承臺(tái)大體積砼施工前的溫度應(yīng)力估算及采取的裂縫控制技術(shù)措施
2009-09-28
1 引言
白果渡嘉陵江大橋是國道212線四川武勝至重慶合川高速公路橫跨嘉陵江的一座特大橋，全橋長1433米，主橋?yàn)椋?30+230+130）m預(yù)應(yīng)力砼連續(xù)剛構(gòu)，單箱單室，下部結(jié)構(gòu)為16根24米長Ф230cm的群樁基礎(chǔ)，上接大體積分離式承臺(tái)。單幅承臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸為18.7mx10.2mx5m，單幅承臺(tái)砼方量為953.7m3，一次澆注完成。
2 簡(jiǎn)述
2.1 溫度應(yīng)力的主要成因：2.1.1 大體積砼在硬化期間，水泥水化后釋放大量的熱量，使砼中心區(qū)域溫度升高，而砼表面和邊界由于受氣溫影響溫度較低，從而在斷面上形成較大的溫差，使砼的內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力（稱為內(nèi)部約束應(yīng)力）。 2.1.2 當(dāng)砼的水化熱發(fā)展到3～7d達(dá)到溫度最高點(diǎn)，由于散熱逐漸產(chǎn)生降溫產(chǎn)生收縮，且由于水分的散失，使收縮加劇，這種收縮在受到基巖等約束后產(chǎn)生拉應(yīng)力（稱為外部約束應(yīng)力）。2.2 溫度應(yīng)力在承臺(tái)砼內(nèi)的分布如下圖所示：
綜上所述，在承臺(tái)大體積砼施工前，必須進(jìn)行砼的溫度變化，應(yīng)力變化的估算，以確定養(yǎng)護(hù)措施、分層厚度、澆筑溫度等施工措施，并以此來指導(dǎo)施工。
3 C30承臺(tái)大體積砼砼裂縫控制的施工計(jì)算
3.1相關(guān)資料：
3.1.1 配合比 水泥：粉煤灰：砂子：碎石：水：NNO -Ⅱ減水劑 369： 50 ：677 ：1148：176：3.66 1： 0.136：1.835：3.111：0.48：1%
3.1.2 材料：水泥：騰輝F.032.5級(jí)水泥碎石：草街連續(xù)級(jí)配碎石（5~31.5mm）混合中砂：機(jī)制砂40%，渠河細(xì)砂60%粉煤灰：硌黃華能電廠Ⅱ級(jí)粉煤灰外加劑：達(dá)華NNO-Ⅱ型緩凝減水劑3.1.3 氣象資料 相對(duì)濕度80~82%；年平均氣溫17.5~17.6℃，最高氣溫40.5℃，夏熱期（5~9月份）平均氣溫20℃。
3.1.4采用自動(dòng)配料機(jī)送料，裝載機(jī)加料，拌和站集中拌和，混凝土泵輸送砼至模內(nèi)。
3.2 砼最高水化熱溫度及3d 、7d的水化熱絕熱溫度
C=369kg/m3；粉煤灰32.5水泥：水化熱Q7d=257J/kg，Q28d=222J/kg（騰輝水泥廠提供的數(shù)據(jù)）；c=0.96 J/kg.k；ρ=2400 kg/m3。
3.2.1 砼最高水化熱絕熱溫升
Tmax=CQ/cρ=(366*257)/(0.96*2400)=40.83℃
3.2.2 3d的絕熱溫升
T（3）=40.83*(1-e-0.3*3)=24.23℃
ΔT（3）=24.23-0=24.23 ℃
3.2.3 7d的絕熱溫升
T（7）=40.83*(1-e-0.3*7)=35.83℃
ΔT（7）=35.83-24.23=11.6 ℃
(4)15d的絕熱溫升
T（15）=40.83*(1-e-0.3*15)=40.38℃
T（15）=40.38-35.83=4.55 ℃
3.3 砼各齡期收縮變形值計(jì)算
εy（t）=εy0（1-e-0.01t）*M1*M2*…*M10
查表得：M1=1.10，M2=1.0，M3=1.0，M4=1.21，M5=1.2，M6=1.11(1d)、1.09(3d)、1.0(7d)、0.93(15d) ， M7=0.7， M8=1.4，M9=1.0，M10=0.895
則有：M1M2M3M4M5M7M8M9M10
=1.10*1.0*1.0*1.21*1.2*0.7*1.4*1.0*0.895=1.401
3.3.1 3d收縮變形值
εy（3）=εy0*（1-e-0..03）*1.401*M6
=3.24*10-4*（1-e-0..03）*1.401*1.09=0.146*10-4
3.3.2 7d收縮變形值
εy（7）=εy0*（1-e-0..07）*1.401*M6
=3.24*10-4*（1-e-0..07）*1.401*1.0=0.307*10-4
3.3.3 15d收縮變形值
εy（15）=εy0*（1-e-0.15）*1.401*M6
=3.24*10-4*（1-e-0..15）*1.401*0.93=0.588*10-4
3.4 砼收縮變形換算成當(dāng)量溫差
3.4.1 3d
T（y）（3）=-εy（3）/α=(-0.146*10-4)/(1.0*10-5)=-1.46℃
3.4.2 7d
T（y）（7）=-εy（7）/α=(-0.307*10-4)/(1.0*10-5)=-3.07℃
3.4.3 15d
T（y）（15）=-εy（15）/α=(-0.588*10-4)/(1.0*10-5)=-5.88℃
3.5 各齡期砼模量計(jì)算E（t）=Ec*（1-e-0..09t）
3.5.1 3d齡期
E（3）=3.0*104*（1-e-0..09*3）
=7.1*103N/mm2
3.5.2 7d齡期
E（7）=3.0*104*（1-e-0..09*7）
=1.40*104N/mm2
3.5.3 15d齡期
E（15）=3.0*104*（1-e-0..09*15）
=2.22*104N/mm2
3.6 砼的溫度收縮應(yīng)力計(jì)算
砼強(qiáng)度換算f（n）=f（28）*lgn/lg28，砼抗拉強(qiáng)度ft=0.23*f2/3cu 對(duì)于C30砼f（28）=15 N/mm2
3d齡期: f（3）=f（28）*lg3/lg28=15* lg3/lg28=8.76 N/mm2
ft=0.23f2/3(3)=0.23*4.952/3=0.668 N/mm2
7d齡期: f（7）=f（28）*lg7/lg28=15* lg7/lg28=8.76 N/mm2
ft=0.23f2/3(7)=0.23*8.762/3=0.98 N/mm2
由于在七月份澆注承臺(tái)砼，氣溫較高，假設(shè)入模溫度To=30℃，Th=25℃
3.6.1 3d齡期 H（t）=0.57,R=0.35,V=0.15
ΔT= To+2/3T(t)+Ty(t)-Th=30+2/3*24.23+1.46-25=22.61 ℃
σ=-(7.1*103*10*10-6*22.61*0.57*0.35)/(1-0.15)
=0.377 N/mm2＜(0.668/1.15)=0.581 N/mm2 可
3.6.2 7d齡期 H（t）=0.502,R=0.35,V=0.15
ΔT= 30+2/3*35.83+3.07-25=31.96 ℃
σ=-(1.4*104*10*10-6*31.96*0.502*0.35)/(1-0.15)
=0.93 N/mm2＜0.98N/mm2
抗裂安全系數(shù)：K=0.98/0.93=1.05%26lt;1.15
4 裂縫控制的施工技術(shù)措施
通過以上分析可知，承臺(tái)基礎(chǔ)在露天養(yǎng)護(hù)期間，7d齡期時(shí)，抗裂安全系數(shù)K值稍小于1.15，此時(shí)砼有可能出現(xiàn)裂縫，因此，在設(shè)計(jì)配合比、砼施工過程及養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)采取一定措施，以減小砼表面與內(nèi)部溫差值，使得砼表面與砼內(nèi)部溫差小于25℃，σ/（1.15）＜ft，則可控制裂縫的不出現(xiàn)。采取如下措施：
4.1 采用雙摻技術(shù)，摻入粉煤灰和NNO-II型緩凝減水劑，粉煤灰摻入采用超量代換法，減水劑的緩凝時(shí)間15個(gè)小時(shí)（通過實(shí)驗(yàn)室測(cè)定結(jié)果表明），延緩砼的初凝時(shí)間，延緩砼水化熱峰值的出現(xiàn)。
4.2 通過技術(shù)性能比較，石灰?guī)r碎石的線膨脹系數(shù)較小，彈模低，極限拉伸值大，據(jù)相關(guān)資料表明，在相同溫差下，溫度應(yīng)力可減小50%，能提高砼的抗拉強(qiáng)度，因此，選用石灰?guī)r碎石作為粗骨料；控制骨料（砂、石）的含泥量，以減小砼的收縮，提高極限拉伸。
4.3 嚴(yán)格控制砼的入模溫度在30℃左右。選擇在傍晚開始澆注承臺(tái)砼，對(duì)粗骨料進(jìn)行噴水和護(hù)蓋；施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置遮陽設(shè)施，搭設(shè)彩條布棚，避免陽光直曬；在水箱中加入冰塊，降低拌和水的溫度；在基坑內(nèi)設(shè)一大功率的鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)散熱。
4.4 埋設(shè)6層冷卻管，每層冷卻管配一潛水泵，在第一批開始砼初凝時(shí)由專人負(fù)責(zé)往冷卻管內(nèi)注入涼水降溫，冷卻水流速應(yīng)大于15L/min，冷卻水采用嘉陵江水，持續(xù)養(yǎng)生7天。通過冷卻排水，帶走砼體內(nèi)的熱量，許多工程實(shí)踐表明，此方法可使大體積砼體內(nèi)的溫度降低3~4攝氏度。
4.5 澆注砼時(shí)，采用薄層澆注，控制砼在澆注過程中均勻上升，避免砼拌和物堆積過大高差，砼的分層厚度控制在20~30cm。
4.6 設(shè)10臺(tái)插入式振搗器，加強(qiáng)振搗，以期獲得密實(shí)的砼，提高密實(shí)度和抗拉強(qiáng)度，澆注后，及時(shí)排除表面積水，進(jìn)行二次抹面，防止早期收縮裂縫的出現(xiàn)。
4.7 砼澆注后，搭設(shè)遮陽布棚，避免陽光曝曬承臺(tái)表面。
4.8 砼澆注后，砼表面用土工布覆蓋保溫，并灑水養(yǎng)生，使砼緩慢降溫、緩慢干燥，減少砼內(nèi)外溫差。
4.9 砼澆筑后，每2小時(shí)量測(cè)冷卻管出口的水溫和砼表面溫度，若溫差大于20℃時(shí)，及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施，如加快冷卻水的流通速度等措施，以控制溫差小于25℃。
5 溫度監(jiān)測(cè)
承臺(tái)砼入模溫度為30℃～34℃，1.5d后中心溫度最高達(dá)50℃，溫升達(dá)20℃，3d后中心溫度達(dá)57℃～60℃，溫升27℃～30℃，經(jīng)過10～12d降溫階段后，中心溫度基本穩(wěn)定。
承臺(tái)中心與側(cè)面中心溫度的最大溫差為10℃，與承臺(tái)表面的最大溫差為17℃左右，因此，在養(yǎng)護(hù)階段必須做好承臺(tái)表面的保溫措施，延緩承臺(tái)表面的降溫速度，減小溫差。
6 結(jié)束語
通過事先裂縫控制的驗(yàn)算及裂縫控制方案的周密考慮，成功地控制了承臺(tái)裂縫的產(chǎn)生，施工后檢查承臺(tái)砼各表面整體光滑，未見收縮裂縫。從本工程的裂縫控制得出：裂縫控制應(yīng)以合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，具體施工中從合理選材入手，加以事先裂縫控制驗(yàn)算并采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧轿?、多層次地進(jìn)行裂縫控制，才能做到真正意義上的裂縫控制。
