海河特大橋承臺大體積混凝土施工
2017-12-04
現(xiàn)代建筑中時常涉及到大體積混凝土施工，如高層樓房基礎、大型設備基礎、水利大壩等。它主要的特點就是結構厚實，混凝土量大，工程條件復雜，施工技術要求高，水泥水化熱較大（預計超過25度），易使結構物產(chǎn)生溫度變形。大體積混凝土除了最小斷面和內(nèi)外溫度有一定的規(guī)定外，對平面尺寸也有一定限制。因為平面尺寸過大，約束作用所產(chǎn)生的溫度力也愈大，如采取控制溫度措施不當，溫度應力超過混凝土所能承受的拉力極限值時，則易產(chǎn)生裂縫。裂縫一旦形成，特別是基礎貫穿裂縫出現(xiàn)在重要的結構部位，危害極大，它會降低結構的耐久性，削弱構件的承載力，同時會可能危害到建筑物的安全使用。所以如何采取有效措施防止大體積混凝土的開裂與保持混凝土結構表面無蜂窩麻面，是一個應當高度關注的問題。
1 混凝土裂縫類型及產(chǎn)生的原因
1.1 裂縫分類
大體積混凝土出現(xiàn)的裂縫按深度不同，分為表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫三種。
?。?）表面裂縫主要是溫度裂縫，一般危害性較小，但影響外觀質(zhì)量。
?。?）深層裂縫部分地切斷了結構斷面，對結構耐久性產(chǎn)生一定的危害。
?。?）貫穿裂縫是由混凝土表面裂縫發(fā)展為深層裂縫，最終形成貫穿裂縫，它切斷了結構的斷面，可能破壞結構的整體性和穩(wěn)定性，其危害性是較為嚴重的。
1.2 裂縫發(fā)生的原因
?。?）水泥水化熱影響，水泥在水化過程中產(chǎn)生了大量的熱量，因而使混凝土內(nèi)部溫度升高，當混凝土內(nèi)部與表面的溫差過大時，就會產(chǎn)生溫度應力和溫度變形。溫度應力與溫差成正比，溫差越大，溫度應力越大，當溫度應力超過混凝土內(nèi)外的約束力時，就會產(chǎn)生裂縫，混凝土內(nèi)部的溫度與混凝土的厚度及水泥用量有關，混凝土越厚，水泥用量越大，內(nèi)部溫度越高。
?。?）內(nèi)外約束條件的影響，混凝土在早期溫度的上升時，產(chǎn)生的膨脹受到約束而形成壓應力。當溫度下降，則產(chǎn)生較大的拉應力。另外混凝土內(nèi)部由于水泥的水化熱而形成中心溫度高，熱膨脹大，因而在中心區(qū)產(chǎn)生壓應力，在表面產(chǎn)生拉應力。若拉應力超過混凝土的抗拉強度，混凝土將會產(chǎn)生裂縫。
?。?）外界氣溫變化的影響，大體積混凝土在施工階段，常受外界氣溫的影響?；炷羶?nèi)部溫度是由水泥水化熱引氣的絕熱溫度，澆筑溫度和散熱溫度三者的疊加。當氣溫下降，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與混凝土內(nèi)部的溫度梯度，產(chǎn)生溫差和溫度應力，使混凝土產(chǎn)生裂縫。
（4）混凝土的收縮變形，混凝土中的80%水分要蒸發(fā)，約20%的水分是水泥硬化所必需的。而最初失去的30%自由水分幾乎不引起收縮，隨著混凝土的陸續(xù)干燥而使20%的吸附水逸出，就會出現(xiàn)干燥收縮，而表面干燥收縮快，中心干燥收縮慢。由于表面的干縮受到中心部位混凝土的約束，因而在表面產(chǎn)生拉應力而出現(xiàn)裂縫。在設計上，混凝土表層布設抗裂鋼筋網(wǎng)片，可有效地防止混凝土收縮時產(chǎn)生干裂。
?。?）混凝土的沉陷裂縫，支架、支撐變形下沉會引發(fā)結構裂縫，過早拆除模板支架易使未達到強度的混凝土結構發(fā)生裂縫和破損。
2 工程概況
唐津高速公路擴建工程第一標段海河特大橋分為主橋及兩側引橋，主橋下部結構的中墩基礎為承臺+群樁基礎。采用樁徑φ180 cm的鉆孔灌注樁，樁長88 m，承臺厚度5米，承臺下布置5排24根樁。
2.1 主墩承臺結構（見圖1、圖2）
主墩承臺為大體積混凝土，混凝土標號為C35，抗凍等級為F250，凍融環(huán)境作用等級為E級，抗凍耐久性指數(shù)DF值為70%。外加劑為引氣型高性能減水劑，摻量為2%；防腐劑，摻量3%。方量為2492.4 m3。根據(jù)溫控設計和澆筑能力，承臺采用一次澆筑。
主墩承臺鋼筋由直徑Φ32、Φ28、Φ12螺紋鋼筋組成，共六層鋼筋，底部四層鋼筋，上部兩層鋼筋。具體參數(shù)如表1。
2.2 工程難點
?。?）鋼筋數(shù)量大，預埋鋼筋及預埋構件多，施工難度大。
（2）承臺混凝土的澆筑屬于大體積混凝土澆筑，有效的避免裂縫的產(chǎn)生是混凝土施工的關鍵問題。
3 施工技術措施
3.1 施工準備
（1）選用水化熱較低的水泥。經(jīng)過比選，選定冀東盾石牌P.O42.5。
?。?）充分利用混凝土中后期強度，盡可能降低水泥用量，經(jīng)過配合比試配，最終確定摻加粉煤灰及礦渣粉取代部分水泥，保證中后期強度。
?。?）嚴格控制集料級配及其含泥量。粗集料級配范圍為5～25 mm，砂子細度模數(shù)2.9。
?。?）經(jīng)過反復對比試驗選用蘇博特高性能減水劑改善混凝土性能，延長混凝土的凝結時間。
（5）混凝土配合比為：每立方混凝土，水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶礦粉∶減水劑∶防腐劑∶水=250∶785∶1120∶60：70∶7.6∶11.4∶145。
?。?）混凝土生產(chǎn)供應準備。
承臺在混凝土施工時配有2座拌合能力為120 m3/h的拌合站，3臺90 m3/h汽車泵，拌合站的生產(chǎn)效率按照70%考慮，混凝土的澆筑速度為168 m3/h，承臺面積498.5 m2，分層厚度30 cm，每層方量150 m3，每層澆筑時間54 min，能夠滿足初凝時間要求。罐車容量10 m3，每車往返時間60 min，配置罐車15輛。 3.2 大體積混凝土施工的相關計算
（1）絕熱升溫計算。
Tmax=mc Q/Cρ（公式詳見《建筑施工計算手冊》612頁）
式中：
Tmax為混凝土的最大絕熱溫升（℃）；
mc為每m3混凝土水泥用量（kg/m3），取250 kg/m3；
Q為每千克水泥水化熱量（kJ/kg），冀東盾石牌P.O 42.5水泥，取461kJ/kg；
C為混凝土比熱，取0.96[kJ/（kg·K）]；
ρ為混凝土密度，取2450（kg/m3）；
Tmax=mcQ/Cρ=（250×461）/（0.96×2450）=49.0°
（2）承臺混凝土內(nèi)部中心溫度計算。
Tmax（t）=Tj+Tmaxξ（t）（公式詳見《建筑施工計算手冊》614頁）
式中：
Tmax（t）為t齡期混凝土中心計算溫度，是混凝土溫度最高值；
Tj為混凝土澆筑溫度，經(jīng)計算取26 ℃；
ξ（t）為t齡期降溫系數(shù)，取值如表2。
計算結果如表3。
由上表可知，混凝土第3d左右內(nèi)部溫度最高。
3.3 混凝土澆筑與振搗
承臺澆筑3臺汽車泵直接泵送。同向分層澆筑，根據(jù)澆筑能力、混凝土初凝時間及相關規(guī)定，確定分層厚度30 cm。為防止混凝土離散，泵管出口設置串筒（或耐磨帆布袋）。澆筑時周邊最先布料，避免形成斜面造成砂漿聚集影響承臺保護層質(zhì)量。
采用分段分層法澆筑，澆筑方向為：從承臺短邊開始沿長邊方向進行，澆筑時，3臺泵車所在區(qū)域從底層開始，澆筑至一定距離后澆筑第二層，依次向前推進澆筑其他各層。推進方式如圖3。
布料點平面圖如圖4。
混凝土分區(qū)布料、振搗，責任到人?；炷翝仓陂g，專人檢查預埋鋼筋和其他預埋件的穩(wěn)固情況，松動、變形、移位及時復位并固定好。
底層4層鋼筋范圍內(nèi)的混凝土澆筑時，在適當位置設置人孔，人員進入承臺內(nèi)部進行振搗，采用插入式振動器振實。移動間距不超過振動器作用半徑的1.5倍，與側模保持50～100 mm的距離，插入下層混凝土50～100 mm；每一處振動完畢后邊振動邊徐徐提出振動棒；避免振動棒碰撞模板、鋼筋及其他預埋件。
每一振動部位，振到密實為止，密實的標志是：混凝土停止下沉，不再冒氣泡，表面平坦、開始泛漿。
3.4 混凝土表面處理
?。?）混凝土澆筑時采取引流法及時排除泌水，引流法是在澆筑過程中將混凝土泌水適當集中，采用排水工具人工排除泌水。
?。?）混凝土表面浮漿較厚時，人工刮出。
?。?）混凝土澆筑后，表面采用刮杠刮平，木抹子搓平?？紤]盡量消除混凝土收縮裂縫，混終凝前多次抹光，恢復收縮裂縫，避免產(chǎn)生永久裂縫。
?。?）承臺頂面與主墩、臨時墩相結合的部位，鑿毛處理。
3.5 混凝土養(yǎng)護
混凝土澆筑完成后采取內(nèi)排外保的方法降低內(nèi)外溫差，內(nèi)排是在混凝土內(nèi)部預埋冷卻管，澆筑完成后通水循環(huán)，每層混凝土澆筑完畢之后需不間斷通水14天，利用預埋冷卻管循環(huán)水加速混凝土內(nèi)部熱量散發(fā)，水化熱被冷水吸收并被排出；冷卻循環(huán)的熱水部分用于混凝土的養(yǎng)生。外保即在混凝土表面鋪蓋土工布，定時在土工布上灑水，保證混凝土面處于濕潤狀態(tài)，使內(nèi)外溫差保持在較小的范圍，根據(jù)溫控情況，增設覆蓋塑料布等其他材料進行保溫，避免在大體積混凝土內(nèi)部因過高的溫度應力而產(chǎn)生溫度裂縫。
冷卻水管布置圖如圖5圖6。
?。?）冷卻管采用A42 mm黑鐵管、壁厚 3.5 mm，按蛇形布置，布置5層，每層設置2個進水口，2個出水口，進水夠集中布置在承臺一側，適當錯開，以便于統(tǒng)一管理。冷卻水管距承臺混凝土頂和底邊緣50 cm，距承臺混凝土邊側60 cm。冷卻管工程數(shù)量表如表4。
?。?）冷卻水管直接頭采用套扣連接，并裹上防水膠布；彎接頭采用專用接頭連接，并裹上防水膠布。做到管道通暢、接頭牢靠、不漏水、阻水，冷卻管安裝完成后，混凝土澆筑前進行通水檢查。
?。?）將其按設計位置固定在架立鋼筋上，或者增加橫向鋼筋將冷卻管固定其上，如圖7。
?。?）冷卻水管從水管被混凝土覆蓋后開始通水，連續(xù)通水14天，具體結束時間視混凝土溫升、溫降情況而定。
?。?）冷卻水采用海河水，水泵抽水至蓄水池，蓄水池放置于平臺頂面，靠位能將水送至冷卻水管中，每個進水口設置流量調(diào)節(jié)閥。冷卻管通水后，確保水源和流量，不得發(fā)生停水事故。溫控完成后，用水泥漿對水管進行壓漿處理。進出水口布置示意圖如圖8。
3.6 溫控監(jiān)測
（1）溫度檢測的目的，根據(jù)測溫點數(shù)量和深度選用長度規(guī)格合適的測溫線，預埋時可用鋼筋等桿件作支承物，將測溫線按照縱向測溫點距離綁在支承物上，溫度傳感器與支承物之間應做隔熱處理。澆筑混凝土時，插頭留在混凝土外面并用塑料袋罩好，避免潮濕，保持清潔。為便于操作，留在外面的導線長度大于20 cm。測溫時，按下主機電源開關，將測溫線插頭插入主機插座中，主機顯示屏上即顯示相應測溫點的溫度。通過測溫點溫度測量，掌握內(nèi)部各測點溫度變化，以便及時調(diào)整冷卻水管冷卻水的流量，控制溫差。
?。?）溫控監(jiān)測設計，測溫儀器采用JDC-2型便攜式建筑電子測溫儀。儀器技術指標如下。
?、贉y溫范圍：-30℃～+130 ℃。
②測溫誤差：≤0.5 ℃（與測溫探頭配合）；≤1.0 °C（與測溫線配合）。
?、鄯直媛剩?.1 ℃。
布點按照突出重點、兼顧全局的原則。根據(jù)結構的對稱性和溫度變化的一般規(guī)律，測溫孔主要布置在相互垂直的兩個中心斷面上，每個中心斷面又以其中半個斷面為重點。由于圓端形承臺兩端完全對稱，只在其中的1/4預埋測溫線。
測點布置應具有代表性：沿豎向布置四層。頂層布置在承臺頂面以下0.25 m處，底層布置在承臺底面以上0.25 m處，中間層間距1.5 m，每層布置9個測點，另在大氣中及混凝土表面各布置兩個測點。測點平面布置圖如圖9。
（3）溫度監(jiān)測的內(nèi)容：環(huán)境溫度每天測四次，混凝土入模溫度的測量每臺班不少于2次，養(yǎng)護期對混凝土的測溫，前3d每2h測一次，4～7d每4h測一次，后一周每6h測一次，每次測溫均應做好記錄。
測溫目的是控制以下指標：
?、倩炷寥肽０鍦囟炔淮笥?8 ℃。
?、诨炷晾锉頊夭畈淮笥?5 ℃。
?、刍炷帘砻媾c大氣溫差不大于20 ℃。
3.7 其他降溫措施
?。?）選擇環(huán)境氣溫較低的晚上澆筑混凝土。
?。?）水泥儲罐需定時噴水降溫。
?。?）拌合用水在混凝土開盤前的半小時，從機井中抽取地下水，存儲于蓄水池內(nèi)，并在蓄水池內(nèi)加冰，降低拌合水溫度。
?。?）拌合站及現(xiàn)場對混凝土罐車車身噴水冷卻。
4 結語
海河特大橋承臺自18：00起澆筑，至次日13：20結束，歷時19時20分，澆筑方量2300 m3，澆筑過程中通冷水降溫，溫度監(jiān)測結果表明：混凝土入模溫度均小于28 ℃，水化熱峰值出現(xiàn)在第三天上午11：30，此時第三層溫度最高為55.7 ℃。內(nèi)表溫差最大值為21.9 ℃。表面與氣溫最大溫差19.2 ℃。溫度控制均符合控制指標。且施工前期準備充分，施工中各施工步驟嚴謹，養(yǎng)護到位，拆模后混凝土未發(fā)生裂縫現(xiàn)象，外觀、強度等表現(xiàn)良好。由此可見大體積混凝土結構裂縫預防和控制是一項系統(tǒng)工程，必須從材料、施工和維護三個方面加綜合解決。材料配置，施工組織方面，要科學組織，合理安排，確保大體積砼的質(zhì)量，嚴格按照施工規(guī)范，施工操作規(guī)程操作，不斷改進操作工藝，加強養(yǎng)護，以預防和減少大體積砼裂縫的產(chǎn)生，將工程裂縫損害控制到最小程度。
參考文獻
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