海河特大橋承臺(tái)大體積混凝土施工
2017-12-04
現(xiàn)代建筑中時(shí)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(diǎn)就是結(jié)構(gòu)厚實(shí)，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(jì)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(duì)平面尺寸也有一定限制。因?yàn)槠矫娉叽邕^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(dāng)，溫度應(yīng)力超過混凝土所能承受的拉力極限值時(shí)，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(huì)降低結(jié)構(gòu)的耐久性，削弱構(gòu)件的承載力，同時(shí)會(huì)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(gè)應(yīng)當(dāng)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。
?。?）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(duì)結(jié)構(gòu)耐久性產(chǎn)生一定的危害。
（3）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(yán)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(dāng)混凝土內(nèi)部與表面的溫差過大時(shí)，就會(huì)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(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土內(nèi)外的約束力時(shí)，就會(huì)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。
（2）內(nèi)外約束條件的影響，混凝土在早期溫度的上升時(shí)，產(chǎn)生的膨脹受到約束而形成壓應(yīng)力。當(dāng)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(qiáng)度，混凝土將會(huì)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。混凝土內(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(dāng)氣溫下降，特別是氣溫驟降，會(huì)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。
（4）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(huì)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(jì)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(shí)產(chǎn)生干裂。
（5）混凝土的沉陷裂縫，支架、支撐變形下沉?xí)l(fā)結(jié)構(gòu)裂縫，過早拆除模板支架易使未達(dá)到強(qiáng)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(kuò)建工程第一標(biāo)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(tái)+群樁基礎(chǔ)。采用樁徑φ180 cm的鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)88 m，承臺(tái)厚度5米，承臺(tái)下布置5排24根樁。
2.1 主墩承臺(tái)結(jié)構(gòu)（見圖1、圖2）
主墩承臺(tái)為大體積混凝土，混凝土標(biāo)號(hào)為C35，抗凍等級(jí)為F250，凍融環(huán)境作用等級(jí)為E級(jí)，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(jì)和澆筑能力，承臺(tái)采用一次澆筑。
主墩承臺(tái)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?jī)蓪愉摻?。具體參數(shù)如表1。
2.2 工程難點(diǎn)
?。?）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(tái)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(zhǔn)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(qiáng)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(qiáng)度。
?。?）嚴(yán)格控制集料級(jí)配及其含泥量。粗集料級(jí)配范圍為5～25 mm，砂子細(xì)度模數(shù)2.9。
?。?）經(jīng)過反復(fù)對(duì)比試驗(yàn)選用蘇博特高性能減水劑改善混凝土性能，延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間。
?。?）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。
?。?）混凝土生產(chǎn)供應(yīng)準(zhǔn)備。
承臺(tái)在混凝土施工時(shí)配有2座拌合能力為120 m3/h的拌合站，3臺(tái)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(tái)面積498.5 m2，分層厚度30 cm，每層方量150 m3，每層澆筑時(shí)間54 min，能夠滿足初凝時(shí)間要求。罐車容量10 m3，每車往返時(shí)間60 min，配置罐車15輛。 3.2 大體積混凝土施工的相關(guān)計(jì)算
（1）絕熱升溫計(jì)算。
Tmax=mc Q/Cρ（公式詳見《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》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°
?。?）承臺(tái)混凝土內(nèi)部中心溫度計(jì)算。
Tmax（t）=Tj+Tmaxξ（t）（公式詳見《建筑施工計(jì)算手冊(cè)》614頁）
式中：
Tmax（t）為t齡期混凝土中心計(jì)算溫度，是混凝土溫度最高值；
Tj為混凝土澆筑溫度，經(jīng)計(jì)算取26 ℃；
ξ（t）為t齡期降溫系數(shù)，取值如表2。
計(jì)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(tái)澆筑3臺(tái)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(shí)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(shí)周邊最先布料，避免形成斜面造成砂漿聚集影響承臺(tái)保護(hù)層質(zhì)量。
采用分段分層法澆筑，澆筑方向?yàn)椋簭某信_(tái)短邊開始沿長(zhǎng)邊方向進(jìn)行，澆筑時(shí)，3臺(tái)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(jìn)澆筑其他各層。推進(jìn)方式如圖3。
布料點(diǎn)平面圖如圖4。
混凝土分區(qū)布料、振搗，責(zé)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(dòng)、變形、移位及時(shí)復(fù)位并固定好。
底層4層鋼筋范圍內(nèi)的混凝土澆筑時(shí)，在適當(dāng)位置設(shè)置人孔，人員進(jìn)入承臺(tái)內(nèi)部進(jìn)行振搗，采用插入式振動(dòng)器振實(shí)。移動(dòng)間距不超過振動(dòng)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(dòng)完畢后邊振動(dòng)邊徐徐提出振動(dòng)棒；避免振動(dòng)棒碰撞模板、鋼筋及其他預(yù)埋件。
每一振動(dòng)部位，振到密實(shí)為止，密實(shí)的標(biāo)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(shí)采取引流法及時(shí)排除泌水，引流法是在澆筑過程中將混凝土泌水適當(dāng)集中，采用排水工具人工排除泌水。
（2）混凝土表面浮漿較厚時(shí)，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(tái)頂面與主墩、臨時(shí)墩相結(jié)合的部位，鑿毛處理。
3.5 混凝土養(yǎng)護(hù)
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(shí)在土工布上灑水，保證混凝土面處于濕潤(rùn)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(jìn)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。
（1）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(gè)進(jìn)水口，2個(gè)出水口，進(jìn)水夠集中布置在承臺(tái)一側(cè)，適當(dāng)錯(cuò)開，以便于統(tǒng)一管理。冷卻水管距承臺(tái)混凝土頂和底邊緣50 cm，距承臺(tái)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(jìn)行通水檢查。
?。?）將其按設(shè)計(jì)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(shí)間視混凝土溫升、溫降情況而定。
?。?）冷卻水采用海河水，水泵抽水至蓄水池，蓄水池放置于平臺(tái)頂面，靠位能將水送至冷卻水管中，每個(gè)進(jìn)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(duì)水管進(jìn)行壓漿處理。進(jìn)出水口布置示意圖如圖8。
3.6 溫控監(jiān)測(cè)
?。?）溫度檢測(cè)的目的，根據(jù)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)量和深度選用長(zhǎng)度規(guī)格合適的測(cè)溫線，預(yù)埋時(shí)可用鋼筋等桿件作支承物，將測(cè)溫線按照縱向測(cè)溫點(diǎn)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?xí)r，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(dǎo)線長(zhǎng)度大于20 cm。測(cè)溫時(shí)，按下主機(jī)電源開關(guān)，將測(cè)溫線插頭插入主機(jī)插座中，主機(jī)顯示屏上即顯示相應(yīng)測(cè)溫點(diǎn)的溫度。通過測(cè)溫點(diǎn)溫度測(cè)量，掌握內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)溫度變化，以便及時(shí)調(diào)整冷卻水管冷卻水的流量，控制溫差。
?。?）溫控監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，測(cè)溫儀器采用JDC-2型便攜式建筑電子測(cè)溫儀。儀器技術(shù)指標(biāo)如下。
①測(cè)溫范圍：-30℃～+130 ℃。
②測(cè)溫誤差：≤0.5 ℃（與測(cè)溫探頭配合）；≤1.0 °C（與測(cè)溫線配合）。
③分辨率：0.1 ℃。
布點(diǎn)按照突出重點(diǎn)、兼顧全局的原則。根據(jù)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和溫度變化的一般規(guī)律，測(cè)溫孔主要布置在相互垂直的兩個(gè)中心斷面上，每個(gè)中心斷面又以其中半個(gè)斷面為重點(diǎn)。由于圓端形承臺(tái)兩端完全對(duì)稱，只在其中的1/4預(yù)埋測(cè)溫線。
測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)具有代表性：沿豎向布置四層。頂層布置在承臺(tái)頂面以下0.25 m處，底層布置在承臺(tái)底面以上0.25 m處，中間層間距1.5 m，每層布置9個(gè)測(cè)點(diǎn)，另在大氣中及混凝土表面各布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)平面布置圖如圖9。
?。?）溫度監(jiān)測(cè)的內(nèi)容：環(huán)境溫度每天測(cè)四次，混凝土入模溫度的測(cè)量每臺(tái)班不少于2次，養(yǎng)護(hù)期對(duì)混凝土的測(cè)溫，前3d每2h測(cè)一次，4～7d每4h測(cè)一次，后一周每6h測(cè)一次，每次測(cè)溫均應(yīng)做好記錄。
測(cè)溫目的是控制以下指標(biāo)：
①混凝土入模板溫度不大于28 ℃。
?、诨炷晾锉頊夭畈淮笥?5 ℃。
?、刍炷帘砻媾c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(chǔ)罐需定時(shí)噴水降溫。
（3）拌合用水在混凝土開盤前的半小時(shí)，從機(jī)井中抽取地下水，存儲(chǔ)于蓄水池內(nèi)，并在蓄水池內(nèi)加冰，降低拌合水溫度。
（4）拌合站及現(xiàn)場(chǎng)對(duì)混凝土罐車車身噴水冷卻。
4 結(jié)語
海河特大橋承臺(tái)自18：00起澆筑，至次日13：20結(jié)束，歷時(shí)19時(shí)20分，澆筑方量2300 m3，澆筑過程中通冷水降溫，溫度監(jiān)測(cè)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(shí)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(biāo)。且施工前期準(zhǔn)備充分，施工中各施工步驟嚴(yán)謹(jǐn)，養(yǎng)護(hù)到位，拆模后混凝土未發(fā)生裂縫現(xiàn)象，外觀、強(qiáng)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(xiàng)系統(tǒng)工程，必須從材料、施工和維護(hù)三個(gè)方面加綜合解決。材料配置，施工組織方面，要科學(xué)組織，合理安排，確保大體積砼的質(zhì)量，嚴(yán)格按照施工規(guī)范，施工操作規(guī)程操作，不斷改進(jìn)操作工藝，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，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(xiàn)
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