李晓坤
摘 要:通过海河特大桥深基坑大体积混凝土承台施工,我们发现大体积混凝土施工过程比较容易引起质量与安全问题,尤其是冬季施工更增加了施工的难度,施工质量得不到很好的保障。所以,我们必须从各个方面进行质量监控,保证大体积混凝土承台的施工质量。本文主要就大体积混凝土冬季施工技术进行了分析研究。
关键词:深基坑;大体积;混凝土承台;冬季施工;施工控制
一、引言
大体积混凝土施工质量是整个工程施工的关键所在,大体积混凝土施工质量得不到保障,工程施工中的安全与质量隐患将会增多,尤其是在冬季,气温原因已经给施工带来了一定的挑战,如果大体积混凝土施工质量得不到保证,无疑将会严重影响到整个施工的质量与安全问题。本文以海河特大桥为例,介绍了主桥深基坑大体积混凝土承台施工的成功经验。
海河特大桥是天津滨海新区西外环高速公路工程11标的跨海河特大桥,主桥采用〈95m+140m+95m〉钢桁架连续梁跨海河主河槽,1#、2#墩为海河特大桥跨海河主河槽中墩,中墩为桩接承台接墩柱的形式,墩柱及承台均分为左右两幅。每个墩位采用钻孔灌注桩基础48根,桩长70m。
承台顶面高程-7.00m,底面标高-11.00m,承台高400cm,单幅承台尺寸为2285cm×1450cm×400cm。主桥1#墩钢板桩围堰施工完毕后,承台需要在冬季进行施工,为了保证深基坑大体积混凝土承台的施工质量,对混凝土的冬季施工从各个环节进行严格控制。
二、混凝土搅拌站控制措施
本工程采用商品砼,所用砼的原材料的质量、配合比设计、搅拌时的上料计量和控制、出机温度和运输过程的保温以及保证砼的入模温度等问题,都已与商品砼搅拌站提前提出要求,并签订协议,我项目部派试验员到搅拌站进行监控。
1、冬季施工配合比的选用
冬季施工前委托天津市二十九站对混凝土配合比进行重新选定,正式进行冬季施工前对冬季施工配合比进行施配验证,合格后方可进行混凝土拌和施工。
2、外加剂的选用
根据C35混凝土冬季施工配合比选用的外加剂采用棚内保温存放。为了不使水化热过早损失,采取先进骨料及水的方法,搅拌均匀后,再加入水泥进行拌和,严禁将水泥与80℃以上的水直接接触,骨料中不得有冰雪和冻块,搅拌时间应较常温时延长50%左右。
3、拌和用水
搅拌站蓄水池用保温材料覆盖并密封,热水采用1T蒸汽锅炉蒸汽加热,环境温度-5℃以上时,加热温度控制在60℃以内,当环境温度低于-10℃,可将水加热到80℃,但此时混凝土搅拌时应将水和砂石料搅拌均匀后方可投入水泥,避免水泥和热水直接接触。
根据冬施配合比每立方混凝土大概用热水160Kg,按每小时拌合100 m?计算,每小时热水供应量为16m?。为了保证施工用水供应正常,另设临时加热简易锅炉, 每小时热水量不小于16m?,锅炉用3mm 厚钢板焊接而成,顶部预留进水口,下部安装出水口。将简易锅炉支垫离地面 60cm 左右,四周留置加煤口,生火使水温高于 80°C。
4、砂石料
在冬季施工来临前,备足冬季施工所需的砂石料,砂石料需遮盖,四周设置排水沟,防止雪水溶化后,侵入砂石堆料中,因气温低使砂石料凝结成块。
砂石料进场后要定期进行翻晒,将里面水分晒干,以防止冬季温度过低将砂石料冻结成块。砂石料采取覆盖措施,防雨雪、防污染,确保使用时砂石料中没有冻块
5、搅拌站
用保温材料对搅拌站进行封闭,棚内利用热风机配合暖气进行保温,棚内温度控制在10℃左右。技术人员每小时测量并记录温度一次。混凝土拌和机开机之前应先用热水冲洗拌和机,达到预热效果。拌合时采用二次投料,二次搅拌方法(即先集料和水搅拌,再加入水泥和外加剂搅拌)。
6、其他控制措施
①砂石料在不同部位放置不少于3个温度计,工地试验室,拌和站技术人员在施工期间每小时对保温棚温度、砂石料温度、水温度、混凝土拌和物温度测量一次,确保混凝土出料温度符合要求。
②试验人员每次根据采用蒸气保温后砂石料的含水量调整施工配合比。
③为确保冬季施工混凝土的和易性和流动性,混凝土搅拌时间应不小于2.5min,但不宜大于3min。
④为提高混凝土的早期强度,混凝土坍落度控制在14cm~18cm范围内,并掺配高效减水剂。
三、大体积承台混凝土浇筑控制措施
1、取暖設备布置
①利用1#墩钢板桩围堰设置暖棚一个,暖棚由中间的格构柱作为支撑柱,支撑柱上采用30H型钢做一道纵梁,在纵梁和围堰第一道围囹上架设30Ⅰ型钢作为横梁,横梁间距按间距2m布置,横梁上覆盖保温苫布,共同组成1#墩位的暖棚。暖棚的结构形式如下页图。
图1暖棚结构平面示意图
图2暖棚结构立面示意图
图3暖棚结构横断面示意图
为了尽量减少吊装过程中的碰撞事故发生,考虑到承台钢筋数量比较多且长度比较大,因此暖棚在承台钢筋绑扎完毕后搭设。搭设暖棚时,在暖棚顶预留6个4×7m天窗(设置6道30Ⅰ型钢横梁为活动横梁),以便钢筋、模板等物资的吊装以及混凝土的浇筑。
暖棚里在浇筑承台混凝土前,根据暖棚内实测温度,调整暖风机数量,实测暖棚内两天温度,温度不低于10℃时才能浇筑混凝土。坚持随浇筑随养护的原则,暖棚内温度不得低于10℃。
②在混凝土浇筑前应保证暖棚内温度达到10℃以上才能进行混凝土的浇筑。在浇筑前布置6台15KW暖风机(备用2台)以防止在温度达不到要求时采取必要的措施。
15KW暖风机图
③暖棚供热计算:
计算公式:Q=3.6MKΔTV
Q:暖棚每小时耗热量,单位KJ/h
M:表面系数,既冷却面与外部量度暖棚的体积之比,单位m-1
K:篷布的传热系数K=5W/m2·h
ΔT:暖棚内外温度差,单位℃
V:暖棚的体积,单位m3
根据施工现场暖棚搭设方案,并考虑混凝土散热,计算暖棚供热
1#墩暖棚宽15.7m,长47.4m,高13.0m,按室外-10℃,暖棚内10℃计算。
M=暖棚的表面积/暖棚的体积
=0.0899m-1
Q=3.6MKΔTV
=3.6×0.0899×5.0×20×9674
=313089KJ/h
经测算:每台15KW的暖风机每小时可提供54000KJ的热量
则布置6台暖风机。
2、大体积混凝土承台浇注
混凝土浇筑前,采用温水清理模板内杂物,对模板、钢筋、进行预热,表面温度在5℃以上。混凝土灌注应分层分段进行,混凝土表面应根据混凝土灌注顺序及时进行覆盖。
已浇筑层的混凝土在未被上一层混凝土覆盖前不应低于2℃,混凝土温度控制由质检工程师和试验室共同分工负责。
制作与结构同条件养护的试件,用以检验受冻前强度及转入正常温度养护28天强度。
四、混凝土养护及温度测定
1、混凝土养生
①承台混凝土采用暖风机(备用200KW发电机)加热进行养护和冷却管循环水进行养护;
②当混凝土强度大于40%设计强度后,方可停止供热保暖,但暖棚内降温应满足《冬季施工规范》的要求,即降温速度每小时不大于10℃。
③混凝土拆模时,环境温度与梁体温度差应小于15℃。当小于15℃时,拆除模板后立即在混凝土表面覆盖塑料布,进行保温养护。
2、温度测试
混凝土冬季施工过程中,由试验室(负责搅拌站、混凝土)和质检工程师(负责现场温度控制)按时测量水、骨料,混凝土出罐、入模测量四周的温度以及混凝土温度变化情况,尤其注意混凝土养生期的温度观测:
①测温仪器:外界气温和棚内气温均采用自动温度计记录仪观测,混凝土出罐、入模温度采用旁通温度计测试,结构内各观测点温度采用电阻测温仪或热电偶测温仪。
②观测点设置:在浇筑后的混凝土上设测温孔,承台测温孔位置按每6m 左右在承台顶面及侧面各两个。各部位温度应接近,避免各部位间温度过大。
③测温时间
暖棚内各观测点,自混凝土浇筑完毕时间算起,每隔2小时测一次温度,外界气温在每天7时、12时、16时和24时4个时间进行记录。
④具体做法
A、对测温孔进行编号,并编制测温孔布置图以备查。
B、测温时,温度计与外界气温隔离,避免冷空气影响,温度计在孔内停留时间在3min以上。
C、设专人负责测温工作,当发现温度发生异常变化时,立即向有关人员汇报,以便及时采取措施。
五、大体积混凝土冬季施工温度计算
承台混凝土采用C35混凝土,混凝土采用商品混凝土,提前按照冬季施工配合比配制混凝土。混凝土施工配合比按照水泥:砂:碎石:水=278:737:1106:160。选用水温度加热为80℃,水泥温度5℃、砂石料温度分别、3℃、3℃,砂子含水量4%,石子1%。
1、计算混凝土拌和物温度
根据《公路桥涵施工技术规范》附录J冬期施工热工计算:To=[0.9*(Wc*Tc+Ws*Ts+Wg*Tg)+4.2*Tw*(Ww-Ps*Ws-PgWg)+c1*(Ps*Ws*Ts+Pg*Wg*Tg)-c2*(Ps*Ws+Pg*Wg)]/[4.2Ww+0.9*(Wc+Ws+Wg)]
式中:To ——混凝土拌和物的温度(℃)
Ww、Wc、Ws、Wg ——水、水泥、砂、石的用量(Kg)
Tw、Tc、Ts、Tg ——水、水泥、砂、石的温度(℃)
Ps、Pg ——砂、石的含水率(%)
c1、c2 ——水的比热容(kJ/kg*K)及溶解热(kJ/kg)
当骨料温度﹥0℃时,c1=4.2,c2=0;
当骨料温度≤0℃时,c1=2.1,c2=335。
把水泥、砂、石、水的用量和温度及砂、石含水率代入上式可以得出:
To=18.16℃。
2、计算混凝土拌和物出机温度
混凝土拌和物的出机温度按《公路桥涵施工技术规范》附录J中J-2公式计算。公式J-2:
T1=To-0.16*(To-Tb)
式中:T1 ——混凝土拌和物的出機温度(℃)
Tb ——搅拌机棚内温度(℃)
搅拌棚内温度Tb取用5℃,根据上面公式可以计算出混凝土拌和物的出机温度为:T1=16.85℃。
3、计算混凝土拌和物入模温度
混凝土拌和物入模温度按《公路桥涵施工技术规范》附录J中J-3公式计算。
公式J-3:
T2=T1-(α*t+0.032n)(T1-Ta)
式中:T2 ——混凝土拌和物经运输至成型完成时的温度(℃)
t ——混凝土自运输至浇筑成型完成的时间(h)
n ——混凝土转运次数
Ta ——运输时的环境气温(℃)
α ——温度损失系数(hm-1),当用混凝土搅拌车运输时,α=0.25
混凝土自运输至浇筑成型完成的时间t取用1小时,混凝土转运次数n取1,运输时的环境气温Ta取用5℃,温度损失系数α取用0.25。根据上式可以计算出:
C35混凝土的入模温度为:T2=13.51℃。
根据计算,得出砼出机温度T1=16.85℃>15℃,入模温度T2=13.51℃>10℃,均能满足规范要求。
4、计算混凝土各龄期的收缩变形和收缩当量温差
①混凝土的绝热温升
式中: T(t)--混凝土龄期为t时的绝热温升(℃)
Q--每千克水泥水化热量Q(kJ/kg)
W--每立方混凝土的胶凝材料用量(kg/m3)
C--混凝土的比热,一般为0.92-1.0取0.96(KJ/kg·℃)
ρ--混凝土的重力密度,2400-2500取2400(kg/m3)
m---与水泥品种、浇筑温度等有关的系数,0.3-0.5取0.4(d-1)
t---混凝土龄期(d)
正常取值t=∝
则Tmax= 52.14
T3= 30.94
T7= 45.75
T14= 51.36
T21= 52.04
②混凝土收缩变形
混凝土收缩变形不同条件影响修正系数
M1 M2 M3 M4 M5 M6
1.0 1.0 0.85 1.0 1.0 1.25
M7 M8 M9 M10 M11 则M积
1.25 1.43 1.3 0.86 1.01 2.14456
εy(t)= 3.24*(1-POWER(2.718,-0.01*t))*H96/10000
εy(3)= 2.05335E-05
εy(7)= 4.69706E-05
εy(14)= 9.0766E-05
εy(21)= 0.000131601
③收缩当量温差
α--混凝土的线膨胀系数,取 1.0*10-5
Ty(3)= 2.053
Ty(7)= 4.697
Ty(14)= 9.077
Ty(21)= 13.160
④混凝土最大综合温差绝对值
△T(t)=T0+T(t)*0.666+Ty(t)-Tq
△t—混凝土最大綜合温差绝对值
T0—混凝土浇筑入模温度,取℃ 13.51
Tq—外部环境温度,因现场养护时间约20d,取℃ 10
则 △T(3)= 26.169
△T(7)= 38.679
△T(14)= 46.791
△T(21)= 51.332
根据计算,混凝土各龄期绝对温差较大,承台大体积混凝土需要布置冷却管。
六、结语
海河特大桥1#墩深基坑大体积混凝土承台采用冬季施工,我们从混凝土拌合站、现场浇筑、混凝土养护、混凝土内外温差监控等各个方面进行质量监控,保证了大体积混凝土承台冬季施工的质量。可供同类型工程参考。
参考文献
1、《混凝土结构施工及验收规范》(GB50204-2002);
2、《建筑工程冬期施工规程》(JGJ104-97);
3、《公路桥涵施工技术规范》[JTJ041—2011];
4、《公路工程质量检验评定标准》[JTG F80/1—2004];