仙新路大橋承臺大體積混凝土防裂技術研究

錢 越

(南京市公共工程建設中心,江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著橋梁的發展壯大,大跨徑橋梁行業進入了新的篇章。而承臺作為基礎的重要結構,承受荷載大,質量要求高,是當前橋梁工程施工的重難點。大體積混凝土施工內部熱量和表面熱量存在較大的差異,這會導致拉應力的出現,加大混凝土裂縫發生的幾率,既對工程美觀性能造成影響,還有很大可能對結構產生嚴重影響,甚至導致結構無法使用,所以,大體積混凝土裂縫的控制是非常關鍵的。項目特點和控裂重難點如下:1)混凝土方量大(承臺23 816 m3);混凝土升溫速率控制不當,將導致開裂。2)本項目大體積混凝土在低溫狀態下施工。工程所在地氣溫較低,混凝土凍害預防、保溫養護難度較大。3)承臺長寬比較大(接近2∶1),因長寬方向膨脹收縮量差異較大,在長邊更容易出現開裂的現象。

1 工程概述

本項目大橋為主跨1 760 m的雙塔單跨懸索橋。承臺為長方形承臺,結構尺寸為74.8 m×39.8 m×8 m,采用C35混凝土。塔座呈棱臺形,采用C40混凝土,頂面尺寸為14.5 m(橫橋向)×18.0 m(順橋向),底面尺寸18.5 m(橫橋向)×22 m(順橋向),高度為3.5 m(如圖1所示)。

2 大體積混凝土仿真計算

2.1 混凝土配合比及性能指標

配合比見表1。

表1 C35承臺混凝土配合比 kg/m3

混凝土現場實測結果見表2。混凝土物理熱學參數根據混凝土配合比進行計算,線膨脹系數、泊松比根據經驗取值[1],結果見表3。

表2 C35承臺混凝土實測工作性能及力學性能指標

表3 混凝土物理熱學參數

2.2 模型參數

構件尺寸:結構為矩形,尺寸為39.8 m×74.8 m×8.0 m;塔座為棱臺形,尺寸為(14.5～18.5)m×(18.0～22.0)m×3.5 m。

約束條件:墊層50 cm,采取水下C30。

分層分塊:總體分2次,第一層澆筑厚度為4.0 m,第二層澆筑為4.0 m+0.5 m塔座預澆段。

由于本結構對稱,因此可以取承臺、0.5 m塔座的1/4進行計算,計算模型網格剖分圖見圖2。

2.3 邊界條件

澆筑邊界條件如表4所示。

表4 大體積混凝土邊界條件

1)環境溫度:主墩大體積混凝土預計工期為2021年1月中旬—2021年3月上旬。

2)澆筑溫度:混凝土于低溫期施工,根據氣溫進行估算,按照澆筑溫度下限控制,澆筑溫度控制為不小于5 ℃。

3)養護方法:低溫期施工側面帶模并覆蓋保溫層,上表面覆蓋保溫層。

4)冷卻水:承臺縱橫交錯布置布設冷卻水管,水管水平間距、豎管間距100 cm。承臺豎向布置為0.5 m+1.0 m×3 +0.5 m(見圖3),通水時間為7 d,承臺施工入水溫度取為 18 ℃,水管內徑40 mm,水流量取為1.5 m3/h。

2.4 溫度計算結果

結構內部的最高溫度、最大內表溫差計算結果見表5。

表5 溫度計算結果 ℃

結構內部最高溫度包絡圖見圖4。溫度控制的核心為“外保內散”,即內部加強通水降溫、外部加強養護保溫。

2.5 應力計算結果

各齡期溫度應力的計算結果如表6所示。均滿足要求,抗裂安全性較高。

表6 溫度應力計算結果

根據計算可知,澆筑完成3 d應力發展最為迅速,后期混凝土收縮,3 d后趨于平緩。因此需采取措施降低混凝土內部最高溫度,同時,提高表面溫度,使得內部溫度和表面溫度差值不超過規范值。

2.6 溫度控制標準

混凝土溫度控制的原則是:1)控制混凝土澆筑溫度。2)降低溫度上升的速率,使最高溫度出現晚。3)在達到溫峰之后,采取措施降低降溫速率。4)降低混凝土內表溫差,新舊混凝土溫差。5)控制混凝土表面溫度與外部環境溫度的差異。

根據計算結果和相關規范要求,并結合項目實際。本項目溫控標準見表7。

表7 溫度控制標準

3 施工控制措施

3.1 混凝土澆筑質量控制

3.1.1 混凝土原材料質量控制

混凝土施工期間,為了減少由于原材料質量問題影響過大而造成混凝土性能受損,在原料性能指標達到要求的前提下,對各批次的原料性能指標的波動(不超過±10%),盡可能控制[2-3]。

大體積混凝土水化熱發展受減水劑的凝結時間影響顯著,低溫期施工大體積混凝土在實驗室標準溫濕度下試拌的混凝土初凝時間要求為20 h～25 h,給定配合比的初凝時間C35為30 h,C40為21 h,能滿足混凝土大體積的緩凝要求。

3.1.2 混凝土生產質量控制

專門設儲存倉儲存各種原材料。在混凝土攪拌前,要對集料的含水量的變化進行嚴格測定,以便施工配合比的及時調整。保證混凝土在入模后不分層、不離析,混凝土應具有較好的黏聚性、勻質性。

3.1.3 混凝土運輸、澆筑和振搗質量控制

1)保證混凝土運輸過程中的整齊劃一。2)優化混凝土布面方式:橫向分層次連續澆筑混凝土。3)優化分層澆筑厚度:嚴格控制不大于30 cm。4)混凝土振搗正確。5)混凝土浮漿控制:在保證可泵送前提下,降低坍落度。6)收漿抹面:混凝土振搗后,暴露面至少要進行二次及時的抹壓和收漿處理。

3.2 混凝土澆筑溫度控制

承臺混凝土施工時間預計2021年1月—2021年3月,所處位置氣溫較低,為低溫期施工,混凝土有防凍害需求,需嚴格控制混凝土澆筑溫度下限。

3.2.1 澆筑溫度下限對應氣溫條件確定

根據表7要求,混凝土入模需控制為不小于5 ℃且不大于30 ℃。為防止混凝土凍害發生,首先需確定澆筑溫度不小于5 ℃對應氣溫條件,根據氣溫情況對澆筑溫度進行控制。

通過計算,C35混凝土出機口溫度在最低氣溫-6 ℃時為6.8 ℃。低溫期施工時,混凝土在運輸、泵送過程中會產生溫降(約-1 ℃),當氣溫不小于-6 ℃時可通過常規控制確保混凝土澆筑溫度不小于5 ℃(見表8)。

表8 出機口溫度(氣溫-6 ℃時)

3.2.2 低溫期施工混凝土澆筑溫度控制

由以上計算可知,當氣溫不小于-6 ℃時,澆筑混凝土的溫度不小于5 ℃。若出現氣溫小于-6 ℃的極端天氣,要采取相應措施,使各種原材料溫度升高。主要有:1)拌制混凝土時采用(40±5)℃的熱水;2)采用保溫防寒被對拌合站原材料儲存罐進行包裹;3)采用黑色棉篷布、土工布或保溫防寒被等對罐車進行包裹,避免因混凝土受凍而損失熱量,確保澆筑溫度高于規定溫度。

3.3 冷卻水管的布設及控制

承臺分上下兩層澆筑,每層均有4層冷卻水管縱橫交錯。水管的水平布設間距為80 cm～100 cm,垂直布設間距為85 cm～100 cm(承臺第一層為85 cm以避開底層鋼筋);奇數層布設20套水管,偶數層布設19套水管,每套水管均設一個進出水口,每套水管長度不超過200 m。

主墩承臺澆筑層均現場布設4個獨立水箱、4個分水器,每個分水器20個閥門,每個水箱一個補給水泵(1號、2號水箱分別配備7.5 kW水泵;3號、4號水箱共用18 kW水泵),兩水箱之間設置一個增壓泵(1.5 kW)。

1號水箱分別控制第一層及第四層編號為1號—10號 的水管的循環系統。

2號水箱分別控制第二層及第三層編號為1號—10號 的水管的循環系統。

3號水箱分別控制第一層編號為11號—20號的水管及第四層編號為11號—19號的水管的循環系統。

4號水箱分別控制第二層編號為11號—19號的水管及第三層編號為11號—20號的水管的循環系統。

3.4 混凝土澆筑間歇期控制

各層混凝土澆筑間歇時間控制在7 d～10 d,以避免下層混凝土對上層新澆筑混凝土產生過大固結約束導致開裂。

3.5 拆模時間控制

混凝土拆模時間按齡期和實測溫度雙控:澆筑完成5 d后;且需確認混凝土內表溫差在15 ℃以下,混凝土表面溫度與環境溫度的差異在20 ℃以下,方可拆模。

3.6 養護控制

較低的溫度時需要保溫養護,減小內表溫差。溫度高時,需要減小混凝土收縮對表面造成的應力,需采取保濕養護措施。

4 大體積混凝土施工方法

4.1 混凝土的拌和

混凝土出機口溫度不宜過高,應盡可能降低。必要時可采取措施進行降溫,一般情況下,混凝土出機口溫度控制在6 ℃左右。

嚴格控制混凝土的拌和時間,保證混凝土的均勻性、和易性。

4.2 混凝土的澆筑

如果新澆筑的混凝土與上一層混凝土未進行初凝前覆蓋并搗實,就容易出現冷縫。冷縫的形成還會受到結構尺寸、鋼筋的疏密、預埋管、混凝土的供應以及水化熱的作用。本工程因承臺尺寸較大,水平分層分區域澆筑每層澆筑厚度不大于30 cm,并重點對結合部位混凝土加強振搗且振搗均勻。分區域進行每層承臺混凝土的澆筑,混凝土澆筑按照先從橫橋向兩端向中間分層推進(奇數層),然后再從中間向兩端推進(偶數層),來回循環澆筑,直至完成混凝土澆筑。澆筑方式見圖5,圖6[4-5]。

澆筑后3 h～4 h內用水平刮尺初步刮平,然后用木抹子搓平壓實,最后用鋼抹子收面,避免混凝土表面水泥漿厚的現象發生。為防止表面龜裂,初凝前至少保證收面3遍～5遍。

5 異常情況處理

1)氣溫變化:在承臺施工和養護過程中,密切關注天氣預報,如果遇到氣溫驟降,可以推遲新混凝土的澆筑,在已澆筑完成的構件頂面、側面增設防雨布。

2)冷卻水循環系統故障:冷卻水管采用支撐結構進行固定,為防止漏水,需提前進行通水,檢查水管的密封情況,如有漏水,采取熱縮管或者膠布密封好。要派專人檢查通水的情況,配備發電機,避免因為停電導致冷卻水供應不足。

3)數據超標:如果混凝土澆筑溫度超過目標值,需及時對原材料采取一定的保溫措施(如加熱拌合水等),確保混凝土澆筑溫度處于可控范圍,避免混凝土凍害發生。

如果混凝土內外溫差較大,可增加進水流量、降低進水溫度,以加強內部降溫,或加強外部保溫,提高保溫層厚度,做到外保內散。

如果構件內部降溫速率過快,冷卻水的進水流量或溫度應及時調整,必要時關停冷卻水管[6]。

6 結論

南京仙新路跨江大橋南塔承臺大體積混凝土施工通過仿真技術分析和施工過程中的監測,以及一系列溫度控制措施,得出以下結論:

1)承臺混凝土早期水化熱溫度成線性增長,在澆筑完成后70 h達到峰值,之后溫度下降直至穩定,由此引起的拉應力最大。

2)溫度達到峰值時,內表溫差造成的拉應力主要集中于混凝土表面,以及承臺第二層混凝土面與塔座的交接處。

3)采取在混凝土內部布設冷卻水管、混凝土頂面和側面覆蓋保溫層等措施,能有效預防早期裂縫的出現。