多年冻土区桥梁混凝土施工技术

多年冻土区桥梁混凝土施工技术

1青藏高原多年冻土区的环境特点及混凝土相关技术要求1.1沿线地表环境新建庆藏铁路格段全长142公里，其中包括一条总干旱季铁路。除格尔木和拉萨外,沿线年平均气温-2～-6℃,年日正负温交替天数约180天左右;沿线地区年均降水量248.5mm,而年均蒸发量达到1945.5mm,气候干燥缺水。年大风天数达178天之多,大风挟裹砂子,冲击到混凝土表面,对混凝土表面产生强烈的风砂磨蚀。沿线大部分河流的水中存在有害离子,有害离子种类主要有氯离子和硫酸根离子。此外,沿线砂石骨料很大程度上存在碱骨料或潜在的碱骨料反应。青藏高原恶劣的自然环境条件决定了混凝土除了必须具备常规的物理力学指标外,还必须满足低温早强、良好的耐久性以及温度控制指标。1.2青藏铁路多年冻土区桥梁混凝土技术要求1.2.1混凝土的主要技术指标(1)抗冻融循环次数不小于300。(2)抗渗等级应不小于S12。(3)混凝土砂浆中的钢筋不得锈蚀。(4)氯离子渗透值不得大于1000库仑。(5)表面非受力裂缝平均宽度不得大于0.20mm。(6)当环境水或岩土中存在有害离子侵蚀时,混凝土受有害离子侵蚀的浓度允许值应符合要求。(7)混凝土的总碱含量符合要求。(8)暴露于大气中的混凝土,其砂浆的磨耗率不大于0.5kg/m2。1.2.2入模温度的控制(1)浇注对冻土有直接影响的混凝土(例如钻孔桩混凝土),其入模温度宜控制在2～5℃,暖季困难时可放宽到10℃,但必须采取降低水化热的措施。(2)浇注在低温或负温条件下养护,不直接与冻土接触的混凝土,其入模温度宜以5～10℃为宜。1.2.3保温层保温施工暖季,由于青藏高原强烈的紫外线照射和高蒸发量,为防止混凝土过早干燥,对后期强度增长和耐久性不利,混凝土拆模后应立即用蓄水物质和塑料布包裹,进行保温保湿养护,后期应喷涂养护液。寒季,混凝土表面覆盖的保温层不应采用潮湿状态的材料,也不应将混凝土保温材料直接铺盖在潮湿的混凝土表面,新浇混凝土表面应铺一层塑料薄膜,混凝土养护所采取的保温措施,应使混凝土的温度下降到0℃以前获得抗冻所需的临界强度。不同环境温度下混凝土的临界抗冻强度见表1。限于篇幅,本文只讨论混凝土施工温度控制。通过对钻孔桩和墩台混凝土的热工计算,确定不同工况条件下经济、易行的施工工艺和养护方法,以达到以下目标:一确保混凝土在负温条件下能够持续硬化不受冻,并且在规定的时间内获得所需的强度和耐久性;二尽量减少混凝土对冻土的热影响;三确保混凝土在水化过程中不因为环境因素,致使混凝土因内外温差过高,导致混凝土开裂。2青藏铁路多年冻土区混凝土施工与分析2.1计算和分析输入温度和冷热的参数2.1.1混凝土原料配比计算条件:(1)配合比为符合青藏铁路高原冻土区混凝土耐久性技术条件的桩基混凝土配合比;(2)碎石露天堆放,温度与外界环境温度一致;(3)水泥及外加剂存放在暖棚内,温度与搅拌棚温度一致;(4)运输环境温度与外界环境温度一致;mw—单方水用量,取178kg;mce—单方水泥及外加剂用量,取468kg;msa—单方砂子用量,取737kg;mg—单方石子用量,取1017kg;Tw—水的温度;Tce—水泥及外加剂温度;Tsa—砂子温度;Tg—石子温度;ωsa—砂子的含水率,取5%;ωg—石子的含水率,取2%;Ti—搅拌机棚内的温度;t1—混凝土运输至浇筑地点需要时间;Ta—混凝土的运输环境温度;混凝土拌合物用搅拌运输车运输,中间不允许倒运,即温度损失系数α为0.25h-1,倒运次数n为0。T0—混凝土拌合物的温度;T1—混凝土拌合物的出机温度;T2—混凝土拌合物的入模温度;C1、C2—水的比热容(kJ/kg·K)及冰的溶解热(kJ/kg)当骨料温度>0℃时,C1=4.2,C2=0;当骨料温度<0℃时,C1=2.1,C2=335;2.1.2结果分析2.1.2.搅拌棚内温度。根据运输时间的变化,各各项措施各(1)搅拌棚的温度变化1℃,混凝土的出机温度相应变化0.16℃;(2)拌合水温度变化1℃,混凝土的出机温度相应变化0.185℃;(3)砂子的温度变化1℃时,混凝土的出机温度相应变化为:如果砂子的温度>0℃,ΔT=0.3℃如果砂子的温度≤0℃,ΔT=0.27℃(4)水泥及外加剂的温度变化1℃,混凝土的出机温度相应变化0.15℃;(5)当水泥及外加剂库房温度与搅拌棚温度相同,或水泥及外加剂存放在搅拌棚内时,棚温变化1℃,混凝土的出机温度相应变化0.31℃;(6)混凝土的入模温度与运输时间呈线性关系。当出机温度等于环境温度时,混凝土的入模温度不随运输时间发生变化;当出机温度高于环境温度时,混凝土的入模温度随着运输时间增长而呈线性下降;当出机温度低于环境温度时,混凝土的入模温度随着运输时间增长而呈线性上升;通过以上计算分析可知,在各项措施中,应优先采取提高搅拌棚、库房温度措施;由于水的比热为砂石的5倍,并且水的加热简单,温度易于控制,因此在不宜再提高搅拌棚、库房温度的情况下,依次采取加热水、砂、石子的措施。2.1.2.暖棚温度设定满足入模温度的各工况见表2,从中可以得出:(1)当环境气温为-15℃时,如暖棚温度为0℃,则不但要加热水,还要加热砂子;暖棚温度为5℃,当运输时间在45min以上时需要加热砂子;暖棚温度为10℃以上时,只需要加热水,砂子只需提前运入暖棚预热一下,而不需要加热。(2)当环境气温为-10℃时,如暖棚温度为0℃,则不但要加热水,还要加热砂子;暖棚温度为5℃,当运输时间在30min以内时需要提前将砂子运入暖棚;混凝土运输时间在30min及以上时,砂子温度必须达到与暖棚相同的温度;暖棚温度为10℃以上时,只需要加热水,而砂子只需提前运入暖棚预热一下,而不需要加热。(3)当环境气温为-5℃时,如暖棚温度为0℃,混凝土运输时间较短,则只需要加热水,运输时间在0.5～0.75h之间,还需要提前将砂子运入暖棚,达到和暖棚相同的温度,运输时间在0.75h以上时,还需要加热砂子;暖棚温度为5℃,只要运输时间不超过45min只需要加热水;暖棚温度为10℃以上时,只需要加热水。(4)环境气温为0℃时,只需要加热水。2.1.2.砂子运暖棚温度综上所述,环境气温在-10至-15℃时,以暖棚温度为15℃左右为宜,如混凝土运输时间较长(45min以上),则提前将砂子运入暖棚稍稍预热一下即可;环境气温在-5至-10℃之间,暖棚温度以10℃为宜;环境气温在-5至0℃,则暖棚温度以5℃左右为宜,但混凝土运输时间宜控制在45min左右;当环境气温在0℃及以上时,不需要搭建暖棚,只需要对拌合水进行适当加热;当环境气温在5℃及以上时,不需要任何加热措施,混凝土的入模温度也能达到5℃以上。2.2计算和分析蓄热法的养生2.2.1混凝土养护工艺参数计算条件:(1)配合比为满足青藏铁路高原冻土区混凝土耐久性技术条件的墩台身混凝土配合比;(2)保温材料为棉被,每层厚度5cm。(3)入模温度分别取5℃、10℃。cc—混凝土的比热容为0.9(kJ/kg·K);cf—模板的比热容为0.48(kJ/kg·K);cs—钢筋的比热容为0.48(kJ/kg·K);c1—水的比热容;c2—水的溶解热;mc—每立方米混凝土的质量,取2400kg;mf—与每立方米混凝土相接触的钢模板质量,取320kg;ms—与每立方米混凝土相接触的钢筋质量,取50kg;Tf、Tsa—模板、钢筋的温度,如未预热,采用环境气温;Tm,a—混凝土蓄热养护开始至任一时刻的平均气温;ρc—混凝土质量密度,取2400kg/m3;Cce—水泥累积最终放热量,取330(kJ/kg);Vce—水泥水化速度系数为0.013(h-1);ω—透风系数;采用整体模板且带模养护时为1.6;Ψ—混凝土结构表面系数,取8;d—围护层厚度(m);k—围护层的导热系数w/m·K,棉被为0.04;K—围护层的总传热系数K;θ、Φ、η—综合参数;不同工况混凝土温度下降到0℃所需时间见表3。2.2.2混凝土入模温度和温湿度(1)当环境气温在0℃时,混凝土只需要保湿养生,无需保温(即只要在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜);环境温度在0℃～-15℃之间,只需要覆盖一层棉被(保温)和二层塑料布(保温和防止保温层受潮),采用蓄热法养生,在混凝土温度下降到0℃前,完全可以获得抗冻临界强度。实际施工中,可通过测试养护过程中混凝土的温度,采用成熟理论进行混凝土强度推算。(2)混凝土的入模温度由5℃提高到10℃,混凝土温度下降延续的时间变化很小,即混凝土入模温度对降温时间的影响可以忽略不计,混凝土的入模温度只需达到规定下限即可。(3)不同环境温度下混凝土温度下降到0℃时间(t1)与保温层厚度(d)的关系曲线见图1、不同保温层厚度下混凝土温度下降到0℃时间(t1)与环境温度(T)的关系曲线见图2。从图1、图2可以看出:混凝土温度下降到0℃所需的时间随着保温材料的厚度增大而呈线性增长,随着环境温度降低,这种增长趋势减小;混凝土温度下降到0℃所需要时间随着环境温度下降而减小。实际施工中,只要环境温度不低于-15℃,可通过增大保温层厚度来达到保温度效果,但如果环境气温低于-15℃,尤其是低于-20℃时,必须搭设暖棚,采用外部热源法进行养护。3外加剂、混凝土的投料、养护及养护低、负温条件下混凝土施工,应严格执行混凝土冬季施工的有关规定,加强过程控制,这对保证混凝土质量有着至关重要、不容忽视的作用。青藏铁路低、负温条件下混凝土施工应重点注意以下事项:(1)骨料中不得含有冰雪和冻块。骨料上夹杂的冰雪团块会消耗大量热能,降低混凝土的初始温度,甚至浇筑时留在混凝土中,影响混凝土质量。(2)水的加热温度不宜超过80℃,骨料的加热温度不宜超过40℃,水泥和外加剂不得加热,可提前运入暖棚中预热。当水的加热温度超过60℃,应改变投料顺序,即先投入骨料和热水,拌匀后再投入水泥和外加剂。(3)骨料的加热不宜用直火加热的方式,宜采用蒸汽加热的方式。因为用直火加热,使骨料内干热而且受热不均匀,这样一是造成骨料的吸水率增大,影响混凝土的和易性;二是易造成骨料局部灼热而遭破坏,影响混凝土强度;三是混凝土内部骨料周围水泥石失水产生毛细裂纹,影响混凝土的耐久性。(4)应加强施工过程中原材料、混凝土拌合物及成型混凝土的测温工作,并做好记录。原材料、混凝土拌合物测温每工班至少两次,成型混凝土在混凝土达到临界强度前应每隔2h测一次,以后每隔4h测一次温度,直至养护结束。(5)成型混凝土应带模养护,在模板外覆盖棉被和塑料薄膜,混凝土达到临界强度后再拆模。拆模后在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜,然后覆盖一层棉被,在棉被外再覆盖一层塑料薄膜。(6)保温材料受潮后保温性能大大降低,因此保温材料必须保持干燥,堆放时,不得和冰雪混杂在一起堆放。(7)在混凝土浇筑期间,试验室应随时注意观察气温变化情况,并根据测温记录,进行热工计算