大体积承台混凝土的温控措施

周高峰

1 工程概况

京沪高铁四标十六工区亮岗特大桥(DK856+739.53～DK872+501.27),共有承台485个,承台尺寸共有6种规格,见表1。

表1 承台尺寸规格表

最大承台混凝土方量为253.155 m3,最小承台混凝土方量为102.9 m3。混凝土设计强度为C30,每立方米混凝土材料用量为222 kg(水泥)∶726 kg(细骨料)∶1 089 kg(粗骨料)∶145 kg(水)∶111 kg(粉煤灰)∶37 kg(矿粉)∶3.7 kg(外加剂),混凝土理论配合比为1(水泥)∶3.27(细骨料)∶4.91(粗骨料)∶0.65(水)∶0.50(粉煤灰)∶0.17(矿粉)∶0.02(外加剂),坍落度为 175 mm,水胶比为0.39。

2 承台大体积混凝土温度控制措施

2.1 降低水化热,延迟水泥水化热峰值

1)采用低水化热水泥;2)掺粉煤灰外掺料,取代部分水泥,减少水泥用量,降低水化热;3)掺缓凝型减水剂,以节约水泥,延长缓凝时间,延迟水泥水化热峰值。

2.2 降低混凝土成型时的温度

1)降低混凝土浇筑入模温度;2)避开高温时段进行混凝土施工;3)避免使用新出厂的水泥;4)喷水冷却集料;5)利用新抽深井水降低拌合水温度;6)对混凝土配料、运送、泵送及其他设备采取降温措施。确保内外温差控制在20℃以内,尽量降低混凝土内部温度的升降速率。

2.3 工艺上防止混凝土开裂的措施

1)大体积混凝土的材料要求及配合比设计按大体积混凝土配合比设计有关规定,合理选择原材料,优化混凝土配合比。2)混凝土的组织供应:承台施工时混凝土初凝时间按不小于20 h设计;混凝土入模时采用泵送布料和混凝土运输车利用滑槽通过串筒入模,避免混凝土出现离析;坍落度在满足泵送条件下尽量选取小值。3)进行混凝土热工计算,得出承台混凝土在最不利温度条件下浇筑以后的绝升温度以及混凝土温度“上升→峰值→下降”变化影响规律,用以指导施工采取相应的温控措施。4)承台施工时尽量采用一次浇筑混凝土,并在浇筑中采用分层浇筑,分层厚度小于30 cm,通过分层,增加散热面积。5)加强温控监测。在承台混凝土中埋设测温元件,用来测定结构内部温度,随时观察混凝土内外温差变化情况并及时采取有效措施进行温度控制。6)通过埋置冷却管实现冷却水循环,利用热交换降低混凝土结构中不同界面、不同深度的温度,以达到减小内外温差的目的。7)混凝土浇筑后,注意覆盖保温,加强养生,并保证混凝土结构内外温差不超过20℃;遇气温骤变的天气,更要加强保温措施,以防混凝土结构内外温差过大而导致混凝土出现裂纹。8)组织管理保证措施:每次大体积混凝土浇筑前,组织协调好混凝土生产、运输人员、施工人员、测试人员,明确各部位的负责人,严格现场管理,并加强材料控制和机械设备要素配置,确保混凝土施工连续紧凑、不间断施工。

3 埋设冷却管的温控措施及温控计算

3.1 冷却管设计

1)混凝土拌合物温度。

其中,mw,mce,msa,mg分别为水、水泥、砂、石单方用量,kg,分别为 145,222,726,1 089;Tw,Tce,Tsa,Tg分别为水、水泥、砂、石的温度,℃,分别取 25,30,30,30;ωsa,ωg分别为砂、石的含水率,%,分别为4.3,0.2;C1,C2分别为水的比热,J/(kg◦K),冰的融化热,kJ/kg,骨料温度大于0℃时,C1=4.2,C2=0;骨料温度不大于0℃时,C1=2.1,C2=335。

2)混凝土拌合物出机温度。

其中,Ti为搅拌机棚内温度,℃,取28。

3)混凝土拌合物经运输到浇筑时温度(入模温度)。

规范要求小于入模温度不大于28℃(混凝土暑期施工)。

其中,t1为混凝土拌合物运输到浇筑的时间,h,取最远10 min=0.17 h;n为混凝土拌合物运转次数,取10 s一次,10 min共60次;Ta为混凝土拌合物运输时环境温度,℃,取28;α为温度损失系数,h-1,用混凝土罐车运输时,取0.25。

4)混凝土15 d水化热绝热温度。

其中,T(t)为浇完一段时间后,混凝土的绝热温升值,℃;mc为每立方米混凝土的胶凝材料用量,为370 kg/m3;Q为胶凝材料水化热总量,kJ/kg,Q=kQ0=(1+0.93-1)×247=230,Q0为水泥水化热总量,kJ/kg,取247;c为混凝土的比热,kJ/(kg◦℃),取0.96;ρ为混凝土的质量密度,取2 400 kg/m3;e为常数,取2.718;m为与水泥品种,浇捣时与温度有关的经验系数,一般为0.2～0.4,取0.3;t为混凝土浇筑后至计算时的天数,d,取15。

5)混凝土的收缩变形值ε(t)。

根据施工工艺,M1=1.25,M2,M3,M5,M9均取1,M4=1.27,M6=0.93,M7=0.7,M8=1.03,M10=0.95,则:

其中,Mn为考虑各种非标准条件的修正系数,查表取用;ε0y为标准状态下的最终收缩值,取3.24×10-4。

6)混凝土15 d收缩当量温差。

其中,α为混凝土的线膨胀系数,取1×10-5。

7)混凝土15 d的弹性模量。

其中,Ec为混凝土的最终弹性模量,可近似取28 d的弹性模量,为 3.0×10-4MPa。

8)露天养护期间混凝土综合温差。

其中,T2为混凝土的入模温度,℃;Th为混凝土浇筑后达到稳定时的温度,一般根据历年气象资料取当年平均气温为16.8℃。

9)露天养护期间混凝土产生的降温收缩应力。

其中,S(t)为考虑徐变影响的松弛系数,一般取0.3～0.5;R为混凝土的外约束系数,取0.32;v为混凝土的泊松比,取0.15;R1为混凝土的抗拉强度设计值,取1.3 MPa;K为抗拉安全度,取1.15。

可能会产生裂缝,为控制裂缝产生,采用冷却管降低混凝土内部温度时,冷却管的布置及水流的循环计算结果如下:

欲使α(15)≤0.85 MPa,即应使混凝土内部温度 Δt=41.88-33.9=7.98℃≈8℃以上。混凝土的水化反应在3 d～7 d最大,取5 d(120 h),进水管水温取25℃,冷却管的水流量 a应不小于1.85 m3/h。为严格控制承台大体积混凝土浇筑后产生的温度应力,在经优化后,确定在承台内平面分两部分,立面按一层进行冷却管设置,共计 5段循环冷却管道,散热管采用φ 33.7 mm×3.25 mm钢管,流量不小于30 mL/min。

3.2 冷却管布设

夏季高温季节施工时,除采取降低混凝土入模温度、加强养护的措施外,部分承台采用循环冷却水措施降低混凝土内部温度。冷却水管采用φ 33.7 mm钢管,管节采用套丝连接,并设置进出口各一处。对2 m高承台,在其中部布设一层冷却水管,2.5 m高承台布设两层冷却水管,分别布置在承台的1/3和2/3高度处。冷却水管水平间距2 m,端头用圆管相连。在承台钢筋绑扎、冷却管安装完毕后混凝土浇筑前,冷却管须注水检查,确认管节不渗水后方可进行混凝土浇筑。冷却管出水口水流量不小于1.85 m3/h,进水水温与混凝土内温差不大于20℃,冷却管进出口水温差不大于20℃,3 d之后每隔2 h测量记录一次,在确认不需要用冷却管后,必须将管道进行压浆处理,但水泥砂浆强度不低于承台混凝土标号。为防堵管和漏水,灌注混凝土前应做通水试验。在冷却管被覆盖一层混凝土时开始通水,水压可根据天气和水化变化热情况适当调整,应将出水口水温尽量控制在40℃以内,每天改变一次水流方向,以使混凝土冷却均匀。布置图见图1。

3.3 测温器材设置安装

承台大体积混凝土温度控制采用预埋PVC管做测温孔 ,测温探头测内外温度;预埋PVC管固定在承台钢筋上,防止混凝土浇筑过程中移位。测温孔预埋图见图2。

4 混凝土的养生

混凝土养护包括湿度和温度两个方面,除洒水外,还要控制混凝土的温度变化,采取保温和散热的综合措施,防止温降和温差过大。在炎热夏季,混凝土浇筑完成后即用薄膜塑料布覆盖,防止表面水分蒸发,初凝前,卷起塑料布用抹子搓压表面至少两遍,使之平整后再次覆盖,直至终凝后方可浇水养生,此时用保水材料直接将外露面覆盖进行养生,并根据内外温差情况及时在保水材料外覆盖塑料布进行养护。当混凝土强度达到可以松开模板时,及时松开模板从顶面注水养护。

5 结语

2008年我单位在京沪高速铁路四标段十六工区亮岗特大桥施工大体积承台,取得了很好的效果。亮岗特大桥(DK864+620.04)起点里程 DK856+739.53,终点里程 DK872+501.27,全长15 761.74 m,全桥混凝土 190 736 m3。钻孔桩:4 021根,承台485个,墩台485个,其中最大承台为8.3 m×12.2 m×2.5 m,在承台施工过程中有效的解决了混凝土表面由于内外温差产生的温度裂缝,对以后大体积承台的施工有了一定借鉴。

[1] 铁建设〔2005〕160号,客运专线铁路桥涵工程施工质量验收暂行标准[S].

[2] TZ 213-2005,客运专线铁路桥涵工程施工技术指南[S].

[3] 铁建设〔2005〕160号,铁路混凝土工程施工质量验收补充标准[S].