浅谈机制砂大体积混凝土在宜万铁路26标段渡口河特大桥中的应用

　　摘要：从原材料的选择、温度计算及大体积混凝土施工过程的温度控制等方面说明大体积混凝土的温度控制的重要性  

　　关键词：热功计算；现场混凝土温度控制；影响配合比的因素；质量控制；过程控制  

　　1  概述：  

　　大体积混凝土概念的理解，我国现行规范（JGJ55—2000）的定义为混凝土结构物的实体最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。日本建筑协会定义为:混凝土结构物的实体最小尺寸等于或大于80cm，同时水化热引起混凝土内部最高温度与外界气温之差预计超过25℃的混凝土.美国混凝土规定：“任何就地浇注的大体积混凝土，必须　采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。”虽然对大体积混凝土的认识与定义不同,我认为大体积混凝土就是预计因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而容易产生裂缝的混凝土。由于混凝土为热的不良导体，混凝土硬化过程中产生的水化热不易散去，使混凝土中心与表面产生温度应力，不采取措施砼极易产生开裂，水化热是使大体积混凝土内部产生温度应力，引起混凝土体积变形、开裂的主要原因。  

　　2 工程概况：  

　　宜万铁路26标段渡口河特大桥位于湖北省恩施州屯堡乡白龙坝村附近，铁路中心里程：DK250+051.76,全桥长度为634.71米，主桥为：72m+128m+72m连续刚构箱梁，引桥为1—24m及10—32m简支梁组成的双线铁路桥梁。其中5号墩为主桥桥墩高度128米，受地形条件的影响，4号墩基础设计在12根￠2.5m，长28—34.5米，钻孔桩群桩基础上,其承台平面尺寸为16.7×23.7m,厚度5.0m,基础地面以下满灌混凝土设计数量为2239立方,强度等级C25,分两次浇注,泵送混凝土施工连续浇注完成,; 5号墩基础设计在24根￠2.5m，长32米，钻孔桩群桩基础上,其承台平面尺寸为36.7×23.7m,厚度5.0m基础地面以下满灌混凝土设计数量为4999立方,强度等级C25,分三次浇注,均采用泵送混凝土施工连续浇注完成。混凝土浇注的坍落度控制在150±20mm,环境相对湿度为60%。  

　　3  混凝土使用的原材料的组成：  

　　3．1  细骨料：经过施工调查，宜万铁路沿线受自然条件限制，无天然砂资源，如果采用远距离运输河砂，会因砂价格过高导致工程造价大幅度增加。生产混凝土用细骨料只能采用机械扎制的石灰岩质机制砂，为比较经济的选择。由于机制砂生产工艺等方面的影响，配制混凝土用的原材料的技术指标如下：  

　　机制砂：表1  

　　机制砂级配情况为： 

　　曲线在Ⅰ区  

　　3．2  水泥：
　　
　　宜选用水化热较低和凝结时间长的中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥。这里我们选用葛洲坝水泥股份有限公司生产的矿渣硅酸盐水泥P.S42.5。

　　水泥的基本性能：表2

　　3．3  粉煤灰：粉煤灰中含有较多的SiO2 和AI2O3，两者总含量可达60%以上，具有较高的活性，化合能力较强，粉煤灰的密度为水泥的2／3，因此采用大掺量的粉煤灰，可以降低混凝土的单位用水量，降低水胶比。这里粉煤灰选用重庆珞璜华能电厂经过磨细加工Ⅱ级粉煤灰

　　表3 Ⅱ级粉煤灰的基本性能：

　　3．4、粗骨料：

　　石灰岩质碎石5—31.5mm连续级配.指标性能如下: 

　　表4

　　3．5  外加剂：

　　钻孔灌柱桩及大体积混凝土采用TH—3A高效缓凝减水剂掺量为水泥用量的0.8% 。高效缓凝减水剂指标性能如下：表5

　　3．6  配合比试验结果：

3．7  热工计算：

（根据材料实测温度和各种材料的比热进行计算）

3.7.1 凝土拌合物温度（或称出机温度）--“计算表格法”

混凝土的拌合温度：

T0∑WC=∑TiWC

式中：

T0--混凝土拌合物温度（℃）；W—各种材料的重量（kg）；

C—各种材料的比热（kJ/kg·k）；Ti—各种材料的初始温度（℃）。

《混凝土结构工程施工及验收规范》（GB50204--92）规定冬季混凝土施工拌合物温度计算公式为：

T0=[0.9（McTc+MsTs+MgTg）+4.2Tw（Mw-ωsMs-ωgMg）+C1（ωsMsTs+ωgMgTg）

+C2（ωsMs+ωgMg）]÷[4.2Mw+0.9（Mc+Ms+Mg）]

式中：T0--混凝土拌合物温度（℃）；

Mw、Mc、Ms、Mg----水、水泥、砂、石的用量（kg）；

Tw、Tc、Ts、Tg--------水、水泥、砂、石的温度（℃）；

ωs、ωg------------砂、石的含水率（%）；

C1、C2----水的比热容[kJ/（kg·K）]及溶解热（kJ/kg）。

当骨料温度〉0℃时，C1=4.2,C2=0；

          ≤0℃时，C1=2.1,C2=335。

3.7.2 混凝土浇筑温度

      Tj= T0+（Tq－T0）·（A1+A2+A3+…+An）

式中：Tj--混凝土浇筑温度（℃）；T0--混凝土拌合物温度（℃）；

      Tq—外界气温（℃）；A1、A2、A3…An--…温度损失系数

      混凝土浇筑采用混凝土泵车直接泵入承台，温度损失系数为0，即：

A1+A2+A3+…+An=0；假定Tq=31℃,则：Tj=24.7+（31-24.7）·0=24.7℃

3.7.3 混凝土的绝热升温

Tn=（Mc·Q）/（c·ρ）+Mf/50

不同龄期的混凝土绝热温升计算公式：

Td=Tn（1-e-md）

式中：Tn—混凝土最终绝热温升（℃）；Td—在d龄期时混凝土的绝热温升（℃）；

      Mc—每立方米混凝土中的水泥用量（kg）；Q—每kg水泥水化热量（kJ/kg）；

      c—混凝土的比热，可按0.97[kJ/（kg·K）]计算；

ρ--混凝土的密度，取2480（kg/m3）；Mf--每立方米混凝土中粉煤灰用量（kg）；

e--常数，为2.718；d—龄期（天）；

m--混凝土水化时温升系数，随水泥品种及浇筑温度而异，一般为0.30～0.41；

计算水化热温升时的m值

Tn=（325×273）/（0.97×2480）+100/50=38.9℃

　　T2=38.9×（1-e-2×0.384）=25.2℃

　　T3=38.9×（1-e-3×0.384）=33.9℃

　　T5=38.9×（1-e-5×0.384）=38.2℃

　　T7=38.9×（1-e-7×0.384）=38.9℃

　　3.7.4 混凝土实际内部最高温度的计算：

　　混凝土由于水化反应使温度升高，且混凝土中心热量不易散去，使混凝土中心部分形成高热区，通过对混凝土内部实际最高温度的计算，可以找出混凝土中心部分处于最高温度时的龄期，从而为混凝土的温度控制及养护提供依据。

　　Tr（d）=Tj+Td

　　式中：Tr（d）--在绝热状态下，不同龄期的混凝土内部温度（℃）。

　　不同浇筑块厚度与混凝土绝热升温的关系（ξ）值

注：ξ=Tm/Tn;Tm—混凝土由水化热引起的实际温升（℃）。

　　不同龄期水化热温升与浇筑块厚度的关系

注：本表适用于混凝土浇筑温度为２０～３０℃的工程。

     混凝土内部的中心温度计算：

                             Tmax=Tj+Td·ξ

　　式中：Tmax—混凝土中心温度（℃）；

　　Tj—混凝土的浇筑温度（℃）；

　　Td—在d龄期时混凝土的绝热温升（℃）；

　　ξ—不同浇筑块厚度的温度系数。

　　Tmax3=24.7+33.9×0.74=49.8℃,

　　Tmax4=24.7+37.1×0.73=51.8℃,            Tmax5=24.7+38.2×0.74=53 ℃,

　　Tmax7=24.7+38.9×0.72=52.6℃,            Tmax28=24.7+38.9×0.25=34.4℃,

　　由计算可以得到,混凝土在浇注后3—7天，基础处于高温，这个时期是混凝土温度控制的关键时期。 

　　3.7.5 混凝土表面温度的计算：

　　混凝土的表面温度与其表面是否有保温材料、保温草料的性能及保温层的厚度有关，当混凝土表面不设保温层时：

　　△T3= Tmax3-Tq=49.8 –22=27.8         △T4= Tmax4-Tq=29.8  

　　△T5= Tmax5-Tq=  31                  △T7= Tmax7-Tq=30.6
　
　　混凝土的厚度h=Kλ/β=0.066×2.33/2.33=0.07

　　K—折减系数取0.066      λ—混凝土导热系数，取2.33W/m.k

　　β—保温层传热系数，当不设保温层时β=2.33 W/m2.k

　　混凝土的计算厚度: H=3+2×0.07=3.14

　　Tb3=Tq+4h*(H-h)* △T3/H2=22+4*0.07*(3.14-0.07)*27.8/3.142=24.4

　　Tb4=24.6           Tb5=24.7       Tb7=24.7

　　混凝土3天、7天的内部最高温度与表面温度之差:

　　T3—1= Tmax3- Tb3 =49.8-24.4=25.4

　　T5—1= Tmax5- Tb5=53-24.6 =28.4         T7—1= Tmax7- Tb7=52.6-24.7=27.9

　　混凝土3天、7天表面与外界平均气温之差

　　T3—2= Tb3- Tq=24.4-22=2.4           T7—2= Tb3- Tq=24.7-22=2.7

　　由计算知，混凝土内部最高温度与表面温度超过25℃，必须采取保温措施，加强保温。

　　3.7.6混凝土所需保温材料的厚度：4号基础施工的季节在8月份，本地区早晚温差大（15—29℃，平均温度22℃），由于气温骤降，混凝土易产生裂缝，利用保温材料提高浇注的混凝土表面和四周温度，减少混凝土的内外温差，是一种简便有效的温度控制方法，同时在后期拆除摸板，还应对混凝土结构物及时覆盖加以养护，防止晚期混凝土开裂

　　采用草袋作为保温层，保温层厚度为：

　　δi=0.5H*λi*（Tb-Tq）* kb/λ*（Tmax-Tb）=0.033m=33mm

　　δi—保温材料的厚度  ：λi—保温材料导热系数（草袋时取0.14 W/m.k）

　　kb—传导系数修正值取1.3—1.8   λ —混凝土导热系数，取2.3

　　Tmax—混凝土中心最高温度

　　覆盖厚度大于33mm的草袋能够保证混凝土质量。

　　Tq—混凝土浇注后3—5天平均气温

　　3.8  施工现场的温度监控：混凝土灌注时，受不利因素的影响，混凝土的实际温度可能与计算值有一定差距，及时掌握混凝土的温度升降变化，以便采取相应对策。

　　3.8.1 测试方法及测点布置：

　　本工程采用通用数字温度测试仪，沿混凝土浇注高度底、中、表布置，共5个测点，温度测试浇注时同步，升温阶段每2小时一次，时间10天。4号墩承台结果如下：

3.8.2 测试结果分析:

　　a、混凝土中心温度变化分为升温、恒温、降温三个阶段，其中升温在40小时—3天，随后可达到温度峰值，而后进入恒温阶段，这个阶段为2—4天。最后进入缓慢的降温阶段。应该逐渐降温,由于混凝土表面温度无相对的恒温期，随外界温度的变化而变化，变化过程中混凝土上表面的温度较低，上表面与中心温度差最大，容易产生裂缝，应注意混凝土表面的保温，使内外温度差不大于25℃。

　　b、大体积混凝土的内部实际温度是一个“由低到高，又由高到低”的变化曲线，从混凝土浇注完后，就有一个初始温度——浇注温度。以后由于水化热的影响，混凝土内部温度不断上升，然后通过天然散热或人工冷却，温度又逐渐下降，待水化热大致散发后，混凝土的温度才与外界大气温度相接近，此时为稳定温度。 

　　3.8.3 混凝土内部降温措施：

　　为了防止混凝土水化过程中内部温度过高，混凝土结构物中埋设￠50mm冷却管，在混凝土浇注过程及浇注后14天内不间断的通循环水降低混凝土的内部温度，同时对进水管及出水管的水温、混凝土的内部温度进行监控。

　　4  原材料对混凝土拌合物的影响：

　　4.1  颗粒级配的影响：

　　根据机制砂的级配情况，一般颗粒偏粗，300μm  及 600μm偏少，造成混凝土拌合物保水性欠佳，因此混凝土配合比选定过程中应采用较大的含砂率，泵送混凝土、水下混凝土取40—45%较为合适。为了保证混凝土的和易性、流动性，掺入15—35%的Ⅰ或Ⅱ级粉煤灰，掺入粉煤灰不但可以改善混凝土的和易性，同时可以减少水泥用量，节约成本。保证混凝土结构的耐久性，减少混凝土裂逢的产生。

　　4.2   石粉的影响：

　　机制砂石粉含量（小于75μm颗粒）一般在5—20%，过多石粉表面上混凝土的和易性较好，实际上使拌合混凝土用水量每M3 增加20—30kg，从而增大水灰比,增大混凝土水化过程中的干缩性，影响混凝土的耐久性。因此必须对石粉含量在生产过程中加以严格控制，生产过程中除尘设备吸去大部分或水洗的方法降低石粉含量，使石粉含量小于10%。为了保证混凝土的流动性，可掺入高效缓凝减水剂。

　　4.3  碎石级配的影响：

　　碎石宜选用5—31.5mm连续级配的碎石或两级级配如5—15mm占40%，15—31.5mm占60%的两级级配碎石. 两级级配施工时应分级运输；分级储藏; 分级计量，针、片状颗粒含量小于10%；压碎指标值小于12%；非碱活性石灰岩质碎石；母岩50mm立方体饱和水抗压强度大于80Mpa（水中浸泡48h）。

　　5、质量控制：

　　5.1原材料质量控制：

　　5.1.1水泥：

　　为了保证正确控制混凝土拌合物的用水量及坍落度损失，对进厂的水泥及时进行外加剂的适应性检验。

　　5.1.2 粉煤灰：

　　重庆珞璜华能电厂生产的粉煤灰经过磨细加工Ⅱ级粉煤灰。根据检测情况，烧失量、三氧化硫含量相对比较稳定。我们对每批进厂的粉煤灰及时送检，合格后方可使用。

　　5.1.3 机制砂：

　　每批进厂抽样检测发现级配不合格，及时让生产厂家调整筛孔大小，生产厂抽样检测合格后方能进厂；对已进厂的合理掺配。石粉含量超标的砂：严重的（30%左右）及时清理出场，15%左右的施工现场采用水洗的方法处理，处理后的砂再经过验室、检测合格后方可使用

　　5.1.4 粗骨料：

　　级配 5—31.5mm的连续级配，对进厂的单粒级碎石，根据级配情况掺配成连续级配后再浇注混凝土。

　　1．5外加剂：按要求进行减水率、凝结时间检测,混凝土的凝结时间为15—21小时，。

　　5.2施工过程控制：

　　5.2.1 用水量控制：拌合混凝土作业的开始、过程中，对砂、石含水量进行检测,及时调整拌合机的加水量。

　　5.2.2 搅拌时间的控制：采用强制式搅拌机拌合混凝土，因为外加剂采用干投的方法添加，因此需要较长的搅拌时间才能保证混凝土的均匀性，一般不少于60秒。

　　5.2.3 坍落度的控制：对每盘混凝土的坍落度、流动性目测观察，并按要求进行检测，发现问题及时调整。因渡口河现场的地形条件，混凝土采用搅拌车运输，混凝土装车前应排净车内积水。

　　5.2.4采用泵送混凝土施工时，在混凝土泵启动前，应对混凝土泵的各种用油的储量，水箱中的水位、液压系统是否漏油、换向阀的磨损及接口是否严密，搅拌轴转动是否正常等关键部位进行全面的检查，且需符合要求。泵送水泥砂浆（C:S:W=1:2:0.5—0.6）或水泥浆前，先泵送适量的水，其作用是：第一，可湿润混凝土泵的料斗、活塞及输送管内壁等直接与混凝土接触的部位，减少润滑水泥砂浆用量及强度的损失：第二，可检查混凝土泵、输送管中是否有异物，接口是否严密。泵送适量水泥砂浆或水泥浆后,能使混凝土泵料斗、活塞及输送管内壁充分润滑形成一层润滑膜,从而有效地减少混凝土的流动阻力,宜选用与混凝土内成分相同的水泥砂浆, 润滑浆的数量可根据混凝土泵操作说明提供的定额和管道长度来确定。

　　配管时注意：倾斜向下配管时，当小于倾角4°时，与水平配管相同；当倾角为4°—7°时，斜管后续的水平管长度应为高差的5倍，或采用增加弯管等方法增加流动阻力；当倾角大于7°时，除去水平管长度大于高差的5倍外，并应在斜管上端设置排气阀。如果做不到，应采用搭设支架的方法，避免倾斜向下配管，防止堵管。

　　5.2.5炎热季节施工，宜用湿罩布、湿草袋等遮盖混凝土输送管，避免阳光照射；寒冷季节，宜用保温材料包裹混凝土输送管，防止管内混凝土受冻，并保证混凝土的入模温度。

　　5.2.6加强与施工班组的协调：泵送混凝土施工时，尽量减少停泵时间，如确需停泵，必须每隔5min左右泵送几下，确保泵管内混凝土不出现离析、堵管的异常。

　　5.2.7机制砂混凝土保水性能较差，施工中应该短时间“振捣、快插、慢拔”，振捣棒要快速插入混凝土、缓慢拔出混凝土使气泡排出，应该避免过振使混凝土离析，影响混凝土外观质量。

　　5.2.8  混凝土养护：结构物成型后立即覆盖，外界气温超过15℃时，应该向混凝土表面洒水养护，洒水的次数以保证混凝土表面时刻处于湿润状态为度，同时摸板表面也应该洒水养护时间不应少于  21d。

　　5.2.9  混凝土强度及耐久性检测，按要求对混凝土进行抽样，除试验室标准养护试件外，还应该留制与结构物的同条件养护试件2—3组，进行14d、28d强度检验，混凝土拌合物进行0.5h、1h泌水率检验，特殊部位应该进行混凝土含气量及抗渗性检测。

　　5.2.10   粉煤灰混凝土在低温施工时应该加强表面保温，混凝土表面温度不得低于

　　5℃。寒潮冲击情况下日降温幅度大于8℃，应加强表面保温，防止开裂。

　　6  结语

　　宜万铁路26标段渡口河特大桥4、5号承台基础经过3个月的观测无裂缝产生。说明机制砂大体积混凝土施工中采用低热矿渣硅酸盐水泥和大掺量粉煤灰能大大降低混凝土的水化热；大体积混凝土时施工过程中严格控制原材料质量及混凝土的最大温差是避免混凝土开裂的主要因素。