大型一次成型工字型承台温度控制研究

1、大型一次成型工字型承台温度控制研究李飞要 赵晓东摘 要 郑州中牟人文路跨贾鲁河大桥7#承台是主塔承台，属大型工字型承台。主塔承台属于塔梁结构的重要承力结构,其抵抗外力大,结构的设计截面积大,为大体积混凝土结构。大体积混凝土结构与一般结构混凝土的施工及特性均不相同,它形体庞大,且往往需要一次性浇筑成型,混凝土在硬化过程中内部水化热不易散发,导致砼结构物内、外温差悬殊,产生温度应力。本文通过对贾鲁河大桥7#承台的施工研究，总结出该种承台温度控制的施工工艺和各项施工参数。关键词 贾鲁河大桥 7#承台 工字型 大体积混凝土 一次性浇筑 温度控制1 前 言随着混凝土施工技术的发展，越来越多的大体积混凝土

2、被运用到桥梁工程中来。作为应用最广泛、功能最重要的工程结构之一，大体积混凝土已成为大型桥梁建设中必须认真对待的新课题。对于（特）大型桥梁承台而言，由于一次浇注混凝土体积大，水泥在水化过程中，释放大量的水化热，而混凝土是一种不良的导热材料，导致承台内部温度升高。在降温过程中，由于受到自身和外部约束，混凝土不能自由变形，就会在承台内部产生温度应力，如果混凝土的早期抗拉强度低于温度应力，便会在混凝土表面产生温度裂缝。这些裂缝具有裂缝宽、上下贯通等特点，加速外界环境对混凝土的风化侵蚀，对混凝土结构承载力、防水性和耐久性等产生显著影响。大体积混凝土的特征是：结构尺寸大，混凝土数量大，工程有特殊要求（如不

3、允许开裂，受力复杂等）；水泥的水化热使结构产生明显升温，容易产生温度裂缝等。大体积混凝土在施工阶段会因水化热释放引起内外温差过大而产生裂缝，而且，水化热温度若过高，还会导致混凝土后期强度的明显损失。大体积混凝土的裂缝不论是对它的应力状态还是它的使用寿命都有很大的害处。上世纪50年代至70年代，由于人们对大体积混凝土的裂缝的形成机理没有充分的认识，或没有找到适当的措施来防止大体积混凝土开裂，尤其是对大体积混凝土内部温度未进行施工控制，国内外有许多大体积混凝土结构物出现严重裂缝的实例，严重影响工程的使用，以致不得不采取补救措施，费时费力，耗资巨大。大体积混凝土温度裂缝问题十分复杂，涉及到工程结构的

4、方方面面。对大体积混凝土温度控制更是涉及到岩土、结构、材料、施工以及环境等多方面、多学科。随着各种新材料的不断涌现，各种监测手段的不断发展，对大体积混凝土温度裂缝问题的研究也不断深入。为了防止温度裂缝的产生或把裂缝控制在允许的范围内，需要研究温度裂缝的成因、特点、机理，掌握大体积混凝土内的温度场、应力场分布规律，从而在施工中采取有效的防裂措施。2 工程概况人文路跨贾鲁河大桥位于人文路与贾鲁河相交处，主桥为（30+120+40）m双索面无背索独塔斜拉桥。主桥7#承台位于贾鲁河河槽内，河内常年流水，地下水稳定水位绝对标高为76.79m77.37m，承台顶部高程为73.841m，承台基坑开挖深度为1

5、2.66m，基坑下部大小为47m53m，采用钢板桩围护结构，顶部放坡，放坡级数为1级，坡比为1:1，基坑顶部平台尺寸为79.4m73.4m，开挖范围内土质从上往下依次为：粉土层、粉砂层、粉质粘土层与粉砂层。主塔下部承台长44m，宽28m，高5m，混凝土浇筑方量5360m，属特殊结构（工字型）大体积承台。承台由三部分组成，工字型两端尺寸为28m18m5m，中间连系梁尺寸8.5m5m5m，两端通过中间连系梁连接成一个整体，具体结构布置图见图1。图1 7#承台结构图（单位：mm）3 温度原因分析大体积混凝土结构与一般结构混凝土的施工及特性均不相同,它形体庞大,且往往需要一次性成型,混凝土在硬化过程中

6、体内水化热不易散发,导致砼结构物内、外温差悬殊,产生温度应力。当温度应力超过同期混凝土极限抗拉强度时,结构物内就会出现裂缝,也称温度裂缝，温度裂缝严重地影响到结构的使用安全。为保证工程质量，防止温度应力造成裂缝，必须对温度变化规律进行分析研究。3.1 水泥水化热在混凝土结构浇筑初期，水泥水化热引起升温，且结构表面自然散热。在浇筑后的3天7天，混凝土内部逐渐达到最高温度。加之混凝土结构自身的导热性能差，且大体积混凝土由于热量散发的路径变长，混凝土放热速度大于散热速度，使得混凝土内部迅速升温。而混凝土外露表面容易散发热量，这就使得混凝土结构温度内高外低，且温差很大，形成温度应力。当产生的温度应力，

7、超过混凝土当时的抗拉强度时，就会形成裂缝，尤其是贯穿性裂缝。3.2 外界温度变化大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热情况确定。除出料口温度外，浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温差梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，容易引发混凝土的开裂。4 温度控制标准及措施4.1 温度控制标准针对人文路跨贾鲁河大桥7#主塔承台工字型大体积混凝土自身特点，制定的温度控制标准如下：（1） 混凝土中心温度和混

8、凝土表面温度之差不应大于25，混凝土表面温度与大气温度之差不应大于20。（2） 在浇筑温度基础上的最大水化热升温不得超过25；（3） 混凝凝土降温速率不得超过2每天。4.2 温度控制措施在工字型承台混凝土施工中，大体积混凝土硬化期间会释放出大量水化热，其施工关键在于控制混凝土内部和外表面外温差、外表面与环境之间的温差。本工程主要从以下四个方面进行控制：（1） 混凝土配合比的优化；（2） 布置冷却管；（3） 浇筑过程中的控制；（4） 浇筑后的养护。4.2.1 混凝土配合比优化混凝土的配合比设计时采用低水化热水泥，掺加粉煤灰、矿粉、超细粉与硅粉等胶凝材料。反应机理为：低热水泥的水化热较普通水泥要小

9、，同时粉煤灰、矿粉、超细粉是通过与水泥水化热的产物作用产生水化热，能够延长混凝土水化热完全释放时间，降低混凝土内部温升的幅度和温度峰值。（1） 水泥：水泥采用了中低热低碱水泥，凝结时间长，降低温度应力，避免温度裂缝。（2） 粉煤灰、矿粉：掺加粉煤灰和矿粉，其水化热远小于水泥，还可利用粉煤灰和矿粉的微集料效应和二次水化效应减小混凝土的自身体积收缩，利于防裂。（3） 砂：采用优质的水洗中砂，级配良好。（4） 石料：采用5mm25mm连续级配、空隙率小，线膨胀系数小，含泥量不超过1%的碎石，提高骨料在混凝土中所占体积，降低水泥用量，进一步降低水化热。（5） 减水剂：采用高效减水剂。掺减水剂可有效地降

10、低混凝土的单位用水量, 降低水泥用量。高效减水剂可有效地增加混凝土拌合物的和易性, 且能使水泥水化较充分, 提高混凝土的强度，减缓水泥硬化速度，从而可降低水化热的产生, 同时可明显延缓水化热释放速度。同时泵送混凝土应具有良好的和易性和粘聚性，不离析、不泌水。混凝土塌落度应控制在180mm以上，初凝时间为202h。结合现场和材料情况，施工前对配合比进行了调整和优化，为大体积混凝土温控打下基础。4.2.2 冷却管布置在承台混凝土浇筑前，预埋冷却水管，通过循环水将内部热量带出，实现人工导热。（1） 根据承台内部温度分布特征，共布置4层冷却水管，上下冷却水管分别位于距顶面和底面70cm处，中间间距为1

11、20cm。冷却水管采用32mm标准铸铁水管，冷却水采用地下井水，冷却管布置图详见图2、图3，东西承台中间连接部位冷却管单独布置，布置型式与承台一致。图2 7#承台冷却管立面图（单位：mm）图3 7#承台冷却管立面图（单位：mm）（2） 冷却管布置完成后，进行压水试验，防止管道漏水和堵塞。（3） 在开始浇筑混凝土时，即通入冷却水，连续通水15天，水压可根据天气和水化热情况适当调整，进水口水温和承台中心混凝土温度的温差应控制在25以内，出水口温度应控制在40以下。（4） 在通入冷却水进行降温时，应根据实际情况对进、出水口进行变换，防止出现不均匀降温。（5） 冷却管使用完毕后进行灌浆封孔，灌浆材料强

12、度应不低于承台混凝土强度。4.2.3 浇筑过程控制 工字型承台的特点是两端结构通过中间连系梁连接成一个整体，本工程浇筑采用整体分段分层浇筑，由承台两端向中间对称浇筑，不留施工缝，一方面保证结构的整体性，另一方面控制浇筑过程中大体积混凝土的内外温差在规定范围内。浇筑分层厚度为30cm，分段长度在3m5m。为了使混凝土不出现冷缝，要求上下层浇筑混凝土间隔时间控制在4小时以内。大体积混凝土采用二次振捣工艺，即在混凝土浇筑后即将凝固前，在适当的时间和位置给予再次振捣，以排除混凝土因泌水在粗骨料、水平钢筋下部生成的水分和孔隙，增加混凝土的密实度，减少内部微裂缝和改善混凝土强度，提高抗裂性。振捣时间长短应

13、根据混凝土的流动性大小而定。等混凝土表面基本收水后，用木抹子再连续压两遍，使混凝土表面搓平并消除干缩裂缝。4.2.4 浇筑后的养护养护是大体积混凝土施工的关键环节。外部采用保温蓄热法进行养护。先在混凝土表面覆盖1层塑料薄膜，然后在塑料薄膜上覆盖2层棉毡用以保温。为防止雨雪等造成混凝土表面温度突降，在棉毡上再加盖l层塑料薄膜，隔离较低温度的雨水对棉毡的影响，同时又使表面已升高的温度不易散失。内部采用预先设置的冷却水管进行降温，每层冷却水管在混凝土浇筑覆盖水管后即开始通水，管内水流的流速和进出水口的转换根据内外温差实时调整。5 温度监测及分析混凝土浇筑结束后，对混凝土内的温度进行检测，每两小时检查

14、一次并进行详细记录。混凝土温度检测持续时间为15天。在温度监控过程中，严格控制混凝土内部与表面温差，表面与大气温差不超过20，进水口与出水口的温差不超过25。当温差超过界限时，及时对冷却管内的水温和流速进行调整或对混凝土表面进行覆盖保温。5.1 测点布置在钢筋安装完成后，按照大体积混凝土特点在结构物内安装温控元件，测定混凝土内外温度。温控元件分三层布置，每层布置位置见图4。图4 7#承台温控元件布置图（单位：mm）5.2 监测结果根据各温控元件所测温度汇总表，绘制承台混凝土断面平均温度过程曲线，如下所示：（1）承台底层混凝土断面平均温度过程曲线（2）承台中间层混凝土断面平均温度过程曲线（3）承

15、台顶层混凝土断面平均温度过程曲线5.3 监测结果分析（1） 根据监测结果，可知承台混凝土具有急剧升温和缓慢降温、趋于稳定的特征。（2） 承台各层断面内温差小于5，各层断面最大温差为17，低于温度设计要求的25，承台没有出现温度裂缝。（3） 根据监测结果及时调整、控制水的温度、流量和流向，使承台混凝土的各层最大降温速率控制在2每天，削弱了早期温峰，同时防止中后期温度回升。（4） 中心点的升温明显快于边点，这是因为中心点容易积聚热量，且其不易散发出去。（5） 中心部位混凝土因冷却水所产生的降温数值大，混凝土表面和底部所产生的降温数值小。（6） 混凝土浇筑后，水泥水化热对于混凝土的温度影响起主导作用，10天后混凝土的温度变化趋于平缓。6 结 语通过人文路跨贾鲁河大桥7#主塔承台大型一次成型工字型大体