深埋式承臺大體積混凝土溫度控制技術(shù)

馮前進，周日喻，張 楠，孫勁聲

(廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340)

1 工程概況

在建設(shè)增城區(qū)石灘東西大道時，其具體的施工位置為廣東省廣州市增城區(qū)石灘鎮(zhèn)，本標(biāo)段為第三標(biāo)段，路線長1.798 km，其中石灘大橋主橋跨越增江，大橋的形式為分幅雙塔三跨矮塔斜拉橋，橋跨設(shè)置為83 m+148 m+83 m。

13#、14#主墩承臺為整體式，尺寸49.25 m(長)×12 m(寬)×3.5 m(高)，混凝土為C30，單個承臺方量為2 068.5 m3，單個承臺混凝土一次性澆筑完成。圖1為承臺立面圖。

圖1 承臺立面圖(單位：mm)

2 施工準(zhǔn)備

在對大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力進行控制時困難重重，影響因素比較多。對此，應(yīng)詳細(xì)分析溫度應(yīng)力產(chǎn)生的原因，落實好原材料選擇、配合比設(shè)計等工作，保證大體積混凝土的施工質(zhì)量滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 材料選擇

為減少單位水泥用量，降低水化熱，延長混凝土初凝時間，必須做好承臺混凝土原材料挑選和預(yù)控技術(shù)措施[1]。本工程采用自制混凝土澆筑。①水泥：臺泥(英德)P·O42.5R 水泥；②碎石：5 mm～31.5 mm 連續(xù)級配碎石；③砂：中砂，細(xì)度模數(shù)為2.9；④外加劑：由哈爾濱強石新材料技術(shù)開發(fā)股份有限公司QSH-1000緩凝高效減水劑；⑤粉煤灰：FⅡ類級；⑥拌合用水：拌合用水應(yīng)符合有關(guān)規(guī)范規(guī)定。

2.2 混凝土配合比

承臺混凝土設(shè)計強度等級為C30，在規(guī)范范圍內(nèi)，摻加粉煤灰摻合料，降低混凝土的水化熱，減少溫度應(yīng)力產(chǎn)生。混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

2.3 冷卻水管

主塔承臺混凝土內(nèi)按水平縱橫交錯布設(shè)3層冷卻水管，冷卻水管為φ42.25 mm薄壁鋼管，第1層水管距離底部75 cm，第2層距離底部175 cm，第3層距離底部275 cm，水平間距100 cm。當(dāng)冷卻水管位置與主筋及鋼絞線有沖突時可適當(dāng)挪動水管位置。冷卻水管立面布置圖如圖2所示。

圖2 冷卻水管立面布置圖(單位：mm)

2.4 測溫元件的布置

根據(jù)構(gòu)件對稱性的特點，選取構(gòu)件的1/4塊布置測點。在布設(shè)溫度測點時，其具體的內(nèi)容包括內(nèi)部溫度測點和表面溫度測點等內(nèi)容，以溫度場的分布規(guī)律為基礎(chǔ)，承臺混凝土的布設(shè)層數(shù)為3層，測點數(shù)量為21個。

2.5 溫控計算

2.5.1 材料參數(shù)

參考有關(guān)設(shè)計規(guī)范及工程試驗結(jié)果，承臺C30混凝土劈裂抗拉強度、彈性模量、熱學(xué)參數(shù)、自生體積變形取值如下。

1)在7 d、14 d、28 d、60 d齡期內(nèi)，劈裂抗拉強度的取值為2.2 MPa、3.31 MPa、4.11 MPa、4.3 MPa。

2)彈性模量取值。3 d、7 d、28 d、60 d彈性模量取值分別為2.04×104MPa、2.9×104MPa、3.76×104MPa、3.94×104MPa。

3)熱學(xué)參數(shù)。線膨脹系數(shù)1/T為1×10-5，導(dǎo)溫系數(shù)為0.068 m2/h，導(dǎo)熱系數(shù)為2.3 kcal/(m·h·℃)。

4)3 d、7 d、14 d、21 d、28 d、60 d、90 d、180 d齡期內(nèi)，自生體積變形的具體情況為2.11×10-6、15.54×10-6、18.03×10-6、6.09×10-6、-3.89×10-6、-7.47×10-6、-12.07×10-6、-29.30×10-6(負(fù)值代表收縮)。

水泥水化熱試驗結(jié)果見表2。

表2 水泥水化熱試驗結(jié)果

2.5.2 計算結(jié)果及分析

使用大型有限元程序來完成溫控計算工作，以承臺的結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，選取承臺的1/4來計算網(wǎng)格剖分，具體情況如圖3所示。

1)計算模型及假定。①承臺混凝土按一次澆筑成型；②計算時考慮冷卻水管降溫效果；③承臺混凝土受鉆孔樁和封底混凝土的約束，計算時取彈模為3.5×104MPa；④計算時考慮混凝土表面的保溫，根據(jù)承臺四周邊界條件取相同的散熱系數(shù)，承臺頂面為第三類邊界條件(向空氣散熱)，取散熱系數(shù)為1.11 m/d；⑤導(dǎo)溫系數(shù)依據(jù)配合比取為0.107 m2/d；⑥計算時考慮徐變、自生體積變形對混凝土應(yīng)力的影響。

圖3 承臺網(wǎng)格剖分圖(取1/4承臺)

2)溫控計算結(jié)果。溫度計算結(jié)果：承臺支撐于墊層上，總體溫度分布為邊緣溫度低，中心溫度高，其中內(nèi)部最高溫度為54.9℃，出現(xiàn)時間為澆筑后3 d，最大溫差24.8℃。

在計算仿真應(yīng)力時，承臺頂面出現(xiàn)了最大的拉應(yīng)力，其隨著齡期的變化而發(fā)生改變，在60 d時達到最大值。同強度等級混凝土的容許劈裂抗拉強度要大于混凝土的主拉應(yīng)力，混凝土的抗裂安全系數(shù)應(yīng)>1.2。

3 承臺大體積混凝土施工溫度控制措施

3.1 溫控控制標(biāo)準(zhǔn)

以相關(guān)規(guī)范要求為基礎(chǔ)，對該工程的實際施工情況進行詳細(xì)分析，溫度控制的標(biāo)準(zhǔn)為：承臺混凝土最大水化熱溫度保持在75℃以內(nèi)，最大內(nèi)表溫差要控制在25℃以內(nèi)，混凝土表面養(yǎng)護水溫度與表面溫度的差值要控制在15℃以內(nèi)，混凝土的最大降溫速率要保持在2.0℃/d之內(nèi)。

3.2 混凝土澆筑溫度的控制

在運輸、泵送、澆筑和振搗混凝土?xí)r，不僅會與大氣和倉面環(huán)境產(chǎn)生熱交換，而且會與混凝土運輸車車鼓、泵送管內(nèi)壁、模板、鋼筋以及混凝土內(nèi)部產(chǎn)生摩擦，這些因素使得混凝土的溫度出現(xiàn)持續(xù)上升，混凝土的溫度主要來源于水化熱、摩擦和熱傳遞。

1)在冷卻骨料時，使用的主要措施為噴霧、通風(fēng)、搭建遮陽棚和增加儲存量。

2)在冷卻膠材時，使用的主要措施為倒倉、轉(zhuǎn)運和延長儲存時間，水泥溫度要保持在60℃以內(nèi)，粉煤灰的溫度要保持在40℃以內(nèi)。

3)盡量優(yōu)選澆筑時間，施工避開高溫日曬時段。

4)使用反復(fù)淋水降溫的方式處理運輸罐車，使用濕麻袋或者濕罩布覆蓋泵送管道，防止陽光長時間照射造成不良影響。

3.3 混凝土澆筑分層厚度

承臺高度3.5 m，采用一次澆筑，澆筑時應(yīng)分層，每層厚度30～40 cm，避免混凝土過厚導(dǎo)致混凝土溫升過高。

3.4 冷卻水管通水控制

當(dāng)混凝土澆筑施工達到冷卻水管標(biāo)高位置時方可通水，使用循環(huán)淡水充當(dāng)冷卻水。混凝土升溫初期采用外循環(huán)，即冷卻出水直排并不間斷補充淡水以最大程度冷卻混凝土；混凝土內(nèi)部溫度與進水溫度之差達到25℃后改為內(nèi)循環(huán)，即冷卻出水回到循環(huán)水箱，根據(jù)需要補充淡水，在充分冷卻混凝土的前提下盡量避免進水溫度過低給混凝土造成冷擊；溫峰值過后，以溫度監(jiān)測結(jié)果為依據(jù)，混凝土內(nèi)部最高溫度與冷卻水進水溫度差要保持在25℃之內(nèi)，在控制冷卻水流量時要使用單獨的水閥，將混凝土降溫速率控制在2.0℃/d之內(nèi)。

3.5 保溫、養(yǎng)護

在養(yǎng)護大體積混凝土?xí)r，從溫度和濕度兩個方面著手。采取措施提升混凝土保溫養(yǎng)護的效果，將混凝土內(nèi)部溫差控制到最低。氣溫較低時施工以保溫養(yǎng)護為主，氣溫較高時施工以保濕養(yǎng)護為主。

在開展養(yǎng)護施工任務(wù)時，依據(jù)環(huán)境溫度、混凝土表面溫度和混凝土內(nèi)部溫度的監(jiān)測結(jié)果對養(yǎng)護制度和養(yǎng)護策略進行及時調(diào)整，混凝土表面與混凝土內(nèi)部的溫差控制在25℃以內(nèi)，混凝土表面與環(huán)境的溫差控制在20℃以內(nèi)。同時，混凝土在整個養(yǎng)護期間和降溫過程中，應(yīng)采取措施保護混凝土濕度不發(fā)生損失。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

對施工現(xiàn)場的混凝土內(nèi)部溫度進行準(zhǔn)確測量，其最終的測量結(jié)果見表3。

4.2 數(shù)據(jù)分析

分析檢測數(shù)據(jù)信息可發(fā)現(xiàn)，主墩承臺混凝土內(nèi)部溫度變化表現(xiàn)出來的特點為急劇升溫后緩慢下降，直到達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

通過對溫度曲線進行分析，溫度曲線分為三個階段：升溫階段、強制降溫階段和自然降溫階段。其中降溫階段比升溫階段時間要長得多。

1)在升溫的過程中，水化熱溫度持續(xù)升高，混凝土入模以后，水化反應(yīng)比較強烈，在36 h后達到最大值，持續(xù)1～4 h以后，出現(xiàn)回落的情況。

2)在使用強制降溫措施以后，冷卻水管在持續(xù)作用的影響下，混凝土溫度出現(xiàn)了大幅度降低的情況，此時降溫速度也比較快。

3)在自然降溫的過程中，溫度變化曲線比較平緩，逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。平穩(wěn)降溫為混凝土的正常冷卻奠定了良好的基礎(chǔ)，并將降溫速率和溫差控制對混凝土造成的變形應(yīng)力控制到最小的范圍。

5 結(jié)束語

在承臺施工的過程中，采取積極的措施控制大體積混凝土的溫度取得了良好的效果，值得同類型工程項目借鑒和學(xué)習(xí)。

1)對于大體積混凝土溫控，混凝土配合比及其材料性質(zhì)對于溫控具有決定性意義。

2)采用有限元程序進行溫控計算，為現(xiàn)場進行溫控控制提供依據(jù)。

3)在控制冷卻水管通水時間和溫度時，要以混凝土的內(nèi)部溫度變化為依據(jù)。

4)在控制混凝土裂縫問題時，采取的主要措施為保溫保濕養(yǎng)護，這也是整個工程項目施工的主要內(nèi)容。

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