橋梁承臺大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)研究

■謝江平

（福建省高速公路有限責任公司三明管理分公司，三明 365000）

1 引言

隨著工程建設規(guī)模的不斷增大，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的應用也愈發(fā)廣泛，在滿足強度、剛度、整體性和耐久性的設計要求的同時，控制溫度應力和溫度變形裂縫的擴展，成為大體積混凝土質(zhì)量控制的關(guān)鍵。本文以福建省泰寧縣金湖2號大橋為工程背景，通過原材料選用、施工工藝控制、混凝土養(yǎng)護等溫控措施，詳細闡述了如何有效防止大體積混凝土溫度裂紋的產(chǎn)生。

2 工程概況

金湖2號大橋為福建省泰寧縣“鎮(zhèn)鎮(zhèn)有干線”下渠至大龍公路控制性工程，采用三跨（66m+120m+66m）現(xiàn)澆連續(xù)剛構(gòu)橋型式，1#墩承臺尺寸為10.5m×10.5m×3.5m，根據(jù)我國 《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 55-2000）的規(guī)定，1#墩承臺屬于典型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)。混凝土強度等級為C30。

3 溫度裂縫產(chǎn)生機理

由于導熱性差，大體積混凝土內(nèi)部降溫速度慢，而外部降溫速度很快，外部收縮大于內(nèi)部收縮，這種內(nèi)外收縮的差異使得混凝土內(nèi)部給外部起了約束的作用，使混凝土外表面產(chǎn)生了拉應力。當內(nèi)外溫差過大時，拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

澆筑后升溫過程中混凝土的彈性模量很小，受到邊界約束時產(chǎn)生的壓應力很小。而降溫過程中，彈性模量迅速增大，約束產(chǎn)生的拉應力也隨之增大，且抵消前期壓應力后還存在很大的剩余拉應力。當剩余拉應力大于混凝土此時的抗拉強度時，結(jié)構(gòu)便出現(xiàn)內(nèi)部收縮裂縫，若與外表面裂縫連接便形成了貫穿裂縫。

內(nèi)部的水分蒸發(fā)散失也會引起混凝土體積收縮。由于混凝土表里溫度不均勻，失水收縮變形也隨之不均勻，平均的失水收縮又有利于溫度變形引起的應力，也可能導致混凝土開裂。

4 有限元模型計算

采用MIDAS/Civil有限元軟件，取承臺1/4部分建立有限元模型，考慮混凝土澆筑溫度、施工間歇期、混凝土水化熱的放熱規(guī)律、養(yǎng)護方式、冷卻水管降溫、外界氣溫變化、混凝土彈性模量變化、樁基約束以及混凝土徐變等因素，模擬計算承臺混凝土溫度及應力場的分布情況，仿真計算結(jié)果顯示：承臺最高溫度出現(xiàn)部位在承臺中心區(qū)域，最高溫度為54.7℃（如圖1所示）；底部混凝土由于樁基及內(nèi)外收縮的約束，受到主拉應力最大，不同齡期的最大主拉應力如表1所示。

圖1 承臺混凝土最高溫度示意圖

表1 底部混凝土最大主拉應力

從表1結(jié)果可以看出，承臺混凝土早期溫度拉應力發(fā)展很快，而后期溫度拉應力發(fā)展緩慢，其中14d的最大主拉應力為1.99MPa，所以溫控防裂的重點應在控制混凝土早期裂縫。

5 溫度裂縫控制措施

5.1 合理選用原材料和配合比

混凝土原材料的質(zhì)量及其配合比設計是大體積混凝土裂縫控制的一個重要的因素。

5.1.1 原材料的選用

在大體積混凝土工程中，水泥應盡量選用水化熱低，凝結(jié)時間長的水泥。骨料要盡量選用粒徑較大、級配良好的骨料，同時嚴格控制砂石的含泥率和石子中的針狀和片狀顆粒的含量。粉煤灰不僅可以降低水化熱、改善混和易性，而且進一步改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu)，減少混凝土收縮。1#承臺選用混凝土原材料如下：

（1）水泥：選用水化熱低的P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。

（2）骨料：選用 4.75～31.5mm 碎石，針、片含量＜10%，含泥量不大于1%，級配良好。砂為河砂，含泥量不大于5%，細度模數(shù)大于2.53。

（3）粉煤灰：摻加磨細的Ⅰ級粉煤灰。

（4）外加劑：摻入適量的高效減水劑與緩凝劑。

5.1.2 混凝土配合比設計

配合比方面在滿足混凝土強度等級的前提下，盡量減少水泥的用量、降低水灰比、減小坍落度，同時摻入適量的外加劑，可以改善混凝土的性能，節(jié)約水泥，降低水化熱。

根據(jù)《普通混凝土配合比設計規(guī)程》與《大體積混凝土施工規(guī)范》；試驗確定的承臺混凝土配合比如表2所示：

表2 1#承臺混凝土配合比（kg/m3）

5.2 施工工藝控制

5.2.1 控制混凝土入模溫度

混凝土入模溫度直接影響到混凝土的內(nèi)部最高溫度，因此要嚴格控制混凝土出機溫度和澆筑溫度。

首先要降低骨料溫度。料倉采用頂蓬遮蓋以減少陽光照射，澆注前對砂石進行灑水降溫（注意砂石含水率變化）；骨料盡量堆高，底層取料。

二是要降低水的溫度。據(jù)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)：水溫每降低1℃，可使混凝土出機口溫度降低0.2℃左右；因此，拌和用水預先放入地下蓄水池中降溫，用低溫水拌和。

三是夜間澆筑混凝土，避開當日高溫時段。

5.2.2 控制混凝土澆筑工藝

大體積混凝土的澆筑工藝一般可分為：水平全面分層、水平分段分層及斜面分層三種形式。根據(jù)項目自身特點，1#承臺采用水平全面分層澆筑方式。根據(jù)有限元仿真計算結(jié)果，由于底部混凝土受到樁基約束，溫度應用較大；因此，1#承臺分二層（第一層1.5m，第二層2m）水平全面分層澆筑。

每一分層混凝土澆筑遵循“同時澆搗、分層推進、一次到頂、循序漸進”原則，按30cm分層，在下一層混凝土初凝前完成上一層的混凝土澆筑。

上分層澆筑前應清除下分層混凝土表面浮漿，并拉毛處理。

5.3 設置冷卻管

5.3.1 冷卻管埋設

根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度分布特征，承臺內(nèi)部冷卻水管按照冷卻水由熱中心區(qū)域流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置，且上下層冷卻水管相互交錯，每層冷卻管進、出水口相互錯開。

承臺混凝土沿厚度方向布置3層Φ50mm的冷卻水管，水管水平間距為0.8m（見圖2）。

圖2 冷卻管平面布置圖

5.3.2 通水冷卻

冷卻水管在使用前應進行壓水試驗，防止管道漏水、阻水。

混凝土澆筑到各層冷卻水管標高后開始通水，流速應大于 60cm/s；保證冷卻水管進水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差不應超過25℃。通水時間可根據(jù)檢測結(jié)果確定。當溫度經(jīng)過最高點開始下降后，應通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量以控制降溫速度。

為防止上層混凝土澆筑后下層混凝土溫度的回升，澆筑下層混凝土時，對上層混凝土采用二次通水冷卻。

5.4 混凝土養(yǎng)護

混凝土澆筑完畢后，及時覆蓋養(yǎng)生草袋，對其進行保溫保濕養(yǎng)護。保溫養(yǎng)護可降低大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差值，從而降低混凝土塊體的自約束應力。混凝土灑水養(yǎng)護7d，保持混凝土表面濕潤，避免出現(xiàn)表面干裂收縮。

6 溫度監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析

為了掌握混凝土內(nèi)部的最高溫升及中心部位與表面部位的溫度差，以指導溫度控制技術(shù)措施，根據(jù)承臺混凝土的結(jié)構(gòu)特點、結(jié)構(gòu)的對稱性和溫度變化的一般規(guī)律，在承臺內(nèi)部共布設2層溫度傳感器，共10個。

溫度測試在混凝土澆筑后立即進行，連續(xù)不斷。混凝土的溫度測試，峰值以前每2h監(jiān)測一次，峰值出現(xiàn)后每4h監(jiān)測一次，持續(xù)5d，然后轉(zhuǎn)入每天測2次，直到溫度變化基本穩(wěn)定為止。采用PN結(jié)溫度傳感器測得承臺混凝土內(nèi)部溫度場各特征參數(shù)。

按照《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》（GB50204-2002）的規(guī)定：“大體積混凝土表面和內(nèi)部溫差控制在設計要求的范圍內(nèi)，當設計無具體要求時，溫差不宜超過25℃”。由表3可知，由于溫控措施到位，大體積混凝土溫度控制效果良好。

表3 承臺混凝土內(nèi)部溫度場特征參數(shù)

7 結(jié)語

綜上所述，在混凝土終凝、拆模、混凝土28d齡期及經(jīng)歷一個冬季后等不同階段，混凝土表面均未出現(xiàn)裂紋。因此，在大體積混凝土施工過程中，通過優(yōu)選混凝土原材料和優(yōu)化混凝土配合比、控制好混凝土澆筑工藝、布置冷卻水管進行通水冷卻、以及混凝土養(yǎng)護等溫控措施，可以有效的控制大體積混凝土的內(nèi)表溫差，避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

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