù)澆筑混凝土。3)優(yōu)化分層澆筑厚度:嚴(yán)格控制不大于30 cm。4)混凝土振搗正確。5)混凝土浮漿控制:在保證可泵送前提下,降低坍落度。6)收漿抹面:混凝土振搗后,暴露面至少要進(jìn)行二次及時(shí)的抹壓和收漿處理。

3.2 混凝土澆筑溫度控制

承臺(tái)混凝土施工時(shí)間預(yù)計(jì)2021年1月—2021年3月,所處位置氣溫較低,為低溫期施工,混凝土有防凍害需求,需嚴(yán)格控制混凝土澆筑溫度下限。

3.2.1 澆筑溫度下限對(duì)應(yīng)氣溫條件確定

根據(jù)表7要求,混凝土入模需控制為不小于5 ℃且不大于30 ℃。為防止混凝土凍害發(fā)生,首先需確定澆筑溫度不小于5 ℃對(duì)應(yīng)氣溫條件,根據(jù)氣溫情況對(duì)澆筑溫度進(jìn)行控制。

通過(guò)計(jì)算,C35混凝土出機(jī)口溫度在最低氣溫-6 ℃時(shí)為6.8 ℃。低溫期施工時(shí),混凝土在運(yùn)輸、泵送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生溫降(約-1 ℃),當(dāng)氣溫不小于-6 ℃時(shí)可通過(guò)常規(guī)控制確保混凝土澆筑溫度不小于5 ℃(見(jiàn)表8)。

表8 出機(jī)口溫度(氣溫-6 ℃時(shí))

3.2.2 低溫期施工混凝土澆筑溫度控制

由以上計(jì)算可知,當(dāng)氣溫不小于-6 ℃時(shí),澆筑混凝土的溫度不小于5 ℃。若出現(xiàn)氣溫小于-6 ℃的極端天氣,要采取相應(yīng)措施,使各種原材料溫度升高。主要有:1)拌制混凝土?xí)r采用(40±5)℃的熱水;2)采用保溫防寒被對(duì)拌合站原材料儲(chǔ)存罐進(jìn)行包裹;3)采用黑色棉篷布、土工布或保溫防寒被等對(duì)罐車進(jìn)行包裹,避免因混凝土受凍而損失熱量,確保澆筑溫度高于規(guī)定溫度。

3.3 冷卻水管的布設(shè)及控制

承臺(tái)分上下兩層澆筑,每層均有4層冷卻水管縱橫交錯(cuò)。水管的水平布設(shè)間距為80 cm～100 cm,垂直布設(shè)間距為85 cm～100 cm(承臺(tái)第一層為85 cm以避開底層鋼筋);奇數(shù)層布設(shè)20套水管,偶數(shù)層布設(shè)19套水管,每套水管均設(shè)一個(gè)進(jìn)出水口,每套水管長(zhǎng)度不超過(guò)200 m。

主墩承臺(tái)澆筑層均現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)4個(gè)獨(dú)立水箱、4個(gè)分水器,每個(gè)分水器20個(gè)閥門,每個(gè)水箱一個(gè)補(bǔ)給水泵(1號(hào)、2號(hào)水箱分別配備7.5 kW水泵;3號(hào)、4號(hào)水箱共用18 kW水泵),兩水箱之間設(shè)置一個(gè)增壓泵(1.5 kW)。

1號(hào)水箱分別控制第一層及第四層編號(hào)為1號(hào)—10號(hào) 的水管的循環(huán)系統(tǒng)。

2號(hào)水箱分別控制第二層及第三層編號(hào)為1號(hào)—10號(hào) 的水管的循環(huán)系統(tǒng)。

3號(hào)水箱分別控制第一層編號(hào)為11號(hào)—20號(hào)的水管及第四層編號(hào)為11號(hào)—19號(hào)的水管的循環(huán)系統(tǒng)。

4號(hào)水箱分別控制第二層編號(hào)為11號(hào)—19號(hào)的水管及第三層編號(hào)為11號(hào)—20號(hào)的水管的循環(huán)系統(tǒng)。

3.4 混凝土澆筑間歇期控制

各層混凝土澆筑間歇時(shí)間控制在7 d～10 d,以避免下層混凝土對(duì)上層新澆筑混凝土產(chǎn)生過(guò)大固結(jié)約束導(dǎo)致開裂。

3.5 拆模時(shí)間控制

混凝土拆模時(shí)間按齡期和實(shí)測(cè)溫度雙控:澆筑完成5 d后;且需確認(rèn)混凝土內(nèi)表溫差在15 ℃以下,混凝土表面溫度與環(huán)境溫度的差異在20 ℃以下,方可拆模。

3.6 養(yǎng)護(hù)控制

較低的溫度時(shí)需要保溫養(yǎng)護(hù),減小內(nèi)表溫差。溫度高時(shí),需要減小混凝土收縮對(duì)表面造成的應(yīng)力,需采取保濕養(yǎng)護(hù)措施。

4 大體積混凝土施工方法

4.1 混凝土的拌和

混凝土出機(jī)口溫度不宜過(guò)高,應(yīng)盡可能降低。必要時(shí)可采取措施進(jìn)行降溫,一般情況下,混凝土出機(jī)口溫度控制在6 ℃左右。

嚴(yán)格控制混凝土的拌和時(shí)間,保證混凝土的均勻性、和易性。

4.2 混凝土的澆筑

如果新澆筑的混凝土與上一層混凝土未進(jìn)行初凝前覆蓋并搗實(shí),就容易出現(xiàn)冷縫。冷縫的形成還會(huì)受到結(jié)構(gòu)尺寸、鋼筋的疏密、預(yù)埋管、混凝土的供應(yīng)以及水化熱的作用。本工程因承臺(tái)尺寸較大,水平分層分區(qū)域澆筑每層澆筑厚度不大于30 cm,并重點(diǎn)對(duì)結(jié)合部位混凝土加強(qiáng)振搗且振搗均勻。分區(qū)域進(jìn)行每層承臺(tái)混凝土的澆筑,混凝土澆筑按照先從橫橋向兩端向中間分層推進(jìn)(奇數(shù)層),然后再?gòu)闹虚g向兩端推進(jìn)(偶數(shù)層),來(lái)回循環(huán)澆筑,直至完成混凝土澆筑。澆筑方式見(jiàn)圖5,圖6[4-5]。

澆筑后3 h～4 h內(nèi)用水平刮尺初步刮平,然后用木抹子搓平壓實(shí),最后用鋼抹子收面,避免混凝土表面水泥漿厚的現(xiàn)象發(fā)生。為防止表面龜裂,初凝前至少保證收面3遍～5遍。

5 異常情況處理

1)氣溫變化:在承臺(tái)施工和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中,密切關(guān)注天氣預(yù)報(bào),如果遇到氣溫驟降,可以推遲新混凝土的澆筑,在已澆筑完成的構(gòu)件頂面、側(cè)面增設(shè)防雨布。

2)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)故障:冷卻水管采用支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行固定,為防止漏水,需提前進(jìn)行通水,檢查水管的密封情況,如有漏水,采取熱縮管或者膠布密封好。要派專人檢查通水的情況,配備發(fā)電機(jī),避免因?yàn)橥ｋ妼?dǎo)致冷卻水供應(yīng)不足。

3)數(shù)據(jù)超標(biāo):如果混凝土澆筑溫度超過(guò)目標(biāo)值,需及時(shí)對(duì)原材料采取一定的保溫措施(如加熱拌合水等),確?；炷翝仓囟忍幱诳煽胤秶?避免混凝土凍害發(fā)生。

如果混凝土內(nèi)外溫差較大,可增加進(jìn)水流量、降低進(jìn)水溫度,以加強(qiáng)內(nèi)部降溫,或加強(qiáng)外部保溫,提高保溫層厚度,做到外保內(nèi)散。

如果構(gòu)件內(nèi)部降溫速率過(guò)快,冷卻水的進(jìn)水流量或溫度應(yīng)及時(shí)調(diào)整,必要時(shí)關(guān)停冷卻水管[6]。

6 結(jié)論

南京仙新路跨江大橋南塔承臺(tái)大體積混凝土施工通過(guò)仿真技術(shù)分析和施工過(guò)程中的監(jiān)測(cè),以及一系列溫度控制措施,得出以下結(jié)論:

1)承臺(tái)混凝土早期水化熱溫度成線性增長(zhǎng),在澆筑完成后70 h達(dá)到峰值,之后溫度下降直至穩(wěn)定,由此引起的拉應(yīng)力最大。

2)溫度達(dá)到峰值時(shí),內(nèi)表溫差造成的拉應(yīng)力主要集中于混凝土表面,以及承臺(tái)第二層混凝土面與塔座的交接處。

3)采取在混凝土內(nèi)部布設(shè)冷卻水管、混凝土頂面和側(cè)面覆蓋保溫層等措施,能有效預(yù)防早期裂縫的出現(xiàn)。