朝阳大桥主墩承台大体积混凝土温控过程

吴志卿

（红谷滩园林建设集团有限公司,江西南昌 330038）

朝阳大桥主墩承台大体积混凝土温控过程

吴志卿

（红谷滩园林建设集团有限公司,江西南昌 330038）

大体积混凝土有害裂缝产生的主因是混凝土中胶凝材料水化热快速升高引起的温差应力与混凝土本身强度增长慢之间矛盾发展的直接结果。提前采取措施控制大体积混凝土的内、外温度及内外温差能有效预控大体积混凝土裂缝的产生,是混凝土质量控制的重点。

主墩承台；大体积混凝土；温控；水化热；裂缝

根据规定,混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的大体量混凝土,或预计会因混凝土温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土,称之为大体积混凝土[1]。大体积混凝土的施工特点：结构体积大,工程条件复杂,施工技术要求高,水泥水化热较大(预计超过25℃),易使结构物产生温度变形。除了最小断面和内外温度有一定的规定外,大体积混凝土对平面尺寸也有一定限制。因为平面尺寸过大,约束作用所产生的温度力也愈大,如采取控制温度措施不当,温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时,则易产生裂缝[2]。

南昌朝阳大桥工程通航孔主塔共含有6个主墩承台,承台高6.5 m,为六角形结构,圆弧包角,平面尺寸为宽18 m、长30 m,混凝土方量2 775 m3,混凝土强度C40。因此,朝阳大桥通航孔主墩承台混凝土属于大体积混凝土。下文拟以朝阳大桥主墩承台大体积混凝土温控实践为例,对采取温控措施预防、控制此类大体积混凝土裂缝产生进行分析。

1 温控措施

1.1 浇筑分层的确定

为降低混凝土内部温升值,宜尽量多分层浇筑,但同时必须考虑分层对结构受力的不利影响,以及对施工便利性及进度的影响。综合以上因素,将承台厚度分为2层,分层厚度为：3 m+3.5 m,第1次浇筑方量约为1 285 m3,第2次浇筑方量为1 490 m3。

1.2 混凝土原材料和拌合温度控制

为减少单位水泥用量,降低水化热,延长混凝土初凝时间,承台混凝土原材料必须作好原材挑选和原材的预控技术措施。水泥拟选用P.S 42.5的矿渣硅酸盐水泥,以降低初期水化热。拌合时水泥温度不得过高,以免影响混凝土拌和物的搅拌温度。采用外加剂以减少水泥用量,从而为降低承台混凝土的温升开创条件。外掺剂的加入主要以考虑增强内部密实度、控制水泥水化热、降低温度和温差为主。在承台混凝土的级配中要尽量减少水泥用量,除了选择骨料和缓凝减水剂等能减少水泥用量之外,在保证混凝土抗压强度和坍落度的同时,还可以掺加适量的粉煤灰和矿粉来降低水泥用量和水化热。混凝土拌制用水采用地下水,选择的拌合站地下水温度控制在20°以下;当气温较高时,混凝土拌合前对水加入冰块以降温[3]。

1.3 承台混凝土配合比

承台混凝土配合比设计原则如下：1)在保证混凝土强度和坍落度的前提下,降低水泥用量,采用早期水化热低的矿渣水泥和优质掺合料,减小水灰比;加大骨料粒径,增加碎石用量,采用低含泥量的砂、碎石材料(控制含泥量1%以内),改善骨料级配;合理使用外加剂。2)承台混凝土配合比中根据施工要求及控制温度峰值等要求掺加外加剂。外加剂的掺量应严格控制计量,少掺和过量均对工程混凝土不利。3)控制坍落度。现场承台混凝土浇筑施工采用泵送方式,要求坍落度为16～18 cm。4)混凝土应是低收缩率的,实验室内试件收缩率一般以2×10-4～4×10-4作为控制目标。经过综合比选：承台混凝土初步配合比为矿渣水泥(P.S 42.5)：砂：碎石：水：粉煤灰：外加剂(LCX-9)=315：668：1137：160：120：4.35。

1.4 冷却水管

为控制混凝土在浇筑、养护过程中水化热,采取在混凝土体内布置冷却水管。通过混凝土水泥水化热的发生量和布置冷却水管的散热量进行冷却水管布置和安装的计算[4]。冷却水管采用热传导性能好,并具备一定强度的黑铁管,规格D50×2.5 mm。

冷却水管布置：高度方向间距不大于1.0 m,承台底面一层水管距承台底0.75 m,顶面1.0 m；平面方向间距1.5 m,距承台侧边线0.75 m。冷却水管连接采用螺纹对接。

2 混凝土温度及控制裂缝计算

2.1 混凝土内部的最高温度计算

混凝土内部的最高温度按式(1)计算：

式中：Tmax为混凝土内部最高温度；T0为混凝土浇筑时温度,取30℃；T（t）为混凝土理想绝热状态下不同龄期的温升值；ξ为与混凝土浇筑厚度、龄期和绝热温升有关的系数,查表得3 d为0.68;Mc为每立方米混凝土水泥用量；Q为每千克水泥水化热量,查表得P. S425水泥为335 J/kg；C为混凝土的比热,一般取0.96 kJ/kg×k；ρ为混凝土的密度,取2 400 kg/m3；t为混凝土的龄期,取3 d；m为混凝土的比表面积、浇筑温度系数。根据本工程承台施工在夏季的情况,混凝土浇筑温度取较高值30℃,查表得3 d的1-e-mt= 0.704。

根据施工经验和查阅相关资料[5],大体积混凝土内部温升值在浇筑后3 d最高,即：T（3）=McQ(1-e-mt)/ (Cρ)=315×335×0.704/(0.96×2 400)=32.2℃。则计算的混凝土内部最高温度Tmax=T0+T（t）×ξ=30+32.2×0.68= 51.9℃,小于规范规定的最高不得超过75℃,符合要求。

2.2 混凝土的温度裂缝控制计算

2.2.1 自约束裂缝控制计算(表面裂缝)

混凝土浇筑初期,内部的温度在升高,但混凝土表面的温度可能因为外界温度降低而急剧降低,引起混凝土表面收缩产生拉应力而出现表面裂缝[6-7]。由温差产生的表面最大拉应力由式(3)计算：

式中：σmax为混凝土最大拉应力；E（t）为混凝土不同龄期的弹性模量,E（t）=Ec(1-e-0.09t),Ec为最终弹模,查表得3.25×104MPa;α为混凝土热膨胀系数,查表取1×10-5;△T1为混凝土中心与表面的温差,取51.9-30=21.9℃(采取蓄 30℃温水养护);υ为混凝土的泊松比,取0.175。

根据施工经验,大体积混凝土内部温升值在浇筑后3 d最高,其内外温差最大,则最大拉应力：

σmax=(2/3)×E（t）α△T1/(1-υ)=(2/3)×3.25×104×(1-e-0.09×3)×1×10-5×21.9/(1-0.175)=1.36 MPa。

承台混凝土设计强度等级为 C40,混凝土劈裂抗拉强度参考值按经验取值,见表1。

表1 承台混凝土劈裂抗拉强度参考值 MPa

查表得C40混凝土3 d的劈裂抗拉强度经验值为1.4 MPa,大于最大温度应力1.36 MPa,混凝土表面不会出现温度裂缝,但安全系数很小。

上述混凝土的最大内部温度计算是在没有冷却水循环的情况下得出,实际施工时采取冷却水循环,特别在混凝土浇筑后的2～3 d必须加强冷却水循环和蓄水保温,降低混凝土内外温差,确保混凝土不出现表面裂缝。

2.2.2 外约束内部裂缝控制计算(贯穿裂缝)

混凝土浇筑初期,其温度升高较快,一般在浇筑后3 d最高,混凝土体积膨胀,其后为降温过程,混凝土体积收缩,但因基础的约束,在新浇筑混凝土内部产生拉应力,当拉应力大于混凝土的劈裂抗拉强度时,引起混凝土开裂,甚至产生贯穿裂缝。混凝土温度收缩应力可按式4计算：

式中：σmax为混凝土最大拉应力；E（t）为混凝土不同龄期的弹性模量,E（t）=Ec(1-e-0.09t),Ec为最终弹模,查表得3.25×104MPa;α为混凝土热膨胀系数,查表取1× 10-5；△T为混凝土中心与表面的综合温差;υ混凝土的泊松比,取0.175;S（t）为考虑徐变影响的松弛系数,按3 d龄期查表取0.186,按7 d查表得0.21;R为考虑混凝土的外约束系数,按混凝土地基取1.0。

1)3 d的最大外约束拉应力

混凝土3 d的温升值最大,按照外界最低温度15℃计算,有温差51.9-15=36.9℃。查表得C40混凝土3 d的劈裂抗拉强度经验值为1.4 MPa,大于最大温度收缩应力0.64 MPa,安全系数为2.19,混凝土不会出现温度裂缝。

2)7 d的最大外约束拉应力

混凝土7 d的温升值已经较低,按照施工时期外界最低温度15℃计算,为偏于安全计取3 d时的温差51.9-15=36.9℃。

查表得C40混凝土7 d的劈裂抗拉强度经验值为2.4 MPa,大于最大温度收缩应力1.43 MPa,安全系数为1.68,混凝土不会出现温度裂缝。

3)27 d的最大外约束拉应力

混凝土内部温度在3 d后已经处于温度下降过程,其27 d后的混凝土内部温度基本与外部相同,其综合温差已经很少,主要受外部气温的突降或突升影响,按外部温差突变15℃考虑。查表得C40混凝土27 d的劈裂抗拉强度经验值为3.5 MPa,＞27 d最大温度收缩应力3.07 MPa,安全系数为1.14,混凝土不会出现温度裂缝[8]。

3 温度监测与控制

3.1 混凝土测温及温差控制

在承台浇筑和养护期间,必须对混凝土体内的水化热发生的情况进行详细地了解,并计算分析混凝土收缩应力是否大于混凝土抗拉应力造成裂缝,经过前面第2.2节计算,在一定的温控条件下,混凝土温升值和温度应力不会造成混凝土裂缝。现场可以根据混凝土的温度变化情况及时调整冷却水管水流量及养护条件,使混凝土内表温差≤20℃,平均降温速率≤2℃/24 h。

通过混凝土内部测温对冷却管循环水进行控制,通水过程中要对水管流量、进出口水温度、测温传感器温度每隔1～2 h进行一次测量,以测温结果作为冷却水管施工效果的判别,若不满足设计要求,则调整进水口的流量和水温,以满足降温要求。

3.2 温度控制标准

根据桥规规定,并结合现场情况及以往经验,提出以下温控标准：混凝土的浇筑温度应小于T+4℃(T为浇筑期旬平均气温);混凝土的上下层温差应＜20℃;混凝土的内部最高温度应＜75℃,内表温差应＜25℃。

3.3 混凝土浇筑和养护

混凝土浇筑和养护应注意以下几个方面：1)浇筑承台大体积混凝土时,宜选择在气温较低的情况下进行,以便降低入模温度;且在夜间开始进行施工较为合适。2)严格控制各测温点与混凝土体表温差在25℃以下,大气温度发生陡降时,混凝土表面应采取保温措施。3)加强振捣,以获得密实的混凝土,来提高密实度和抗拉强度;浇筑后,及时排除表面积水,进行二次抹面,防止早期收缩裂缝的出现。4)混凝土表面采用蓄水养护,以减小内表温差。5)为了达到保温、养护目的,混凝土表面首先应采取洒水(或蓄水)养护,待混凝土终凝后,采取承台内蓄淡水进行保温,防止混凝土出现裂缝。

4 案例分析

以朝阳大桥20#主墩承台温度监控为例。朝阳大桥主桥20＃承台于7月21日凌晨开始浇筑,21日早上8点左右浇筑完成,在浇筑前为了监测温度水化热共布置了20个温度测点。测点5、测点6、测点8的温度变化曲线见图1。

图1 测点5、测点6、测点8的温度变化曲线

从测量结果来看,最大温度出现在混凝土浇完后的第2天,即7月21日,温度最高点为21日20：04时测点6处温度监测值80.9℃,测点8及测点5温度最高点分别为74.4℃、74.6℃,出现时间分别为21日的18：44及14：12,通过采取对冷却水加冰块的方式进一步降低水化热温度。朝阳大桥20#承台在浇筑完成后,对混凝土面进行巡视,未发现有裂缝发生。混凝土温控过程达到预期效果。

5 结语

综上可见,大体积混凝土内外温差是大体积混凝土质量控制的重点。通过加强对混凝土施工工艺、混凝土原材料、混凝土配合比设计和混凝土浇筑过程降温措施管理能够有效阻止和预防大体积混凝土裂缝的产生。

[1] GB50496-2009,大体积混凝土施工规范[S].

[2] 倪平安.大体积混凝土施工过程中质量控制[J].中国新技术新产品,2010(10)：31-35.

[3] 魏伟.浅谈桥梁承台大体积混凝土温控技术[J].江西建材,2014(6)：135-136.

[4] 赵江波.高层建筑施工技术创新分析与研究[J].城市建筑,2013(1)：47-50.

[5] 叶琳昌,沈义.大体积混凝土施工[M].北京：中国建筑出版社,1987. [6] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑出版社,1997.

[7] 王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].上海：上海科技出版社,1987.

[8] 江正荣.建筑施工计算手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社, 2007.

Introduction to Chaoyang Bridge Main Pier Pile Caps with Mass Concrete Temperature Control Process

WU Zhiqing

(Honggutan Landscape Construction Group Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330038,China)

Harmful cracks of mass concrete are mainly due to conflict between rapid hydration heat rising of binding material in concrete and slow rise of concrete strength itself.Take steps to control inner and outer temperature of mass concrete,and temperature difference between inside and outside can precontrol the generation of mass concrete cracks effectively.These are main points of concrete quality control.

main pier pile cap;mass concrete;temperature control;hydration heat;cracks

TU755;U443.2

B

1004-4345(2014)05-0072-04

2014-09-12

吴志卿(1978—),男,工程师,主要从事市政工程现场施工工作。