虎跳河特大橋承臺大體積混凝土溫差測控研究

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摘　要:結合貴州虎跳河特大橋6 號～10 號墩承臺大體積混凝土在冬春季低溫條件下的施工實例,介紹了對橋梁承臺大體積混凝土的溫差測控,提出了摻入高效減水劑、采用蓄水養(yǎng)護法等改進措施,以有效地防止溫度裂紋、裂縫的產生。

關鍵詞:特大橋,大體積混凝土,承臺,水化熱

中圖分類號: TU755. 7 文獻標識碼:A

引言

　　隨著西部大開發(fā)的進行,在西南部崇山峻嶺地區(qū)將要建造很多特大型橋梁,其主墩承臺多為大體積混凝土,混凝土凝結時,水泥和水發(fā)生水化反應放出大量的水化熱,當混凝土體積較大和散熱條件不好時,水化熱基本上積蓄于混凝土內,從而引起混凝土內部溫度的明顯升高。在混凝土內外散熱不均勻以及受到內外約束的情況下,會引起混凝土體積的不均勻變化即溫度變形。當溫度變形受到約束而不能自由伸縮時,就會引起溫度應力,從而產生溫度裂縫。

　　文中以貴州虎跳河特大橋為依托,對橋梁承臺大體積混凝土施工溫度測控進行了研究分析。滬瑞國道主干線(貴州境) 鎮(zhèn)寧至勝境關公路虎跳河特大橋主橋橋跨布置為(120 + 4 ×225 +120) m 六跨一聯(lián)的預應力混凝土連續(xù)剛構橋,6 號～10 號墩為主墩,均在干處施工,主墩樁基礎為4 排共16 根直徑2. 5 m 的鉆孔灌注樁,樁基采用C30 水下混凝土,承臺均采用C30 混凝土,承臺體積均為長×寬×高= 22. 75 m ×22. 75 m ×5 m。以上五個承臺均為大體積混凝土,采用大塊鋼模板,均一次澆筑成型,施工中混凝土產生的水化熱對溫差裂縫的影響不容忽視,為保證施工質量,在施工過程中需對承臺混凝土進行溫度監(jiān)控。

1 　施工溫度監(jiān)控概況

　　本橋主墩承臺在降低大體積混凝土內部最高溫度以及控制混凝土內外溫度差在25 ℃以內,存在兩個極不利因素:1) 承臺混凝土較厚,高為5 m ,需要一次性澆筑,混凝土內部溫度不易發(fā)散;2) 在冬春季施工,環(huán)境溫度低,貴州當?shù)貧鉁卮蠹s在0 ℃～10 ℃內變化,混凝土內表溫差大。在這些因素綜合作用下,混凝土內部必然產生較高的溫度,存在著產生裂縫的危險。

　　針對虎跳河特大橋在冬春季施工等特點,為了保證承臺大體積混凝土在澆筑后,使其內部溫度場變化能夠按照預計的方向發(fā)展,需要采取以下措施:降低核心混凝土的最高溫度和最高溫升;降低內外溫差,并控制在25 ℃內;控制混凝土的降溫速率,不大于1. 5 ℃/ d ,以防出現(xiàn)冷擊;出水口溫度控制在40 ℃以內;出水口流量最好能保證在30 L/ min 以上。

2 　溫度計算

　　溫度計算首先要按經驗公式對混凝土內部溫度進行計算,估計混凝土中心最高溫度。混凝土最大水化熱絕熱溫升值計算公式如下:

　　其中, W 為每立方米混凝土水泥用量,可取285 kg/ m3 (貴州水城烏蒙山水泥P. O32. 5) ; Q0 為每千克水泥水化熱量,可取289 kJ / kg ; C 為混凝土的比熱,可取0. 96 kJ / kg·K;γ為混凝土的質量密度,可取2 400 kg/ m3 。

　　混凝土內部實際最高溫度計算公式[ 4 ]如下:

Tmax = T0 + T′maxζ (2)

　　其中, Tmax為混凝土內部的最高溫度, ℃; T0 為混凝土的澆筑入模溫度, ℃; T′max為混凝土最大水化熱絕熱溫升值, ℃;ζ為不同的澆筑塊厚度、不同齡期時的降溫系數(shù),根據(jù)文獻[ 4 ] ,通過線性差值ζ取為0. 8 。

　　根據(jù)交通部公路科學研究院虎跳河特大橋主墩承臺水化熱監(jiān)控階段成果,虎跳河特大橋五個主墩承臺混凝土澆筑入模溫度T0 、實測最高溫度、通過上述公式計算所得的混凝土內部最高溫度Tmax以及由實測值反算得到的ζ值見表1 。

　　由表1 可以看出,傳統(tǒng)的經驗公式在本橋承臺大體積混凝土施工溫度預測中,理論值可能由于山砂、粉煤灰等影響而小于實測最高溫度,其中起到重要作用的是降溫系數(shù)ζ, 由ζ反算值可以看出傳統(tǒng)公式中ζ值在本橋承臺大體積混凝土水化熱計算中不能很好地指導理論計算,為了使得理論計算能夠較好地指導溫度監(jiān)控的進行,必須仔細考慮影響ζ的因素,或者采用有限元分析等方法對大體積混凝土內部水化熱進行較為可靠的分析與預測。

3 　測點的布置

　　以真實反映混凝土塊體的內外溫差、降溫速度及環(huán)境溫度為原則,并結合設計圖紙中承臺冷卻管的布置及施工工藝來確定測點的合理布置。本橋承臺擬采用如下方案進行測點布置:1) 通過在中心豎軸布置一組測點,找出最大溫升點。2) 在頂表面、側面附近布置兩組測點。了解外界氣溫對混凝土溫度的影響,以指導養(yǎng)護和拆模。3) 在冷卻水管之間水平和豎直方向布置兩組測點,以了解冷卻水管的影響范圍,據(jù)此調節(jié)冷卻水管的橫向、豎向間距,以及控制冷卻水管與混凝土之間的溫差。

4 　溫度測試結果分析

　　各項監(jiān)測項目應在混凝土澆筑后立即進行,連續(xù)不斷地進行混凝土的溫度測試,峰值出現(xiàn)以前每2 h 監(jiān)測一次,峰值出現(xiàn)后每4 h 監(jiān)測一次,持續(xù)5 d ,然后轉入每天測兩次,直到溫度變化基本穩(wěn)定。根據(jù)測溫結果進行分析得到下列結論:

　　1) 大量的試驗數(shù)據(jù)表明:混凝土在澆筑后的1 d～3 d ,溫度處于上升階段,混凝土內部最高溫度多數(shù)發(fā)生在澆筑后的3 d～5 d內,第5 天以后混凝土溫度處于下降階段。本橋五個承臺混凝土內部各測點溫度大致在0 h～50 h 內處于上升階段,在50 h～120 h內達到最高值,而在120 h 以后處于下降階段,符合上述混凝土澆筑后這一溫度變化的規(guī)律。

　　2) 各個承臺混凝土內外溫差基本上控制在25 ℃以內,由于測點位于表面或者側面,且在冬季施工,外界低溫對混凝土的影響明顯,所以施工單位在混凝土澆筑初期對混凝土表面應該采取更為有效的保溫措施,以減少外界低溫對混凝土的影響。

　　3) 各個測點的混凝土降溫速率基本上控制在1. 5 ℃/ d 以下,部分時間段不滿足小于1. 5 ℃/ d ,是由于某測點布置在冷卻水管旁,受到了冷卻水管通水的影響,可以看出冷卻水管對于降低承臺溫度起了明顯的作用。

5 　對施工工藝的改進建議

　　大體積混凝土施工控制的關鍵是保證混凝土內外溫差小于25 ℃,通過對虎跳河特大橋主墩承臺大體積混凝土的溫度監(jiān)控研究,提出了以下幾點改進措施:

　　1) 摻入適當?shù)姆勖夯乙詼p少水泥用量,由公式(1) 可以看出,每立方混凝土減少10 kg 水泥用量,混凝土的最大水化熱絕熱溫升值降低1. 2 ℃左右,因此,在保證混凝土強度的前提下,盡可能降低水泥用量是一種有效的溫控措施。

　　2) 可以在混凝土澆筑后第二天開始采用蓄水養(yǎng)護法,使混凝土表層盡量保持在15 cm 水層,這樣可以大大降低混凝土表面熱量的散失。

　　3) 選用水化熱低的水泥,摻入高效減水劑,減水劑的緩凝作用能有效地削減水化熱峰值;摻入一定的鋼纖維,鋼纖維混凝土能很大地提高混凝土的抗拉性能,防止裂縫的產生。

6 　結語

　　通過對虎跳河特大橋6 號～10 號墩承臺大體積混凝土施工的溫控表明,采用合理的施工工藝,采取適當?shù)臏乜卮胧?使得本橋五個承臺混凝土表面平整,棱角平直,無施工接縫;有效地防止了溫度裂紋、裂縫的產生,個別承臺面的蜂窩麻面面積與非受力裂縫均符合設計要求,充分保證了大體積混凝土的施工質量。

參考文獻:

　　[1 ]秦文強,杜玉波,張德偉. 黃草烏江大橋承臺大體積混凝土溫度控制技術[J ] . 四川建筑,2003 ,23 (6) :84286.

　　[2 ]張秋信,于　水. 高強大體積混凝土施工控制[J ] . 公路,2004(9) :47249.

　　[3 ]王鐵夢. 工程結構裂縫控制[M] . 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997. 4872490.

　　[4 ]楊嗣信. 高層建筑施工手冊[M] . 北京:中國建筑工業(yè)出版社,1992. 1532158.

原作者： 俞露　王磊　朱為玄