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(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩等。它主要的特點就是結(jié)構(gòu)厚實，混凝土量大，工程條件復(fù)雜，施工技術(shù)要求高，水泥水化熱較大（預(yù)計超過25度），易使結(jié)構(gòu)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(yīng)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(chǔ)貫穿裂縫出現(xiàn)在重要的結(jié)構(gòu)部位，危害極大，它會降低結(jié)構(gòu)的耐久性，削弱構(gòu)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(jié)構(gòu)表面無蜂窩麻面，是一個應(yīng)當高度關(guān)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。
（1）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(jié)構(gòu)斷面，對結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的斷面，可能破壞結(jié)構(gòu)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(yīng)力和溫度變形。溫度應(yīng)力與溫差成正比，溫差越大，溫度應(yīng)力越大，當溫度應(yīng)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(guān)，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(yīng)力。當溫度下降，則產(chǎn)生較大的拉應(yīng)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(yīng)力，在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。若拉應(yīng)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(yīng)力，使混凝土產(chǎn)生裂縫。
?。?）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(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。在設(shè)計上，混凝土表層布設(shè)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(jié)構(gòu)裂縫，過早拆除模板支架易使未達到強度的混凝土結(jié)構(gòu)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(cè)引橋，主橋下部結(jié)構(gòu)的中墩基礎(chǔ)為承臺+群樁基礎(chǔ)。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(jié)構(gòu)（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(shè)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
（1）鋼筋數(shù)量大，預(yù)埋鋼筋及預(yù)埋構(gòu)件多，施工難度大。
?。?）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(guān)鍵問題。
3 施工技術(shù)措施
3.1 施工準備
?。?）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(fù)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(jié)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。
（6）混凝土生產(chǎn)供應(yīng)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(guān)計算
?。?）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(jié)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(guān)規(guī)定，確定分層厚度30 cm。為防止混凝土離散，泵管出口設(shè)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(yù)埋鋼筋和其他預(yù)埋件的穩(wěn)固情況，松動、變形、移位及時復(fù)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(shè)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(cè)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(yù)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。
（3）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(fù)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(jié)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(yù)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(yù)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(shè)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(yīng)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(shè)置2個進水口，2個出水口，進水夠集中布置在承臺一側(cè)，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(cè)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。
（3）將其按設(shè)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(jié)束時間視混凝土溫升、溫降情況而定。
（5）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(shè)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
?。?）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(yù)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(yīng)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(guān)，將測溫線插頭插入主機插座中，主機顯示屏上即顯示相應(yīng)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(shè)計，測溫儀器采用JDC-2型便攜式建筑電子測溫儀。儀器技術(shù)指標如下。
?、贉y溫范圍：-30℃～+130 ℃。
?、跍y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(jié)構(gòu)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(yù)埋測溫線。
測點布置應(yīng)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。
?。?）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(yīng)做好記錄。
測溫目的是控制以下指標：
①混凝土入模板溫度不大于28 ℃。
?、诨炷晾锉頊夭畈淮笥?5 ℃。
③混凝土表面與大氣溫差不大于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。
（3）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(jié)語
海河特大橋承臺自18：00起澆筑，至次日13：20結(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)裂縫預(yù)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(yù)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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