某公路大桥南塔承台大体积混凝土温控方案

某公路大桥南塔承台大体积混凝土温控方案1.工程概况某公路大桥是沪蓉国道主干线和大庆至广州高速公路湖北段的共用过江通道，位于在黄石长江公路大桥上游980米处，为主跨926米的混合梁斜拉桥。某公路大桥南塔承台结构尺寸为42.0×23.25×8m，方量约7785m3，设计强度C35。南塔共有28根直径2.5米的钻孔桩，桩基深度达86米，形成承台混凝土的约束条件。承台顶面标高21m，与地面线齐平，承台在开挖基坑中施工，便于回填保温。大体积混凝土由于水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这个阶段中混凝土的体积亦随之伸缩，若各块混凝土体积变化受到约束就会产生温度应力，如果该应力超过混凝土的抗裂能力，混凝土就会开裂。针对某公路大桥南塔承台混凝土特点，某工程设计研究院有限公司根据现场提供的资料及混凝土物理、热学性能的经验取值，计算了南塔承台施工期内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定了不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施。2.混凝土原材料优选及配合比优化优选混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能力，具体说来，就是要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小、线胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩2.1混凝土原材料优选◆水泥优选大体积混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两个方面的要求。理论研究表明大体积混凝土产生裂缝的主要原因就是水泥水化过程中释放了大量的热量。于是，我们对于桥梁中的大体积混凝土应该选择低热或者中热的水泥品种。而水泥释放温度的大小及速度取决于水泥内矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙（C3A），其他成分依次为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）和铁铝酸四钙（C4AF）。另外，水泥越细发热速率越快，但是不影响最终发热量。因此我们在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰水泥，充分利用混凝土的后期强度，以减少水泥的用量。因为大体积混凝土施工期限长，不可能28d向混凝土施加设计荷载。正是基于这一点，国内外很多专家均提出类似的建议。这样充分利用后期强度则可以每m3混凝土减少水泥40kg～70kg左右，混凝土内部的温度相应降低4℃～7℃。◆掺加掺合料使用掺合料的目的在于降低混凝土的绝热温升、提高混凝土的抗裂能力。混合材包括矿渣、粉煤灰等。目前粉煤灰采用较多。在满足设计施工要求的合理范围内，掺较多的粉煤灰有利于混凝土抗裂性能的提高。在大体积混凝土中掺入一定量的粉煤灰后，可以增加混凝土的密实度，提高抗渗能力，改善混凝土的工作度，降低最终收缩值，减少水泥用量。要降低大体积混凝土的水泥水化热引起的内部温升，防止结构出现温度裂缝，利用粉煤灰作混凝土的掺合料是最有效的HYPERLINK"/"方法之一。◆掺用外加剂外加剂有减水剂、引起剂、缓凝剂、早强剂等多种类型。减水剂是最常用、最重要的外加剂，它具有减水和増塑作用，在保持混凝土塌落度及强度不变的条件下，可减少用水量，节约水泥、降低绝热温升。目前采用的缓凝高效聚羧酸减水剂，兼顾减水、引气和缓凝效果，可以延缓水化热的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以达到减少水化热的目的。◆骨料在骨料的选择上应该选取粒径大、强度高、级配好、低热膨胀系数、低吸水率的优质骨料。这样可以获得较小的空隙率及表面积，从而减少水泥的用量，降低水化热，减少干缩，减小了混凝土裂缝的开展。基于以上一些原则和认识，结合某公路大桥的地材条件，初步选择的混凝土原材料为：水泥：华新P.S32.5粉煤灰：阳逻电厂Ⅰ级灰砂：上巴河中砂，细度模数2.8碎石：5-25mm一级配外加剂：武汉LN-SP或上海通广久2.2混凝土配合比优化承台配比比较了不同粉煤灰掺量不同外加剂的情况表2-1承台C35混凝土试验试配（kg/m3）编号水泥粉煤灰砂碎石水外加剂抗压强度（MPPa）7d28d134486739.61066.4161.32.15通广久33.953.6234486739.61066.4161.33.01LN-SP33.451.73301129739.61066.4161.32.15通广久32.846.34301129739.61066.4161.33.01LN-SP29.545.6外加剂通过绝热温升试验比选，推荐采用LN-SP，因为采用它配制的混凝土表现出的放热速率低于上海通广久外加剂。7天龄期绝热温升试验曲线见图1。根据该曲线拟合混凝土放热系数为：α=0.12、β=1.9图1同配比不同外加剂的绝热温升曲线经过反复试验比选，确定推荐配合比为表2-2承台C35混凝土配合比（kg/m3）水泥粉煤灰砂碎石水外加剂301129739.61066.4161.3LN-SP33.01该配比混凝土劈裂抗拉强度及物理热学性能试验结果见表2-3、2-4；表2-3混凝土劈裂抗拉强度试验值（MPa）龄期（d）3728C35混凝土表2-4混凝土物理、热性能参数试验值混凝土等级弹模增长指数最终弹模（MPa）热胀系数(1/℃)比热(kJ/kg.℃)混凝土绝热温升升(℃)C350.173.8×10448.1×10--61.138.03.仿真分析3.1气象资料黄石市位于湖北省东南部，长江中游南岸，北纬29°30'-30°20'，东经114°13'-115°30'的中纬度地区，季风明显，四季分明。受季风环流的影响，其气候特征是：冬冷、夏热，光照充足，雨量充沛，为典型的亚热带大陆性季风气候。每到春、夏季节，西南暖湿气流入侵时就容易造成暴雨、大暴雨。另外，也有一些年份春夏发生持续多日的干旱少雨天气。黄石年平均气温为16.8～17.0℃，下表3-1为黄石常年平均温度表，图2为历年气温统计。表3-1黄石月平均气温表月份要素1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月全年平均气温(℃))4.506.410.629.028.624.018.412.26.717.2最高气温(℃))13.723.227.634.933.535.837.537.433.827.727.020.437.5最低气温(℃))-3.7-10.116.723.522.117.811.12.20-5.1-5.1图2湖北黄石地区历年气温统计资料3.2设计资料南塔承台采用C35混凝土，承台8m厚度分4.4m、3.6m两次浇筑成型；受28根Φ2.50m钻孔灌注桩约束。混凝土物理热学性能参考表2-4；计算时考虑徐变对混凝土应力的影响，混凝土的徐变取值按经验数值模型，如下所示：C(t,τ)=0.333×10-4(0.30＋4.38/τ)(1-e-0.25(t-τ))+0.333×10-4(0.252＋2.04/τ)(1-e-0.018(t-τ))；其中:C(t,τ)—徐变度(1/MPa)；t—混凝土龄期（d）；τ--徐变加荷龄期（d）。3.3仿真计算3.3.1模型参数★根据南塔承台的结构对称性，取1/4模型进行有限元剖分计算。承台计算网格剖分图见图3。★南塔承台结构尺寸为42.0×23.25×8m，拟在6月中旬开始浇筑混凝土。★承台混凝土受28根Φ2.50m钻孔灌注桩约束，估算基础弹模为3.0×104MPa。★计算时考虑混凝土表面的保温，承台侧面考虑处于地面线以下，风速较小，顶面考虑覆盖塑料薄膜加土工布保温保湿。经热工计算侧面等效保温系数为1268kJ/（m2·d·℃），顶面等效保温系数985kJ/（m2·d·℃）。★计算考虑冷却水管降温效果。南塔承台共布设六层冷却水管，冷却水管水平间距按1.5m考虑。★参考气候资料，平均风速按6m／s考虑。★计算时考虑徐变对混凝土应力的影响。★混凝土物理热学参数取值见表2-4，混凝土导热系数估算为206.35kJ/(m·d·℃)。★温度及应力计算从浇筑开始，模拟之后一年的温度应力发展。图3南塔承台1/4网格剖分图（附带等效约束基础）3.3.2承台仿真计算根据施工工期，承台浇筑温度按不超过28℃计算，在以上设定条件下，承台第一层内部最高温度为60.9℃，第二层内部最高温度为61.3℃，温峰出现时间为2-3天龄期。承台最高温度包络图见图4。承台温度应力计算结果见表3-2，应力场分布见图5。图4承台最高温度包络图表3-2承台温度应力场结果（施工期工况，气温稳定）部位龄期部位龄期3d7d14d28d一年承台第一层41.691.58承台第二层80.800.58安全系数1.121.811.381.892.02A1：承台第一层3天应力场B1：承台第一层7天应力场C1：承台第一层28天应力场A2：承台第二层3天应力场B2：承台第二层7天应力场C2：承台第二层28天应力场承台一年后的应力状态（单位：0.01MPa）图5南塔承台应力场分布图结合表3-2温度应力结果、表2-3中C35混凝土抗拉强度可知，南塔承台温度应力危险点主要是在早期，有一定安全系数，需要注意早期内表温差的控制，加强外部保温和内部散热，严格执行温控措施，做好早龄期混凝土保温养护工作，可保证承台大体积混凝土不出现有害温度裂缝。4.温控指标结合仿真计算结果和已有现场经验，按照施工流程，从配合比优化到养护完成提出以下控制指标：4.1混凝土性能参数★C35混凝土绝热温升小于38℃；★C35混凝土28天劈裂抗拉强度大于3.2Mpa。4.2混凝土温度★水泥温度不得高于60℃；★混凝土浇筑温度不高于28℃；★两层混凝土浇筑间歇期不超过10天；★承台混凝土内部最高温度控制不超过62℃。4.3冷却水★冷却水流速应达到0.65m/s以上，流量应大于45L/min；★单根冷却水管长度不宜超过150m；★冷却水温度应当稳定，承台冷却水温不宜高于32℃。4.4保温养护★内外温差控制小于20℃；★混凝土降温速率不宜大于3℃/d；★淋注于混凝土表面的养护水温度不低于混凝土表面温度15℃；★混凝土内部断面均温与环境温度之差小于20℃方可拆模；★鉴于承台早期开裂缝风险较大，上表面宜采用保温保湿养护，可以减少表面干缩，保持温度稳定，采用塑料薄膜加土工布保温保湿。5.控制措施及现场监测大体积混凝土温控施工贯穿了从混凝土的原料材选择、配比设计以及混凝土的拌和、运输、浇筑、振捣到通水、养护、保温等的全过程，是一个系统工程，需要施工各个环节精心组织，紧密配合才能达到良好的控制效果，具体有如下几个方面：5.1混凝土浇筑温度的控制降低混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要。相同混凝土，入模温度高的温升值要比入模温度低的大许多。在混凝土浇筑之前，可通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，估算浇筑温度。若浇筑温度不符合控制要求，则应采取相措施。降低混凝土入仓温度的措施有：◆水泥使用前应充分冷却。◆搭设遮阳棚，堆高骨料、底层取料、用水喷淋粗骨料。◆避免模板和新浇筑混凝土受阳光直射，入模前的模板与钢筋温度以及附近的局部气温不超过40℃，仓面降温可采取喷雾或洒水措施。另外，应合理安排工期，炎热季节尽量采用夜间浇筑。◆当浇筑温度超过温控设计标准，粗集料遮阳洒水亦不能满足温度要求时，可采用加冰措施或采用制冷机组冷却拌和水。◆当气温高于入仓温度时，可加快运输和入仓速度，减少混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升。混凝土输送管外用草袋遮阳，并经常洒水。◆混凝土升温阶段，为降低最高温升，可对模板及混凝土表面进行冷却，如洒水降温、避免曝晒等，但洒水水温与混凝土表面温差应不大于15℃，不造成冷冲击为宜。5.2冷却水管的埋设及控制5.2.1水管位置根据混凝土内部温度分布特征及控制最高温度的要求，承台埋设六层冷却水管。冷却水管内径32mm，水管水平间距为1.5m。水管布置示意图见附图1。5.2.2冷却水管使用及其控制◆冷却水管使用前进行压水试验，防止管道漏水、阻水；◆混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水，各层混凝土峰值过后尽快减缓或停止通水。◆升温时段通水流量应使流速达到0.65m/s以上，形成紊流，降温时段，可通过水阀控制减缓通水，使流速减半，水流平缓，以层流状态冷却混凝土；5.3内外温差控制对于大体积混凝凝土，由于于水化放热热会使温度度持续升高高，如果气气温不是过过低，在升升温的一段段时间内应应加强散热热，如加大大通水流量量、降低通通水温度等等。当混凝凝土处于降降温阶段则则要保温覆覆盖以降低低降温速率率。为防止气温较低低或突遇大大风降温天天气，侧壁可利用模板保保温，上表面可采采用塑料薄薄膜加土工工布保温保保湿，条件件允许可蓄蓄水养护，蓄蓄水深度大大于30ccm。侧壁拆模模后宜尽快快回填保温温，利用地地下恒温保保护承台混混凝土，避避免温度裂裂缝。混凝土保温充分分、时间足足够长，让让混凝土慢慢慢冷却，拉应力会在混凝土徐变作用下部分松驰，直到温差达到允许范围，可有效控制裂缝的产生。5.4养护混凝土养护包括括湿度和温温度两个方方面。结构构表层混凝凝土的抗裂裂性和耐久久性在很大大程度上取取决于施工工养护过程程中的温度度和湿度养养护。因为为水泥只有有水化到一一定程度才才能形成有有利于混凝凝土强度和和耐久性的的微结构。目目前工程界界普遍存在在的问题是是湿养护不不足，对混混凝土质量量影响很大大。湿养护护时间应视视混凝土材材料的不同同组成和具具体环境条条件而定。特别是低水胶比又掺有大量矿物掺和料的混凝土，为减少早期自收缩，保证表层混凝土有密实的微结构，充分的潮湿养护过程尤其重要。湿养护的同时，还要控制混凝土的温度变化。根据季节不同采取保温和散热的综合措施，保证混凝土内表温差及气温与混凝土表面的温差在控制范围内。暴露于大气中的的新浇混凝凝土表面应应及时进行行水养护。承承台混凝土土上表面因因没有模板板保护，应应覆盖塑料料薄膜和土土工布保湿湿，人工直接接洒水易造造成混凝土土表面干湿湿循环，产产生干缩裂裂缝。5.5施工控制为确保大体积混混凝土施工工质量，提提高混凝土土的均匀性性和抗裂能能力，必须须加强对每每一环节的的施工控制制，混凝土土施工严格格按照《公公路桥涵施施工技术规规范》（JTJ0041899）执行，并并特别注意意以下方面面：◆混凝土拌制配料料前，各种种衡器清计计量部门进进行计量标标定，称料料误差符合合规范要求求，严格按按确定的配配合比拌制制。◆混凝土按规定厚厚度、顺序序和方向分分层浇筑，在在下层混凝凝土初凝前前浇筑完上上层混凝土土。◆严格按规范要求求进行层间间垂直施工工缝处理，侧侧面混凝土土表面可布设防裂金金属网，防防止表面裂裂缝的产生生。5.6现场监监测5.6.1监测测仪器及元元件温度检测仪采用用JGY—100型智能化化数字多回回路温度巡巡检仪，温温度传感器器为PN结温度传传感器。JGY—1000型智能化化温度巡检检仪可自动动、手动巡巡回检测128点温度，并并具有数据据记录和数数据掉电保保护、历史史记录查询询、实时显显示和数据据报表处理理等功能。该该仪器测量量结果可直直接用计算算机采集，人人机界面友友好，并且且测温反应应灵敏、迅迅速，测量量准确，主主要性能指指标：①测温范围围：-500℃~+1500℃；②工作误差差：±1℃；③分辨率：：0.1℃；④巡检点数数：64点；⑤显示方式式：LCD（240×128）；⑥功耗：155W；⑦外形尺寸寸：230×130×220；⑧重量：≤1.5kkg。温度传感器的主主要技术性性能：①测温范围围：-50℃～150℃；②工作误差差：±0.5℃；③分辨率：：0.1℃；④平均灵敏敏度：-2.11mv/℃。经数十个大型工工程应用证证明，以上上检测仪器器及元器件件性能稳定定、可靠，成成活率高，完全能能够满足工工程需要。5.6.2检测元件的的布置测点的布置按照照重点突出出、兼顾全全局的原则则。根据结结构的对称称性和温度度变化的一一般规律，在在南塔承台台沿桥中心心线对称的的一侧布设设测点。温温度传感器器在每层混混凝土接近近中心线上上布置，该该区域能够够代表整个个混凝土断断面的最高高温度分布布。在平面面内，由于于靠近表面面区域温度度梯度较大大，因此测测点布置较较密，而中中心区域混混凝土温度度梯度较小小，因此测测点布置减减少。南塔塔承台混凝凝土中布设设3层测点，共共39个，测测点布置示示意图见附附图1。5.6.3监测元件的埋没没参照《混凝土大大坝安全监监测技术规规范》（SDJ3336－89），并根根据桥梁