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从徐冲大桥承台施工谈大体积砼温控技术胡 明（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）胡明（1974.10.20）山西省灵石县 男，工程师 ，1999年毕业于西安公路交通大学公路系交通土建专业。摘 要：大体积混凝土在施工工程中如不采取适当的温控措施，因水化热会导致混凝土开裂，很有可能影响混凝土结构的耐久性甚至承载力，严重影响工程安全，应引起高度重视。通过以徐冲桥承台大体积混凝土的施工为背景，介绍了大体积混凝土的温度控制技术。 关键词：大体积 应力分析 施工 温度控制1、工程概况徐冲大桥位于安徽省六潜高速公路岳西县境内，为跨越徐冲凹地的一座桥梁，全长528.2m。主桥为45+2*80+45预应力混凝土变截面刚构梁，最高墩高为60米，六个主墩承台平面尺寸为长10.5m，宽10.5m，高3.6m，体积为397m3,混凝土级别为C30。项目区域位于皖西南大别山区北亚热带湿润季风气候，区域内年平均气温14.516.6，一年中1月份气温最低，月平均1.4，7月份最高，平均27.229。主墩承台工程的关键就是对大体积混凝土进行温度控制，以防止混凝土开裂。降低混凝土发热量、控制混凝土浇注温度和采取有效的养护等是对混凝土进行温控的重要措施，但是由于所处地域和用材的不同，温控的具体方法也不全相同。该工程施工时间为2006年1月至2006年8月，历经冬、夏两个季，当地掺合料源粉煤灰缺少、低热水泥供应受到限制，根据这些特点结合温控理论和已有经验，模拟实际情况进行温控计算，制定温控技术，进行温控监测，取得良好效果。2、温度及温度应力分析大体积混凝土在浇注过程中就容易发生施工裂缝，这是由于混凝土凝结时水化热引起的温度变化、混凝土内部温差、混凝土结构外部的支撑及约束对温度产生的变形的约束以及混凝土受到限制的收缩变形等原因引起的。大体积混凝土在浇筑后，由于水泥水化热将经历温升期、冷却期和稳定期三个阶段，混凝土温度亦随着龄期的增长而不断变化，最后与外界的平均气温基本接近。在初期升温阶段，水泥水化热产生的温度很高,混凝土温度急剧上升，最高温度由浇注温度、混凝土凝结中水化热温升和混凝土散热温度三部分组成，一般发生在龄期35天内。混凝土结构的散热与其最小尺寸的平方成反比，大体积混凝土热的扩散十分缓慢，表面由于散热条件相对较好，其温度相对要低，自表面向中央大约13m范围温度变化大，再向内延伸温度基本没有变化，在中央形成温度均匀区域，最高温度就出现在这个区域，内外形成温差梯度，这个温差梯度甚至可达30以上，产生较大的体积变形，使混凝土内部产生压应力。混凝土表面因受到内部的膨胀影响产生拉应力，由于初期混凝土强度很低，表面可能出现拉应力超过允许应力而开裂，但由于内部混凝土温度变化小、速度慢、失水较少，这种开裂均限制在表面很浅的区域内。按实践经验，只要使温差梯度不超过2030，拉应力就不会超过允许拉应力，表面混凝土就不会开裂。出现温度峰值以后，混凝土的温度开始缓慢下降，而混凝土的压应力区逐步减少变为逐步增加的拉应力区，这时由于混凝土冷缩及硬化过程中本身的收缩受到结构本身及边界条件约束，产生的拉应力大于混凝土本身的抗拉强度，就可能引起混凝土断面产生贯穿性裂缝。3、温度及温度应力计算大体积混凝土的温度及温度应力计算在现行规范中没用规定具体的计算方法，但是大体积混凝土的温度及温度应力计算又十分重要，因为只有通过分析这些计算结果，才能制定合适的温控技术，才能为温控提供准确的依据。在国内外大型桥梁工程的施工中大体积混凝土的温度及温度应力计算基本都是利用各自开发的计算机程序包进行计算。而对于中、小型桥梁工程，一般只是参考以往工程经验进行温控，但是由于不同水泥品种以及不同水泥用量、不同集料品种、不同施工工艺以及不同养护方法等均对混凝土的温度变化产生不同的影响，这样只能根据温度监测结果进行被动控制，也只能通过局部调整养护措施来达到目的。为了实现主动控制，可以通过手算完成这些近似计算，从而确定适合的温控技术。由于计算过程比较复杂，将做专门阐述。4、温度控制技术在本工程炎热夏天施工工程中，如不采取任何温控措施，混凝土入模温度通常会达3035，混凝土内部温度峰值在浇注后十几个小时就会出现，极易导致混凝土内外温差过大而造成裂缝，为了推迟温度峰值出现的时间和降低温度峰值,防止因温度拉应力过大造成混凝土结构开裂甚至破坏，主要方法就是进行温度控制,尽量减少混凝土的温升量。根据本桥结构和地域特点，拟定以下温控的具体措施：控制水泥用量、优化混凝土配合比设计、降低混凝土浇注温度、优化混凝土浇注工艺、加强“内排和外保”养护等措施。4.1优化混凝土配合比设计4.1.1 混凝土原材料的选用1、水泥对大体积混凝土性能影响最大的成分是水泥。在选用水泥时，应把混凝土抗压强度、坍落度和绝热升温三个方面综合起来考虑，即在满足指定强度和坍落度的条件下，使混凝土的发热量越少水泥就越适用。一般应优先选用水化热较低的矿渣、火山灰和粉煤灰水泥，在混凝土发热量不增加或少增加得出前提下也可选用普通硅酸盐水泥，禁止使用硅酸盐水泥和快硬硅酸盐水泥。体积安定性不良的水泥会使混凝土结构产生膨胀裂缝，必须严格控制，除用煮沸发检验合格外，同时还要求在水泥熟料中游离氧化镁含量不得超过5.0、水泥中三氧化硫含量不得超过3.5。水泥用量越少，混凝土施工过程中产生的水化热就越少，所以水泥用量在满足混凝土各种条件下力争降至最小限度由于当地低热水泥供应受到限制，同时还考虑冬季施工时混凝土早期强度和养护需要，以及水泥质量的稳定性，选用的水泥为怀宁海螺普通硅酸盐水泥32.5级，每立方混凝土用水泥360kg。2、粗骨料选用级配良好、结构致密并具有足够强度的优良骨料，可获得水泥用量低、混凝土强度高及施工和易性好的最佳组合。粒径宜为540mm，尽可能选用粒径较大颗粒形状好的粗骨料，同时要求最大粒径应小于泵管直径的1/3。尽量选用碎石而不用卵石，这是因为碎石混凝土有更好的抗裂性。含泥量控制在1以下。该混凝土施工使用的泵管直径为125mm，故选用粒径为531.5的粗骨料。对粗骨料进行多个料场选取工作，通过大量的物理力学和混凝土试配试验，选用怀宁象山石场的碎石，石灰岩，520mm 35、2031.5mm 65连续级配，含泥量0.5。3、 细集料细集料是混凝土中影响较为敏感的原材料，直接影响混凝土的和易性和强度。偏粗则和易性差泌水大，偏细则含泥多比表面积大，细度模数宜控制在2.62.9之间，同时0.315mm筛孔通过量不应小于15，0.16mm筛孔通过量不应小于5。含泥量控制在2以下。选用潜山东风沙场的中砂，细度模数为2.8，含泥量1，级配级。4、 水选用可饮用的井水。5、 外加剂外加剂是实现泵送大体积混凝土施工的关键。首先可选用木质素系列的外加剂，一般用木制素磺酸钙，一般为水泥重量得0.20.3，其减水率为1015，抗压强度提高1020，节约水泥810，对混凝土有缓凝作用，但是掺量过多会使强度下降，适用于大体积泵送混凝土夏季施工，但不利于冬季混凝土施工更不宜蒸汽养护。其次可选用缓凝型减水剂，最佳掺量为0.51.0，可节约水泥15左右，减水率为1016，同时能延缓早期强度发展过快，适用于高温炎热下的大体积泵送混凝土。还可选用糖密塑化剂等外加剂。外加剂对水泥品种适用性十分明显，不同水泥品种效果不相同，甚至会出现相反效果。经过多种外加剂的各种性能对比和试拌试验以及经济性比较，选用合肥水泥研究院HNF5缓凝型减水剂，为灰褐色粉末。6、 粉煤灰以部分粉煤灰代替水泥不仅可以改善混凝土的和易性有利于施工操作，而且可以有效降低混凝土的水化热，同时还有明显的经济价值。但是掺入粉煤灰后会出现早期强度低、低温下强度增长慢、泌水性大等缺点。桥梁大体积应选用细度合格、质地优良的粉煤灰，掺量一般为1525为宜，在使用时还应适当掺加塑化剂。由于当地缺少粉煤灰，同时考虑冬季施工时混凝土强度增长较慢，所以该混凝土没用掺粉煤灰。4.1.2 混凝土施工配合比设计采用低水灰比和适当流动性的混凝土，在满足泵送前提下坍落度越低越好，根据经验初始坍落度应控制在1618cm为宜。坍落度低时混凝土用水量较小，有利于降低混凝土内部温度。当水泥用量与坍落度发生矛盾时，应适当增大坍落度指标，调整水灰比，而不能采取相反措施。最后确定主墩承台混凝土配合比见下表：水泥砂碎石水HNF5缓凝型减水剂36065011521581%4.2 降低混凝土浇注温度大体积混凝土在早期因为水化热引起体积变化,以及环境温度的周期变化均会引起开裂,所以将混凝土初始温度降低到一定程度,使之产生的温差较小,随之产生的拉应力小于混凝土的强度,就可以避免开裂.根据季节情况,可采取方法如下:1、预冷拌和水在暑期施工中,一般采用使拌和水冷却的方法,以达到降低混凝土拌和温度的目的。现场采用抽水存储至水池后掺工业用冰,使温度降至10左右。2、 冷却骨料单靠使拌和水冷却的方法往往满足不了降低拌和温度和浇注温度的要求,还需要与预冷骨料配合采用,由于石子在混凝土配合比中所占比例大,所以降低混凝土拌和温度的最有效办法就是降低石子的温度。现场采用覆盖并喷淋冷水的方法.在使用砂石料前2-3天预先在堆料上覆盖一层蓬布和两层草袋,根据现场测定,在气温为25-30且有日照时比未覆盖材料,砂子可降低3-5石子可降低5-7。并在仓面搭建简易凉棚,在外露皮带机顶部设遮阳罩,在骨料进入料仓前用冷水喷淋骨料。3、 预冷水泥水泥在混凝土中占的重量少,影响混凝土的温度效果一般为5%-10%,一般可不对水泥采取降温措施,但是在施工中，水泥使用温度不应超过60。4、 选择低温时期浇注混凝土环境气温对混凝土预冷的效果影响很大,应该选择在低温时期浇注混凝土.因此在暑期混凝土施工中,一般选择在下午6点以后,开始浇注混凝土,一夜内施工完一个承台。5、 其他措施为了控制混凝土的浇注温度,还可以采取的措施有:尽量缩短混凝土的泵送距离, 输送泵搭棚泵管用麻袋包裹以防阳光暴晒而升温,必要时适当延长浇注时间,使下部混凝土充分散热等措施。通过采取以上措施,该桥承台混凝土暑期施工的混凝土出罐温度控制在20-22,入模温度控制在22-24,有效地降低了混凝土的浇注温度4.3 优化混凝土浇注工艺采取“斜面分层，薄层浇注，连续推进，一次到顶”的浇注方法。薄层浇注混凝土，有利于消减混凝土最高温度和内外温差，也可以减少约束，从而防止混凝土开裂。混凝土自然流淌形成的斜坡，能较好的适应泵送工艺，避免输送管道经常拆除冲洗和接长，可以提高泵送效率和简化混凝土的泌水处理，保证上下层混凝土浇注时间不超过初凝时间等优点。具体施工工艺如下：1、混凝土分层浇注，分层振捣，一次成型，每层浇注厚度40cm。浇注每层混凝土时，在横桥向分别由两侧向中间浇注混凝土，待每薄层混凝土全断面布料振捣完毕，再沿横桥向循环浇注。每层浇注须在下层混凝土未初凝前完成，以防出现施工冷缝。2、混凝土振捣采用直径70cm的插入式振捣器，根据混凝土泵送时自然形成坡度的实际情况，在每个浇注带的前、后布置两个振捣器，第一道布置在混凝土卸料点，主要解决上部混凝土的振实，第二到布置在混凝土坡角处，确保下部混凝土的密实。为防止混凝土集中堆积，先振捣出料口处混凝土，形成自然流淌坡度，然后全面振捣。振捣时插入下层混凝土10cm左右，既要防止漏振也不能过振，并保证下层混凝土初凝前进行一次振捣，使混凝土具有良好的密实性和整体性。3、大流动性混凝土在浇注振捣过程中，上涌的泌水和浮浆会顺混凝土坡面下留，配备一定数量的工具如小水泵、大铁勺等用以排除泌水。4、采用二次复振，即正常振捣完成1小时后，进行二次复振，使应力放松，以减少沉缩裂缝，顶部振捣时注意避免浮浆。5、泵送混凝土表面水泥浆较厚，在浇注后28小时，初步按标高用长刮尺刮平，然后用木搓板反复搓压数遍，使其表面密实，在初凝前再用铁搓板压光，这样可以较好的控制混凝土表面龟裂，还可以减少混凝土表面水分的散发，促进养护。4.4 加强“内排外保”养护加强养护是防止混凝土开裂的关键之一，本工程采取“内排外保”养护法，。“内排”是在混凝土内部预埋冷却管，通入冷水，以降低混凝土内部温度。“外保”是利用保温材料覆盖在混凝土表面和四周，提高混凝土表面温度，减小混凝土内外温差，防止混凝土开裂。4.1.1 “内排”的方法决定冷却效率的主要因数是管距、冷却水温度和通水时间，而管径的影响不大。冷却管采用直径20cm的薄壁钢管，管路采用回形方式，水平铺设。水平和竖向间距均为1米，距混凝土边缘0.75m。各层间进出水管各自独立，以便根据测温数据相应调整水循环速度，以充分利用混凝土自身温度，即中部温度高，四周温度低的特点，在循环过程中自动调节温度，产生好的效果。冷却管安装时，以钢筋骨架固定牢固，水管之间用胶体管连接，为防止堵管和漏水，混凝土浇注前做通水试验。冷却水管布置见附图：冷却水管平面布置图尺寸单位:mm 1:冷却水管出水口2:冷却水管进水口3:测温孔 混凝土浇注到各层冷却水管高后即开始通水冷却，以加快承台内部热量的散发，使混凝土内部温度降到要求的 限度。通水冷却时间一般为浇注后15天左右，其中关键又在前7天，且应连续不断进行。当混凝土温度下降超过 1.5/天即停止通水。冷却水管立面布置图尺寸单位:mm采用适宜温水进行冷却，并保证冷却水的水温与混凝土水管中的水化热引起的最高温差控制在25以内。通水流量一般控制在1420L/min，使冷却管的进出水温差控制不超过10，冷却速度以0.6/天左右为宜，避免大陡的温度梯度使混凝土开裂。当发现进出水口温差过大或过小，或者水温与混凝土内部温差超过25时，及时调整水温和流量，防止水管周围产生温度裂缝。为保证水流畅通，在每层安装两台水泵，其中一台为备用。通水结束后，冷却管用微膨胀水泥灌浆。4.1.2 “外保”的方法混凝土终凝以后，在结构物表面四周砌砖，采用蓄水养护，蓄水深度为30cm。由于水的导热系数为0.58w/m*k，具有一定的隔热保温效果。在升温阶段，蓄水层能吸收混凝土的大量水化热，减少外部低温环境的影响，起到保温养护与间接散热、降温的双重作用。在降温阶段，蓄水层能起到延缓混凝土内部的降温速度，减少混凝土表面的热扩散，保持均匀散热作用。蓄水养护使混凝土具有较高的抵抗温度变形的能力，从而达到温控目的。蓄水养护技术特别适合南方地区和水平表面积较大的结构物。4.5 温度控制的其他技术1、在承台表面必须铺设防裂钢筋网，可以有效起到减轻混凝土的收缩程度，减少混凝土表面裂缝的作用。2、地基及其他底模对混凝土伸缩的约束也是混凝土结构产生裂缝的重要原因。绑扎承台钢筋前，应将地基进行处理，可以设置砂垫层、或沥青材料垫层，如果是岩石地基，在混凝土浇注前先进行湿润后再铺一层2cm厚的水泥砂浆。使混凝土伸缩时可在其上滑动，这时混凝土结构的外约束力明显减少，通过改善混凝土结构的约束条件，达到改善温度控制的效果。3、加强施工管理，保证混凝土各个环节施工的高质量，特别是加强对混凝土振捣的管理，使振捣达到良好的效果，则可避免混凝土的离析现象，保证混凝土质量均匀，防止因水泥集中而造成局部水化热过高的不利现象，这样能使温度控制达到更好的效果。5、温度监测 大体积混凝土的温度监测包括：混凝土原材料的温度，混凝土水化热试验温度，混凝土搅拌温度、入模温度和浇注温度，养护环境温度和混凝土混凝土内部温度。混凝土外部温度的测量用温度计就可以直接测量，而混凝土内部温度的测量，需要布置测点，确定测量时间和次数，对测量结果进行分析比较。通过温度监测结果，调整和改进温控措施，保证大体积混凝土的温控效果。5.1 混凝土外部的温度监测在混凝土施工过程中，每隔4小时测量一次原材料温度、拌和温度、冷却水温度和环境温度，每隔2小时测量一次浇注温度。5.2 混凝土内部的温度监测在埋设冷却管时在承台水平轴线附近同一竖直断面各层中一起布设铜康铜材料制成的热电偶作为温度传感器，布设温度测点，通过测定每点的电阻值然后换算成温度的方法进行监测。从冷却管开始通水时开始测温，温度峰值出现前每2小时观测一次，峰值出现后每4小时观测一次。以混凝土温度下降、内外温差不超过20时结束测温，测温延续时间一般为15天左右，在厚度较大和重要过程上最好积累28天的温度记录以便和试块强度一起作为温度应力分析时的参考资料。在监测过程中，制定详细的表格，并由专人负责记录。在温度监测过程中，当发现温度异常超过允许温度的时候及时报警，调整养护措施，从而减少温差，确保混凝土的质量。6.温控实施的质量评价 该桥7号墩右幅承台混凝土施工时间为2006年6月，施工时白天最高气温为30，施工开始时间为晚上6点钟，气温为22，施工用水10、碎石22、砂24，混凝土出仓温度为2022，入模温度为2224，开始通水时冷却水进水温度平均为18。温度峰值出现在混凝土浇注后72小时，最高温度为40.8。此时为大体积混凝土施工的不利季节，正是由于采取以上温控措施，该混凝土施工顺利，混凝土表面光滑，无蜂窝、麻面现象，温控各项指标均未超过允许要求，温控结束以后经过多次检查，表面未发现有害裂缝。7.结论实践证明，在掺合料源、低热水泥供应受到限制的时候，用普通水泥混凝土进行大体积桥梁结构的施工是可行的。关键是要把温控理论、以往经验和实际情况相结合，制定出有效的施工和温控方案，同时切实抓好施工组织和养护工作，并结合温度监测，及时合理的调整温控措施，就能保证大体积混凝土的温控效果，防止大体积混凝土开裂，保证工程质量。参考文献:朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制.中国电力出版社.1999叶琳昌、沈义.大体积混凝土施工.中国建筑工业出版社.1987