1. 引言
从以往大体积混凝土的施工经验中可知,大体积混凝土在施工过程中,由于混凝土的量大,水泥的水化热热量大,在混凝土内外散热不均匀以及受到内外约束的情况下,混凝土内部易产生较大的温度应力,导致混凝土发生开裂 [1] [2] [3] [4] 。因此,大体积混凝土施工中的温度控制是防止混凝土开裂的关键,如何进行混凝土的温度控制即采取那些技术措施防止混凝土开裂,是桥拱座大体积混凝土施工前必须研究解决的重要课题 [5] [6] [7] 。
2. 混凝土产生开裂的原因分析
2.1. 水泥水化热的影响
混凝土浇注后,水泥在水化过程中要释放大量的水化热,而大体积混凝土结构断面较厚,热量聚集在结构内部不易散发,使结构内部温度升高。由于混凝土的导热性能较差,浇注初期混凝土强度及弹性模量都很低,对水化热引起的急剧温升约束不大。随着混凝土龄期的增长,弹性模量的增高,对混凝土内部降温收缩的约束也就越来越大,以致产生很大的拉应力,当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时,便开始出现温度裂缝。
2.2. 外界气候的影响
大体积混凝土浇注时间较长,外界气温昼夜变化大。气温越高,混凝土浇注温度越高,同时在高温条件下,混凝土不易散热。昼夜温差或混凝土浇注后气温突然下降,使混凝土内外产生较大温差(>25℃),而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的,因此温差越大,温度应力也越大,就越容易出现裂缝。
2.3. 混凝土的收缩变形影响
混凝土中的水分要蒸发,会引起混凝土体积的干缩。在高温下,混凝土中水分蒸发快,很容易引起干缩变形。如拌合、浇注、振捣等方法不当,混凝土内粗细骨料分配不匀,密实度不等,收缩系数不一,在约束不同的情况下,即可在脆弱部位引起开裂。
3. 温控防裂措施
3.1. 大体积泵送混凝土配合比优化
1) 选用中热硅酸盐水泥,(目前低水化热得矿渣硅酸盐水泥基本不生产),充分利用混凝土后期强度,减少水泥用量。
2) 采用北京建恺混凝土外加剂有限公司JKPCA-01聚羧酸高效减水剂。
可用更多的粉煤灰取代水泥。
3) 掺加30%的粉煤灰,降低水泥用量,减少水泥水化热。
4) 选用质量优良的粗细集料:粗集料根据泵送要求,选择了5~20 mm连续级配,且石子的含泥量 ≤ 1%,其中泥块含量 ≤ 0.5%;细集料采用级配良好的中砂,特别控制砂的含泥量 ≤ 2%,其中泥块含量 ≤ 1%。增加混凝土的抗裂性。
3.2. 降低浇注温度
浇筑温度低可以降低混凝土的最高温升,一是选择弥勒气温低的1~4月分浇筑,二是施工用砂、石料均存放在拌合站的料棚内,三是与厂家协调尽可能水泥温度低的时候运至施工现场,四是施工用水避免太阳长时间的暴晒。
3.3. 改进搅拌工艺和浇筑方案
在搅拌混凝土时改变以往的投料方式,采取先把水、水泥和砂搅拌后,再投放碎石进行搅拌的方法(即二次投料法)。这种搅拌工艺的优点是无泌水现象,使硬化后的混凝土界面过渡层的结构致密,粘结加强。
一是拱座混凝土实行分块分层浇筑,分块浇筑层高控制在400 cm以内,分层要做到第一层浇筑完成后,第二层开始浇筑时,第一层混凝土尚未凝固,如此逐层连续进行,直至浇筑完毕。且分层浇筑摊铺厚度不大于50 cm;二是分层连续浇筑不得随意留施工缝,其层间的间隔时间应尽量缩短,必须在前层混凝土初凝之前,将其次层混凝土浇筑完毕。三是在混凝土浇筑过程中,应及时进行混凝土表面的处理:在大体积混凝土浇筑过程中,由于混凝土表面泌水现象普遍存在,为保证混凝土的浇筑质量,要及时清除混凝土表面泌水;在混凝土初凝前用铁磙筒碾压二遍,再用木抹子搓平、压实,三次成活,可以有效防止混凝土表面龟裂。
3.4. “内排外保”,减少混凝土内外温差
大体积混凝土内外温差控制在25℃以内,可避免混凝土出现温度收缩裂缝,为此我们采取了以下措施:
3.4.1. “内排”
尽快排出混凝土内部热量,降低混凝土内部温度。在混凝土浇注以前,预先在混凝土内安设循环水管道作散热管,混凝土浇筑中和浇筑后开启水循环散热,连续养9~12天,混凝土达28天后用不低于结构混凝土标号的水泥净浆将散热管灌实。
1) 散热管布置
散热采用φ42 × 2.5 mm焊接钢管,层间分别布置。厚度为4 m浇筑块沿竖直方向水平面置4层,厚度为2.5 m浇筑块水平布置3层,层内管间距上下、左右均为1 m左右,层间上下间距满足层内要求,个别为0.75 m;具体见图1~4。由于C30混凝土只设护面钢筋,散热管需与架立角钢就近固定,或再设架立钢筋固定,架立钢筋位置及规格依现场情况而定,能满足稳定即可。
2) 冷却水池的布置
为了满足冷却水管中连续通水要求,在基坑上方设置两个高位水池,在下方设置一个低位出水集水池。利用高、低位水池的高差压力使冷水从冷却管进口流入到出水集水池,在出水集水池内安设水泵,将出水集水池的水向高位水池抽入,完成冷却水的循环,具体布置见图5。冷却水管的进出口与进出水总管之间的连接需设置阀门,具体见图6。
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Figure 1. Layout graph of concrete cooling tubes
图1. 混凝土散热管平面布置图
![](//html.hanspub.org/file/3-2750632x11_hanspub.png)
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Figure 2. Layout graph of 4 meters storey height concrete cooling tubes
图2. 4 m层高混凝土散热管布置图
![](//html.hanspub.org/file/3-2750632x13_hanspub.png)
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Figure 3. Layout graph of 3 meters storey height concrete cooling tubes
图3. 3 m层高混凝土散热管布置图
![](//html.hanspub.org/file/3-2750632x15_hanspub.png)
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Figure 4. Layout graph of 5 meters storey height concrete cooling tubes
图4. 2.5 m层高混凝土散热管布置图
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Figure 5. Diagram of water cooling circulation system
图5. 水冷散热循环系统示意图
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Figure 6. Diagram of connection of inlet and outlet pipes
图6. 进出水管连接示意图
3.4.2. “外保”
在混凝土表面采取保温措施,控制混凝土内外温差及表面与环境温差,避免出现深层裂缝和表面裂缝。拱座顶面和四周采用一层塑料薄膜和5 cm厚草袋覆盖保湿保温养护,因为拱座于冬季施工,大气温度较低,根据情况需要在浇注的拱座顶面盖彩条布作暖棚,减小混凝土的内外温差。
3.5. 混凝土浇筑块水化热分析及温度裂缝控制计算
在混凝土浇筑之前,根据施工拟采取的防裂措施和现有的施工条件,先计算混凝土的水泥水化热的绝热最高温升值、各龄期收缩变形值、收缩当量温差和弹性模量,然后通过计算,估量可能产生的最大温度收缩应力,如不超过混凝土的抗拉强度,则表示所采取的防裂措施能有效控制、预防裂缝的出现;如超过混凝土的抗拉强度,则可采取措施调整混凝土的入模温度、降低水化热温升值、降低混凝土内外温差、改善施工操作工艺和混凝土拌合物性能、提高抗拉强度或改善约束等技术措施重新计算,直至计算的应力在允许的范围内为止。
C40混凝土部分水化热分析及温度裂缝控制计算:以拱座C40混凝土部分浇筑第三层为例计算(详见“混凝土部分水化热分析及温度裂缝控制计算”计算书),此层计算能满足温度裂缝控制要求,其它C40混凝土部分浇筑层也能满足要求,通过计算可得:
1) 浇筑温度
入模温度:
2) 混凝土绝热温升(T(t)) (表1)。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 1. Adiabatic temperature rise of concrete
表1. 混凝土绝热温升(T(t))
3) 用一层塑料薄膜加5 cm厚草袋保温养护内外温差和环境与表面温差: (符合小于25℃要求) (表2)。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 2. Internal and external temperature difference and environmental and surface temperature difference of concrete with a layer of plastic film plus 5 cm thick grass bag insulation maintenance
表2. 一层塑料薄膜加5 cm厚草袋保温养护内外温差和环境与表面温差
4) 循环水水冷散热效果分析。
为了防止温度收缩裂缝产生,对散热管的布置和散热循环水的流量进行了相关的分析,如表3、4所示:
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 3. Cooling effect of circulating water cooling heat dissipation
表3. 循环水水冷散热效果
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Table 4. Temperature of concrete center after circulating water cooling heat dissipation
表4. 循环水散热后混凝土中心温度
从上表计算看出,通水后降温可以通过循环水管的进水流量控制,实际施工时可根据实测温度值来控制循环水冷却的周期(本计算按9天通水循环散热考虑);按计算结果分析要将各龄期内外温差、环境和表面温差控制在20℃以内完全可以做到。其它浇筑的混凝土层均按此法调整水流量来满足降温速度要求,通水后降温宜控制在1.5℃/d以内,温度陡降不超过10℃为混凝土监测报警值。本计算书中第6天至第9天平均每天降温2.0℃,略大于1.5℃/d。
5) 温度应力的验算(混凝土浇筑前裂缝控制计算) (表5)。
![](Images/Table_Tmp.jpg)
Table 5. Calculation of temperature Stress
表5. 温度应力的验算
由上述计算结果可知:采取上述“内排外保”措施后,大体积混凝土温度应力不大于抗拉应力且抗裂安全系数均大于1.15,满足要求,混凝土不会产生裂缝。
4. 结论
通过以上研究,可以得出如下结论:
1) “内排外保”的温度控制方式,可以减少混凝土内外温差。
2) 通水后降温可以通过循环水管的进水流量控制,实际施工时可根据实测温度值来控制循环水冷却的周期;按计算结果分析要将各龄期内外温差、环境和表面温差控制在20℃以内完全可以做到。
3) 采取“内排外保”措施后,大体积混凝土温度应力不大于抗拉应力且抗裂安全系数均大于1.15,满足要求,混凝土不会产生裂缝。
NOTES
*第一作者。