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天 工 耗 2 0 0 7 年 第2 期 ( 总 第7 2 期 ) 大体积混凝土施工工艺设计及温控技术 王彬高志波 ( 高速公路投 资建设发展公司) 1 概述 天津海 河大桥是 位于 国道 主干线丹拉 ( 丹 东拉萨) 支线高速公路上、 横跨海河的特大型桥 梁 ， 大桥全长 2 8 3 8 m， 其中主桥为双塔双索面预应 力混凝土斜拉桥 ，主桥全长 6 6 8 m，跨径布置为 ： 1 5 2 + 3 6 4 + 1 5 2 m。主桥索塔基础承台设计平面尺寸 为 4 0 0 4 x 3 1 0 2 m， 四边为 2 x 2 m倒角结构， 混凝土 为 c 3 0混凝土， 浇筑方量为 5 9 9 0 余方 ， 要求连续 一 次性浇筑。 故本承台属于大体积混凝土， 而浇筑 季节为冬季 ， 于 1 2月 8日到 1 2日浇筑完成 ， 当时 外界气温最高4 4 ， 最低气温一 4 8 ， 所以本承台 混凝土施工关键就在于在内外温差过大的情况 下，如何避免由于混凝土水化热所产生的一系列 问题。因此 ， 在施工 中必须采用恰当的施工工艺 ， 浇筑过程中、 完成后实行温度控制， 以防止混凝土 开裂而造成混凝土质量问题 。 2 施工工艺设计 大体积混凝土施工工艺设计主要是针对本承 台混凝土的施工做出规范的施工规范操作规程 ， 依据设计要求，制定一种能够保证混凝土质量及 控制混凝土裂纹的措施 。 ( 1 ) 混凝土配合比设计 根据各种试验数据可知，在混凝土中的水泥 含量直接影响混凝土在凝结和增长强度过程中所 释放出的水化热的多少和快慢，故直接影响混凝 土内部温升的速度和峰值，因此选用合适的配合 比非常重要。 “ 双掺” 技术的使用 “ 双掺” 技术是指在混凝土中掺人粉煤灰及外 加剂， 优质的粉煤灰具有颗粒小、 需水量小、 含有 害物质( s o ， 、 m g o) 少的特点， 掺加于混凝土中， 有 38 利于改善混凝土拌和物的和易性、 易泵性， 是混凝 土理想 的活性材料。 粉煤灰在混凝土中能产生三个效应，即形态 效应、 活性效应和微集料效应， 这三个效应互为联 系、 互为补充。对改善混凝土的性能十分有利， 特 别是对浇筑大体积混凝土，粉煤灰取代部分水泥 的用量， 使混凝土的水化热有所降低， 可以有效地 防止温度偏高产生的混凝土裂缝。 在掺加粉煤灰的同时， 混凝土的胶体增加了， 故必须使用外加剂作为相应的措施，以减少水泥 的用量， 保证混凝土的强度， 同时外加剂可以创造 碱性环境，使粉煤灰的活性得到充分的发挥 ， 因 此 ， 掺加粉煤灰必须同时掺加外加剂， 即“ 双掺” 技 术 。 混凝土原材料 的选用 对 于混凝土来说 ，水泥在化学反应 中所释放 的水化热是决定混凝土内部温度高低的主要因 素 ，为防止混凝土终凝之后 内温度上升过高、 过 快， 就必须选用低水化热的水泥。 所以我们在此承 台混凝土配比设计时选择了p $ 3 2 5的矿渣水泥， 此种水泥性能见表 1 。 表 1 水泥性能 氧化镁 三氧化硫 8 0 m筛余 初凝时间 终凝时 间 水泥品种 ( ) ( ) ( ) 时 ： 分 时 ： 分 p s矿渣水泥 3 0 2 0 2 3 2 4 ： 0 5 5 ： 1 5 粗骨料要求含泥量、 粉屑、 有机物质和其他有 害物质不得超过( j t 卜_ 2 0 0 0 ) 公路桥梁施工技术 规 范 表 l o 1 2 1 5的规定 ， 骨料级配采用多级配 。 良好的级配可获得水泥含量低、混凝土强度高及 和易性好等最佳组合。 因此， 对粗骨料进行多个料 场选取工作做了大量的物理力学试验，其结果列 于表 2 。 维普资讯 大体积混凝土施工工艺设计及温控技术 王彬高志波 表 2 试验结果 规格 泥土含量 粉屑 针片状 压碎指标 级 配 ( mm) ( ) ( ) ( ) ( ) 2 5 2 5 0 7 1 1 5 8 5 2 良好 细集料：细集料是混凝土中影响敏感的原材 料之一 ，因细集料直接影响着混凝土的和易性和 强度， 如细集料偏粗， 则和易性差 ， 泌水性大， 如偏 细 ， 则含泥量多， 比表面积大， 含泥量多对混凝土 有较大影响。因混凝土可看成是细骨料与砂浆构 成的，所以影响混凝土的强度主要是砂浆及界面 强度， 选用的细集料各项指标详见表 3 。 表 3 细集料各项指标 含泥量 云母含量 平均 粒径 细度模数 级配 ( ) ( ) ( m m) o 6 o 6 oi 3 2 2 8 区 粉煤灰采用 级粉煤灰 ， 水采用地下水。 ( 2 ) 施工配合比 经过对粉煤灰、外加剂及各种原材料的优化 选择并经过多次试配， 最终确定了3 2 号主墩承台 施工配合 比， 见表 4 。 表 4 施 工配合 比 标号 水泥 水 砂 石料 粉煤灰 夕 加剂 ( yn b 4 ) c3 o 2 8 5 1 7 8 7 5 8 1 1 3 2 8 5 6i2 9 以上各项材料均按 k g m ， 计。 ( 3 ) 温度控制工艺 由于工期等因素所限，本承台只能在冬季施 工， 方能顺利完成工期内要求任务。 故本承台施工 即养护过程中必须采用外蓄、 内散的保温、 散热措 施， 并在浇筑养护过程中随时进行温度监控， 以防 止内外温差过大， 产生混凝土体温度裂缝。 具体措 施如下 ： 外蓄措施 由于本地在 1 2 月 1 0日 左右温度为最高4 ， 最低一 5 ， 风力 4 5 级， 为防止混凝土体内外温差 过大产生温度裂缝和防止表面风裂，必须在承台 上搭设防风保温棚， 并在棚内架设暖气， 在浇筑过 程、 养护过程中通暖保温， 并保持棚内温度在 2 0 左右，直至混凝土表面温度达到 2 0 左右方可停 气，这种方法证明可以非常有效地防止混凝土表 面产生温度裂缝 和风裂 。 内散措施 根据试验计算可知，本承台混凝土内部若没 有散热的情况下， 内部温度最高将达到 6 8 7 ， 采 用计算模型和计算公式如下： 计算模型： 由于本承台四周采用 3 层 8 0 c m混 凝土搅拌桩咬合闭合围堰 ， 桩墙体厚 1 8 0 c m， 可视 为绝热良好，故将承台温度视为周边绝热，仅沿 上、下方向进行温度传导和散热的一维热传导模 型。混凝土内部温度是水泥水化热引起绝热温度 的叠加 。 水泥水化反应所放出热量公式可以如下表 示 ： q = q 。 ( 一 e ) 式中： 龄期为 t 时的水泥发热量 ( j g ) ； p 旷 一水泥最终发热量( j g ) ； m 散热速率 。 绝热情况混凝土在不 同龄期 的绝热温升可用 下式表示： q = q o ( 一 e ) 式中 ： p - 绝热状态下水化热 引起 的混凝 土最 高温升。 这样可知， 如混凝土内不采用散温措施， 将与 外界温差悬殊， 远远超出安全温差 2 5 ， 可能致使 混凝土体产生温度裂缝，故在混凝土内部必须安 装散热装置， 即安装冷却散热水管。 散热水管水平串联安装 ( 分层并于水平间 加 设 进 、 出水 口 ) 、 水 平 并 联 安 装 ( 分 层 加 设 进 、 出水 口) 、 立体并联安装 ( 仅两个进水 口、 出水 口) ， 对几种方案 比较 发现 ， 水平 串联安 装的缺点较多 ， 主要有 以下几点 ： 水流路径过 长 ， 导致散热效率低 ； 水流路径过长 ， 导致 出 水 口处混凝土体可能无法散热 ，产生温度裂 缝 ； 若某一部分受阻塞 ， 则使该部分混凝土无 法散热 ， 导致温度裂缝产生 ； 进 出水 口过 多 ， 导致施工复杂化等等不利 因素。而并联安装 有效地解决 了上述连结 的缺点 ，可 以起到很 好 的散 热作 用 ，在水 平 并 联 连结 水 管 的基 础 上 ， 为简化施工 ， 我们采用 了立体并联连结散 热水管。具体连结方式见图 1 ： 3 9 维普资讯 大体积混凝土施工工艺设计及温控技术 王彬高志波 i i 一 、 i 8 。 i l 一 注 ： 1 、 冷却水管为 qb 2 5 m m焊接钢管 ； 2 、 平 面图中 4 0 0 4 m方向水管未画出 ， 连接方式与 3 1 0 2 m方向 连接方式相同。 图 1冷却水管平面布置图 ( 4 ) 选用合适的测温仪器和测温点布置 测温仪器的选用 测温仪表选用 s q 一 2数字式电桥， 基本误差： 电阻比 0 0 2 ，电阻 0 0 3 1 2 ，使用温度条件 0 4 0 ， 附加误差 0 ， 电阻 0 0 3 1 2 。 测温原件采用 d w 型电阻温度计 ，温度测温 范围一 3 0 7 0 ， 温度测量精度 0 3 o c 。 传感器采用水工观测专用电缆。 通过和级水银温度计相比较，整套系统的 误差小于 1 。 测温点布设 本承台内共布设 5 层测温点，其中沿半对角 线方 向 3层 ， 半长边中线方向 2层 ， 用于对沿半对 角线方向测温点的符合， 具体见图 2 。 ( 5 ) 混凝土浇筑工艺 混凝土采用泵车分层连续浇筑，每层厚度不 得大于 5 0 c m， 混凝土选用坍落度 1 4 c m， 初凝时间 1 9 5 h ， 终凝时间 2 5 5 h ， 浇筑完混凝土， 待终凝后 ， 表面苫盖麻袋片浇水养护， 养护期为 1 8 d 。 图 2 测温点布设平面图 3 混凝土表面、 内部观察情况 3 2 #主墩承台于 2 0 0 1 年 1 2 月 8日浇筑， 共 计浇筑 8 4 h ， 从浇筑开始， 连续观察混凝土2 1 d 。在 此 2 1 d内，我们对承台表面用肉眼和放大镜观察 未发现任何裂缝， 混凝土质量良好， 表明配合比设 计和温度控制措施良 好。 混凝土内部测试和分析如下： 混凝土共计浇筑8 4 h ，浇筑时气温 4 4 到一 4 8 ， 入模温度 9 5 c ， 混凝土浇筑开始后连续监 靠 l ! 测温度 2 1 d ， 根据检测结果统计图数据， 发现在浇 筑完 4 d 后混凝土内部最高温度升至 4 7 7 ， 原因 是此处混凝土刚好处于承台中央， 由于内部蓄热， 致使此处混凝土温度较其他处高，其他处中间混 凝土平均温度 4 4 ，上、下层混凝土温度平均为 3 6 ， 而且由于分层浇筑， 致使混凝土温度升值峰 值处于不同时刻 ， 使得内部温度较低， 浇筑完 7 d 后混凝土体开始降温， 之后 1 0 d内混凝土， 平均降 至 2 0 c 左右， 与棚内温度基本一致， 达到拆除保温 一 = 一 一 二 一 一 一 抽 ： 一 一 一 一 一 一 二 ， 一一 一 一一 一 壁一 维普资讯 大体积混凝土施工工艺设计及温控技术 王彬高志波 棚条件。具体温度统计图如下： a 点温度梯度变化酗 睡鹰 秘 3 0, - 2幢 1 0 , c 点溢度梯度变化毪 l e 点温度梯度变化豳 4 结束语 图 3温 度统计 图 大体积混凝土结构产生裂缝的原因相当复 杂， 特别是对大型桥梁的大体积混凝土基础来说， 其结构尺寸大、 抵抗外在能力强 ， 导致裂纹的主要 原因是水泥在硬化过程 中释放的大量水化热所产 生的温度应力超过混凝土极限抗拉强度。 因此 ， 如 何控制大体积混凝土水化热升温和混凝土结构物 体内外温差成了大体积混凝土温度裂缝的关键所 曩赴度 袖o 0 嘏 龇 l 0 氏赢 幢 n