摘 要:结合贵州虎跳河特大桥6 号～10 号墩承台大体积混凝土在冬春季低温条件下的施工实例,介绍了对桥梁承台大体积混凝土的温差测控,提出了掺入高效减水剂、采用蓄水养护法等改进措施,以有效地防止温度裂纹、裂缝的产生。
关键词:特大桥,大体积混凝土,承台,水化热
中图分类号: TU755. 7 文献标识码:A
引言
随着西部大开发的进行,在西南部崇山峻岭地区将要建造很多特大型桥梁,其主墩承台多为大体积混凝土,混凝土凝结时,水泥和水发生水化反应放出大量的水化热,当混凝土体积较大和散热条件不好时,水化热基本上积蓄于混凝土内,从而引起混凝土内部温度的明显升高。在混凝土内外散热不均匀以及受到内外约束的情况下,会引起混凝土体积的不均匀变化即温度变形。当温度变形受到约束而不能自由伸缩时,就会引起温度应力,从而产生温度裂缝。
文中以贵州虎跳河特大桥为依托,对桥梁承台大体积混凝土施工温度测控进行了研究分析。沪瑞国道主干线(贵州境) 镇宁至胜境关公路虎跳河特大桥主桥桥跨布置为(120 + 4 ×225 +120) m 六跨一联的预应力混凝土连续刚构桥,6 号～10 号墩为主墩,均在干处施工,主墩桩基础为4 排共16 根直径2. 5 m 的钻孔灌注桩,桩基采用C30 水下混凝土,承台均采用C30 混凝土,承台体积均为长×宽×高= 22. 75 m ×22. 75 m ×5 m。以上五个承台均为大体积混凝土,采用大块钢模板,均一次浇筑成型,施工中混凝土产生的水化热对温差裂缝的影响不容忽视,为保证施工质量,在施工过程中需对承台混凝土进行温度监控。
1 施工温度监控概况
本桥主墩承台在降低大体积混凝土内部最高温度以及控制混凝土内外温度差在25 ℃以内,存在两个极不利因素:1) 承台混凝土较厚,高为5 m ,需要一次性浇筑,混凝土内部温度不易发散;2) 在冬春季施工,环境温度低,贵州当地气温大约在0 ℃～10 ℃内变化,混凝土内表温差大。在这些因素综合作用下,混凝土内部必然产生较高的温度,存在着产生裂缝的危险。
针对虎跳河特大桥在冬春季施工等特点,为了保证承台大体积混凝土在浇筑后,使其内部温度场变化能够按照预计的方向发展,需要采取以下措施:降低核心混凝土的最高温度和最高温升;降低内外温差,并控制在25 ℃内;控制混凝土的降温速率,不大于1. 5 ℃/ d ,以防出现冷击;出水口温度控制在40 ℃以内;出水口流量最好能保证在30 L/ min 以上。
2 温度计算
温度计算首先要按经验公式对混凝土内部温度进行计算,估计混凝土中心最高温度。混凝土最大水化热绝热温升值计算公式如下:
其中, W 为每立方米混凝土水泥用量,可取285 kg/ m3 (贵州水城乌蒙山水泥P. O32. 5) ; Q0 为每千克水泥水化热量,可取289 kJ / kg ; C 为混凝土的比热,可取0. 96 kJ / kg·K;γ为混凝土的质量密度,可取2 400 kg/ m3 。
混凝土内部实际最高温度计算公式[ 4 ]如下:
Tmax = T0 + T′maxζ (2)
其中, Tmax为混凝土内部的最高温度, ℃; T0 为混凝土的浇筑入模温度, ℃; T′max为混凝土最大水化热绝热温升值, ℃;ζ为不同的浇筑块厚度、不同龄期时的降温系数,根据文献[ 4 ] ,通过线性差值ζ取为0. 8 。
根据交通部公路科学研究院虎跳河特大桥主墩承台水化热监控阶段成果,虎跳河特大桥五个主墩承台混凝土浇筑入模温度T0 、实测最高温度、通过上述公式计算所得的混凝土内部最高温度Tmax以及由实测值反算得到的ζ值见表1 。
由表1 可以看出,传统的经验公式在本桥承台大体积混凝土施工温度预测中,理论值可能由于山砂、粉煤灰等影响而小于实测最高温度,其中起到重要作用的是降温系数ζ, 由ζ反算值可以看出传统公式中ζ值在本桥承台大体积混凝土水化热计算中不能很好地指导理论计算,为了使得理论计算能够较好地指导温度监控的进行,必须仔细考虑影响ζ的因素,或者采用有限元分析等方法对大体积混凝土内部水化热进行较为可靠的分析与预测。
3 测点的布置
以真实反映混凝土块体的内外温差、降温速度及环境温度为原则,并结合设计图纸中承台冷却管的布置及施工工艺来确定测点的合理布置。本桥承台拟采用如下方案进行测点布置:1) 通过在中心竖轴布置一组测点,找出最大温升点。2) 在顶表面、侧面附近布置两组测点。了解外界气温对混凝土温度的影响,以指导养护和拆模。3) 在冷却水管之间水平和竖直方向布置两组测点,以了解冷却水管的影响范围,据此调节冷却水管的横向、竖向间距,以及控制冷却水管与混凝土之间的温差。
4 温度测试结果分析
各项监测项目应在混凝土浇筑后立即进行,连续不断地进行混凝土的温度测试,峰值出现以前每2 h 监测一次,峰值出现后每4 h 监测一次,持续5 d ,然后转入每天测两次,直到温度变化基本稳定。根据测温结果进行分析得到下列结论:
1) 大量的试验数据表明:混凝土在浇筑后的1 d～3 d ,温度处于上升阶段,混凝土内部最高温度多数发生在浇筑后的3 d～5 d内,第5 天以后混凝土温度处于下降阶段。本桥五个承台混凝土内部各测点温度大致在0 h～50 h 内处于上升阶段,在50 h～120 h内达到最高值,而在120 h 以后处于下降阶段,符合上述混凝土浇筑后这一温度变化的规律。
2) 各个承台混凝土内外温差基本上控制在25 ℃以内,由于测点位于表面或者侧面,且在冬季施工,外界低温对混凝土的影响明显,所以施工单位在混凝土浇筑初期对混凝土表面应该采取更为有效的保温措施,以减少外界低温对混凝土的影响。
3) 各个测点的混凝土降温速率基本上控制在1. 5 ℃/ d 以下,部分时间段不满足小于1. 5 ℃/ d ,是由于某测点布置在冷却水管旁,受到了冷却水管通水的影响,可以看出冷却水管对于降低承台温度起了明显的作用。
5 对施工工艺的改进建议
大体积混凝土施工控制的关键是保证混凝土内外温差小于25 ℃,通过对虎跳河特大桥主墩承台大体积混凝土的温度监控研究,提出了以下几点改进措施:
1) 掺入适当的粉煤灰以减少水泥用量,由公式(1) 可以看出,每立方混凝土减少10 kg 水泥用量,混凝土的最大水化热绝热温升值降低1. 2 ℃左右,因此,在保证混凝土强度的前提下,尽可能降低水泥用量是一种有效的温控措施。
2) 可以在混凝土浇筑后第二天开始采用蓄水养护法,使混凝土表层尽量保持在15 cm 水层,这样可以大大降低混凝土表面热量的散失。
3) 选用水化热低的水泥,掺入高效减水剂,减水剂的缓凝作用能有效地削减水化热峰值;掺入一定的钢纤维,钢纤维混凝土能很大地提高混凝土的抗拉性能,防止裂缝的产生。
6 结语
通过对虎跳河特大桥6 号～10 号墩承台大体积混凝土施工的温控表明,采用合理的施工工艺,采取适当的温控措施,使得本桥五个承台混凝土表面平整,棱角平直,无施工接缝;有效地防止了温度裂纹、裂缝的产生,个别承台面的蜂窝麻面面积与非受力裂缝均符合设计要求,充分保证了大体积混凝土的施工质量。
参考文献:
[1 ]秦文强,杜玉波,张德伟. 黄草乌江大桥承台大体积混凝土温度控制技术[J ] . 四川建筑,2003 ,23 (6) :84286.
[2 ]张秋信,于 水. 高强大体积混凝土施工控制[J ] . 公路,2004(9) :47249.
[3 ]王铁梦. 工程结构裂缝控制[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1997. 4872490.
[4 ]杨嗣信. 高层建筑施工手册[M] . 北京:中国建筑工业出版社,1992. 1532158.
