承台大体积砼施工技术与工艺研究(深度好文)

文摘   2025-01-21 20:05   湖北  
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1 概述

1.1 研究背景及必要性

某特大桥的主桥为钢—砼组合粱双塔双索面半漂浮体系斜拉桥,主跨340m,桥宽36.6m;索塔为钢筋砼H型塔,索塔基础为2.5m大直径桩,实体承台,承台为哑铃型,其平面尺寸为(24×24+12×11.6+24×24)m,厚度6m,单座承台的砼方量7747.2m3,砼设计强度等级为C30。本文以该斜拉桥为依托工程,对大体积砼的施工技术和施工工艺立项进行专题研究,就本工程而言,不仅在确保工程质量和降低工程成本上具有十分重要的作用,对提升企业的技术水平、增强核心竞争力和社会信誉度亦有非常重要和积极的意义;同时,大体积砼基础已越来越多的应用于大型桥梁工程中,如能总结出一套较为成熟的技术与工艺,对今后的类似工程必将起到良好的指导作用。
1.2 国内外研究现状

大体积砼的温度控制技术最早应用于大型水坝工程的施工,国外的技术和经验已较为成熟。近年来,随着我国大型基础设施的建设,温控技术已广泛应用于各类工程的施工中,在桥梁工程中,则多用于基础中的承台和悬索桥锚砼等部位。通过数年来的广泛应用,国内工程界已经完全掌握了此项技术,并有所创新。

1.3 研究内容及研究目的

1.3.1 研究内容

1)温控设计

详细计算砼内部的最高温升及砼的内表温差,确定温控方案;确定分层浇筑砼的厚度以及可能浇筑的分块长度;

经过计算,确定降温水管的布置方式,以及测温点的布置和测温方法;确定外部保温养护的方法和措施;确定水泥和外加剂的品种,提出砼配合比设计的原则与指导意见;提供设计计算书和施工措施。

2)砼配合比设计就优化

按温控方案所提出的原则与指导意见,进行砼配合比的设计、试配及优化工作。

3)承台模板的设计与加工

按温控方案的特殊要求进行模板的设计和加工。

4)砼浇筑方案

按照大体积砼的浇筑强度要求,详细制定出浇筑方案(包括砼拌和、运输、泵送、入模方式、振捣、安全技术措施、施工组织等)并确保砼能连续浇筑施工,避免减少施工冷缝的产生。

5)砼养护方案

按温控方案的要求,详细制定养护方案(包括覆盖保温的方法和措施,覆盖材料的确定,测温方法和记录表格,内部通水降温的标准、方法和措施,人员组织等)并组织实施,确保砼结构不产生温度裂缝。

6)进行温控监测设计,并在实际施工中实施温控监测,取得温控实测资料后对温控效果进行分析并得出结论。

1.3.2 研究目的

本课题的研究目的在于:通过研究,掌握大体积砼施工的关键技术和关键工艺,特别是温控技术以及为防止砼产生温度应力裂缝的技术措施,确保工程质量,累积经验,并指导今后类似工程的。

2 大体积混凝土配合比设计及优化

2.1 设计原则

2.1.1 混凝土配合比的设计及优化应根据大体积混凝土的结构特点和温控要求进行。

2.1.2 为降低混凝土内部的温升和水化热,宜采用“双掺”技术。

2.1.3 应满足结构物设计强度的要求

索塔承台混凝土设计强度为30MPa,由于承台受潮位的影响,根据其所处环境的重要性,从保证结构安全的角度出发,并考虑到混凝土原材料、拌和、运输、浇筑和养护等的差异,应采用一个比设计强度高的配制强度(配制强度为38.2MPa)进行配合比设计,以满足设计强度的要求。

2.1.4  应满足工作性能的要求

承台大体积混凝土,采用泵送方式浇筑施工。混凝土的目标坍落度宜为150~200mm,试配时必须经多次试拌调整,并保证混凝土拌和物不离析、不泌水,确保新拌混凝土有良好的工作性能。

2.1.5 应满足环境耐久性的要求

因承台所处环境条件为潮湿有冻害,且受潮位的影响,配合比设计时应充分考虑允许的“最大水灰比”和“最小水泥用量”,以确保混凝土结构的耐久性。

2.1.6 应满足经济性的要求

在满足设计强度、工作性能和耐久性要求的前提下,还应满足温控要求,尽量降低水泥用量,并就地取材,选择价格适宜且符合工程质量的集料。

2.2  材料选择

遵循经济适用、就地取材且符合业主指定材料源范围的原则;组成大体积混凝土的各种材料应尽量有利于降低混凝土的发热量。

2.2.1 水泥

大体积混凝土采用水泥宜为低水化热水泥,如矿渣水泥、粉煤灰水泥等,也可以使用外掺粉煤灰的普通硅酸盐水泥。根据斜拉桥所处地理位置,周边地区没有生产低水化热矿渣水泥的厂家,所以采用江苏邳州大运河P.O32.5水泥、江苏磊达P.O32.5水泥和江苏巨龙集团生产的P.C32.5水泥进行试配,三种水泥的技术指标见表2-1。

表2-1 三种水泥技术指标

2.2.2 集料

粗集料:粗集料的岩石种类和集料品质(吸水率、比重)对混凝土干缩性产生影响,低吸水率(低孔隙率、高比重)粗集料混凝土的弹性模量较高,而干缩性较低。常见的石灰岩、花岗岩等为低缩型,而玄武岩等属高缩型。根据泵送混凝土的要求,本桥选择粗集料岩石种类为花岗岩以减小混凝土坍落度的损失。根据大量室内试验和其它工程实践资料,大体积混凝土优先选择连续级配的粗集料配制,并使用粒径较大的集料。大粒径集料混凝土比小粒径集料混凝土可减少部分用水量,在水灰比相同的条件下可节约10~20Kg的水泥用量,从而降低了混凝土的温升。最大粒径应根据施工条件和施工工艺以及结构物的配筋间距、模板形状确定。斜拉桥索塔承台混凝土粗集料选用5~31.5mm连续级配碎石。

细集料:大体积混凝土中的细集料以采用优质的中粗砂为宜,细度模数在2.6~3.0范围内。大量室内试验表明,采用细度模数为2.79,平均粒径为0.381mm的中粗砂时,比采用细度模数为2.12,平均粒径为0.336mm的细砂,每立方米混凝土可减少水泥用量25~35Kg,减少用水量20~25Kg,降低了混凝土的温升并减小混凝土的收缩。根据泵送混凝土的特性,砂率宜控制在38%~43%之间,且通过0.315mm筛孔的累计筛余量宜在85%~92%范围内。本桥大体积混凝土采用Ⅱ区中砂,细度模数为2.7,通过0.315mm筛孔的累计筛余量为86%。

集料的质量要求:集料是混凝土的骨架,直接关系到混凝土的质量。集料的各项技术指标应符合国家标准的有关规定。大量室内试验表明,集料中含泥量过大,对混凝土的强度、干缩、徐变及和易性等均产生不利的影响,尤其会增加混凝土的收缩,引起混凝土抗拉强度的降低,对混凝土的抗裂十分不利。故本桥大体积混凝土施工中,石子的含泥量控制在1%以内,砂的含泥量控制在3%以内。具体检测指标见表2-2。

2-2 集料各项常规技术指标

2.2.3 粉煤灰

大体积混凝土通过等量或超量取代的方法掺加粉煤灰,可减少水泥用量,并降低水化热。在混凝土掺入一定量的粉煤灰后,除了粉煤灰本身的火山灰活性作用产生硅酸盐凝胶作为胶凝材料的一部分起增强作用外,在混凝土用水量不变的条件下,由于粉煤灰颗粒呈球状并具有“滚珠效应”,可以起到显著改善混凝土和易性的效能。若保持混凝土拌和物原有的流动性不变,则可减少单位用水量,从而提高混凝土的密实性和强度。本桥采用I级粉煤灰,其技术指标见表2-3。

表2-3 粉煤灰各项技术指标 

2.2.4 外加剂

本桥大体积混凝土中掺加的外加剂是JM-9缓凝泵送高效增强剂。JM-9系以β-萘磺酸亚甲基高级缩合物和特种保坍剂为主体的复合外加剂,在泵送混凝土中掺入水泥质量的0.8~1.5%,能够明显地改善混凝土的和易性,而且可减少15%左右的水,混凝土28d强度可提高10%~20%;若不减少拌和用水,坍落度可提高100mm左右;若保持强度不变,可节省水泥10%,从而降低水化热。

2.2.5

大体积混凝土拌和用水采用河水。河水水质分析报告见表2-4。

表2-4 河水水质分析报告

2.3  配合比计算

2.3.1 设计依据

1)高速公路工程项目招标文件的有关规定

2)《普通混凝土配合比设计规程》JTJ55-2000

3)《粉煤灰在砼和砂浆中应用技术规程》JGJ28-86

4)《公路桥涵施工技术规范》JTJ041-2000

5)《混凝土泵送施工技术规程》JGJ/T10-95

2.3.2 设计要求

1)C30承台砼,采用地泵泵送法进行施工。

2)目标坍落度选用150~200mm。

3)试件抗压强度保证率95% 。

2.3.3 采用原材料
1)水泥:XXX水泥厂生产的P.O32.5水泥,XXXP.O32.5水泥,XXXP.C32.5水泥。
2)碎石:5~31.5mm连续级配花岗岩碎石。

3)砂:Ⅱ区中砂。

4)水:河水。
5)外加剂:JM-9缓凝泵送高效增强剂和JM-Ⅲ抗渗、防裂微膨胀剂。
6)粉煤灰:I级粉煤灰。

2.3.4 配合比计算

1)配合比试配强度(fcu,0)的确定

设计要求混凝土标准立方体抗压强度为fcu,K=30MPa,无历史统计资料,查表得混凝土强度标准差σ=5MPa,则混凝土配制强度为:

表2-5 计算理论配合比

其余W/C=0.41, W/C=0.45的配合比亦采用上述超量取代计算调整后配合比见表2-6。

表2-6 超量取代法调整后的配合比(XXXP.O32.5水泥)

其它两种水泥的配合比计算同江XXXP.O32.5水泥配合比计算,计算结果见表2-7、2-8、2-9。

表2-7 超量取代法调整后的配合比(XXXP.O32.5水泥)

表2-8 超量取代法调整后的配合比(XXX P.O32.5水泥)

表2-9 超量取代法调整后的配合比(XX P.C32.5水泥)

2 .4 混凝土配合比试验

首先确定了配合比的各种材料及各材料的级配,其次依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ55-2000)的有关规定进行大体积混凝土配合比设计,然后按《普通混凝土拌和物性能试验法标准》(GB/T50080-2002)和《普通混凝土力学性能试验法标准》(GB/T50081-2002)的有关规定进行混凝土的室内试拌和新拌混凝土性能的各项试验以及试件的力学性能试验,试验结果见表2-10、表2-11、表2-12。

表2-10 大体积混凝土配合比的试验结果一(XXX P.O32.5水泥)

注:外加剂为JM-9。

表2-11 大体积混凝土配合比的试验结果二(XXX P.O32.5水泥)

注:坍落度偏小者未留试件,外加剂为JM-9。

表2-12 大体积混凝土配比的试验结果三(XXX P.C32.5水泥)    

注:坍落度稍小者未留试件,外加剂为JM-Ⅷ。

2.5 配合比的比选、分析与确定

根据表2-10、表2-11、表2-12的试验结果,三种水泥同龄期相比P.O32.5XX水泥的水化热最大,P.O32.5XXX水泥的水化热次之,P.C32.5XXX水泥的水化热最小。

但P.C32.5XX水泥细度偏细,蓄水量大,实际施工中坍落度损失较大,很难保证新拌混凝土的工作性。

而P.O32.5XX水泥质量极不稳定,且新拌混凝土泌水严重。

P.O32.5XXX水泥质量稳定,新拌混凝土工作性能较好。

根据以上分析,优选P.O32.5XXX水泥作为施工使用。从表2-10试验结果看出,每种配合比的新拌混凝土坍落度较小,但可以满足泵送混凝土的要求;从室内试配结果分析,编号为A-1~A-3的配合比比其它编号的配合比工作性能要好,且强度也满足设计要求,故将编号为A-1~A-3的配合比作为室内的配合比,其中编号为A-2的配合比为基准配合比。

2.6 配合比的优化

从大体积混凝土温控角度出发,在保证结构物强度、工作性以及耐久性的前提下,尽量降低水泥用量,增加粉煤灰,可减少水化热。在选定的配合比中,每立方混凝土300㎏的水泥用量仍偏高,应还有优化的可能,故对编号为A-1~A-3的配合比进行优化。水泥采用江苏邳州大运河P.O32.5水泥,其它材料不变,进行配合比优化设计,试验结果见表2-13。

表2-13 大体积混凝土配合比优化设计的试验结果(XXX P.O32.5水泥)

备注:水泥为P.O32.5XXX水泥,外加剂为JM-9。

根据设计强度及泵送混凝土工作性的要求,经试配优选,确定采用P.O32.5XXX水泥时混凝土配合比编号为D-2:水泥:砂:碎石:水:粉煤灰:外加剂=286:670:1068:180:123:6.135(㎏/m3),坍落度为200mm,1h后坍落度为190mm,初凝时间12h30min,终凝时间14h50min。索塔承台分块浇筑,并在承台系梁中部留一个1.5m宽的后浇段,为保证分块之间有效粘结,后浇段采用微膨胀混凝土。微膨胀混凝土配合比以水泥:砂:碎石:水:粉煤灰:外加剂=286:670:1068:180:123:6.135(㎏/m3),W/(C+F)=0.44为基础,在其中加入适量微膨胀剂防止混凝土开裂,配合比计算如下:水泥:砂:碎石:水:粉煤灰:膨胀剂=286:670:1068:180:123:12,W/(C+F)=0.44,膨胀剂(JM-Ⅲ)采用外掺法,掺量为3%×(C+F)=3%×(286+123)=12㎏/m3,外加剂(JM-9)掺量为1.5%×(C+F)=1.5%×(286+123)=6.135㎏/m3;室内试验坍落度为210mm,在标准养护条件下,7d抗压强度为27.1MPa,28d抗压强度为36.8MPa,60d抗压强度为44.9MPa。

3 大体积砼温控设计

3.1  概述

索塔承台呈哑铃形,承台平面尺寸为(24×24+12×11.6+24×24)m,厚度6.0m,混凝土方量7747.2m3,属于大面积、多方量的大体积混凝土。大体积混凝土在水泥水化热的作用下,将产生较高的水化热温升,形成不均匀非稳定温度场,产生非均匀的温度变形。温度变形在下部结构和自身的约束之下将产生较大的温度应力,极易导致混凝土开裂。为保证工程质量、减轻或避免温度裂缝,必须进行温度控制和温控监测,而温度控制计算和温度控制方案则是温度控制的依据。

3.2  温控计算依据与参数

混凝土浇筑后的温度与水泥的水化热温升、混凝土的浇筑温度和浇筑进度、外界气温、表面保护等多种因素有关。温度计算结果的准确性除了选择恰当的计算方法以外,还有赖于与上述因素有关的基本条件和材质参数的正确选取。以下温度计算中用到的水泥水化热,混凝土配合比、强度、弹性模量均为实测数据,气温由响水县气象局提供,其余参数参考有关工程资料并根据经验选取。

3.2.1  混凝土性能 

1) 混凝土材料的配合组成

承台大体积混凝土的设计强度等级为C30,胶凝材料选用江苏省水泥厂生产的P.O 32.5水泥,连云港生产的Ⅰ级粉煤灰;石料为连云港的5~31.5mm连续级配花岗岩碎石;砂子为山东Ⅱ区中砂;外加剂为江苏生产的L—M9奈系缓凝减水剂,每方混凝土的材料用量如表3-1所示。

表3-1  承台混凝土每方材料用量表

2) 混凝土弹性模量

C30混凝土3天、7天和28天的弹性模量分别为2.97×104MPa、3.23×104MPa和3.51×104MPa。根据该试验结果,不同龄期的弹性模量E按(3-1)式计算:

3) 混凝土抗压强度

混凝土3天、7天和28天的抗压强度分别为:R3 = 20.1MPa, R7 = 24.5 MPa,R28 = 38.4 MPa。

4) 混凝土绝热温升

混凝土的绝热温升根据水化热计算, 大运河P.O 32.5水泥 3天和7天的水化热分别为207kJ/kg和255kJ/kg,根据混凝土的配合比和粉煤灰掺量可估算混凝土的绝热温升。取q0=40.8℃,混凝土不同龄期的绝热温升可用(3-2)式计算:

5) 混凝土导温系数

混凝土的导温系数a依据配合比计算取值:a=0.0989m2/d。

6)混凝土的泊松比系数取为0.167,线膨胀系数取为9.5×10-6(1/℃)。

3.2.2  温度初始条件与边界条件

在不同的日期浇筑混凝土时,应选取不同的气温和浇筑温度。根据响水县前10年(1994年~2003年)的气温资料,8~12月平均气温如表3-2所示。

表3-2 响水县月平均气温

南岸23#墩承台计划在2004年11月下旬浇筑,北岸22#墩承台计划在2004年12月中下旬浇筑,温度计算时,各承台的混凝土浇筑温度以及对应的气温如表3-3所示。

表3-3 混凝土浇筑温度及气温表

3.2.3 主要降温措施

温度计算时考虑在混凝土内设置冷却水管,下层埋设2层冷却水管,上层埋设3层冷却水管,冷却水管的水平间距为1m左右。

3.3 温度和应力计算

3.3.1 计算方法

计算温度时,由于承台的厚度与平面尺寸相比较小,可简化为一维问题计算,考虑到封底混凝土和下部结构的影响以及应力计算的方便,仍采用三维有限元法计算,将温度场和应力场纳入一个统一的网格和程序计算。计算方法参照文献[1]。

计算应力时,考虑到混凝土弹性模量随时间而变化,E是时间τ的函数,不能取某一常值来计算。将时间分为很多个时段,而取每个时段中点的弹性模量值为该时段的弹性模量,分别计算出各个时段的应力增量后再迭加,第n个时段末的应力按(3-3)式计算。

3.3.2 计算工况

计算温度和应力时均考虑下部2m封底混凝土的影响,封底混凝土的设计强度等级为C25。每个承台分2层浇筑混凝土,每层厚度为3m,两层之间的浇筑间歇期为8天。在系梁的中间设置1.5m宽的后浇段。

3.4 计算结果

3.4.1 温度特征值

表3-4列出了承台各层的温度特征值。结果说明,各层中的最高温升相差不大,为27.6℃左右;最高温度与混凝土的浇筑温度有关,10月中下旬为47.6℃左右,

表3-4 温度特征值

11月中旬为40.6℃左右;内外温差在22.4℃到23.0℃之间;上下层温差都较小,最大不超过4℃,这是因为控制了各层之间的浇筑间歇期为8天,充分利用了下层混凝土的余温。

3.4.2  应力特征值

表3-5 列出了各层表面和内部的最大拉应力。由表可知,表面最大拉应力为0.71 MPa,各层表面最大拉应力产生的龄期均为4天;内部最大拉应力为1.30 MPa,下层内部最大拉应力产生在上层混凝土浇筑之后9.2天,上层内部最大拉应力产生在第12天龄期。

表3-5 温度应力特征值

3.4.3 应力变化曲线

为进一步说明温度应力的变化趋势,并显示混凝土的抗裂安全度,将23#承台上、下最大温度应力点的应力变化曲线和混凝土的抗拉强度曲线示于图3-3。图中,σ1表为下层的表面应力,σ1内为下层的内部应力,σ2表为上层的表面应力,σ2内为上层的内部应力。Rl为混凝土的抗拉强度曲线。

由图3-3看出,内部点在1.6天以前为压应力,以后变为拉应力,当上层混凝土浇筑后下拉应力很快增长,内部点拉应力一般9~12天达到最大值,此后,下层拉应力迅速减小,很快变为压应力;上层拉应力则减小缓慢,65天后才变为压应力。需要说明的是,图中的内应力点位于表面以下0.5m,对于各层的中下部点,8天前都为压力,以后变为拉应力并逐渐增大,最后趋于一常值(此常值都小于最大拉应力)。

表面点初期都为拉应力,在4天达最大值,当上层混凝土浇筑后,下层的上表面点变为内部点,拉应力急剧下降,并变为压应力。上层的上表面点应力第4天达最大值后,拉应力逐渐减小,12天后变为压应力。

与混凝土的抗拉强度曲线比较,可知各层的表面拉应力4天前与混凝土的抗拉强度较为接近,内部点拉应力14天前与混凝土的抗拉强度较为接近。混凝土的抗拉强度与拉应力相比虽有较大的安全系数,但仍应充分重视早期的表面保温与养护,因早龄期是产生温度裂缝的危险期,如果在此期间恰逢寒潮,或混凝土的收缩应力较大,仍很有可能产生裂缝。

3.4.4 结论

各层的最大拉应力均小于混凝土相应龄期的抗拉强度,混凝土的抗拉强度与拉应力相比有较大的安全系数,一般情况下不会产生有害裂缝。但14天龄期前是产生表面裂缝的危险期,如果在此期间恰逢寒潮或混凝土的收缩应力较大时,仍有可能产生表面裂缝,应特别注意14天前的表面保温与养护。

温差结果表明,内表温差均小于24℃。上下层温差较小,最大不超过5℃,不必专门控制,只要控制了各层之间的浇筑间歇期即可。

3.5 温度控制标准

  根据上述温度与应力计算结果,提出以下温控标准:

3.5.1 混凝土的内表温差:应≤24℃;

3.5.2 混凝土的浇筑温度应小于T+4℃(T为浇筑期旬平均气温),混凝土最高温升不超过29℃。

4 温度控制措施

根据上面的应力计算结果与分析,再根据工地现场的实际情况,制订以下温控措施:

4.1 在满足混凝土设计强度的前提下,尽量优化配合比,减少水泥用量,确保水化热绝热温升不超过3.5中规定的温控标准。

4.2 尽可能应选用低热水泥,掺用30%以上的粉煤灰,采用缓解水化热效果好的外加剂,降低砼的水化热温升。

4.3 改善骨料级配  在现场条件许可和保证质量的前提下,可选择较大粒径的骨料。例如,可选用粒径为5~10cm的骨料。

4.4 调整施工时间  应尽量选择气温较低的日子施工,同时安排每一浇筑层的中下部混凝土在夜间浇筑,上层混凝土在白天浇筑。当日最低气温在0℃以下时,不宜浇筑混凝土。

4.5 降低入仓温度,使混凝土的浇筑温度小于浇筑期的旬平均气温+3℃。

1)水泥提前5天入罐,让其自然冷却,确保拌和前的水泥温度不高于50℃。

2)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。

4.6 采用冷却水管

1)冷却水管的水平间距和上下层间距以小于或等于1.0m为宜,水管布置方案参照图 4-4。水管间的间距误差不得超过±5cm。

2)单根水管长度以小于230m为宜。

3)水管内通水流量为16~20 L/min。为控制水流量,应在每根水管的进水口安装阀门。冷却水的进口水温以9°C~12°C为宜。

4)冷却通水从水管被混凝土覆盖后开始,覆盖一层通水冷却一层,至5~6天结束,具体结束时间视混凝土温升、温降情况而定。

5)冷却水管应采用导热性能好的薄金属管,管内径宜大于30mm,水管安装应保证质量,安装后应通水检查,防止管道漏水或阻塞。

6) 应确保通水期间的水源和流量,中途不得发生停水事故。

4.7 合理分层分块浇筑,承台至少分2层浇筑 每层的厚度不得超过3.0 m。在系梁的中间应设置后浇段。

4.8 分层浇筑时,应控制混凝土层间的浇筑间歇期,间歇期以小于8天为宜。

4.9 表面保温与养护,混凝土浇筑完毕待初凝后立即在上表面蓄水保温并养护,蓄水深度应不小于30cm,表面蓄水宜用从冷却水管流出的温水,这样可减小内表温差。在承台的四周,也应采用蓄水保温与养护,水面以上部分应加挂保温材料(如土工布)保温,并加强养护,使其始终保持湿润状态。拆模之后应继续采用蓄水和加挂保温材料的方法保温。

4.10 保证施工质量,提高砼的均匀性和抗裂性。

4.11 为检验施工质量和温控效果,及时掌握温控信息,以便及时调整和改进温控措施,应进行温度控制监测。大体积混凝土的温度应力和防裂问题是一个十分复杂的问题,外界温度和湿度、施工条件、温控程序、原材料变化等都会引起温度应力的变化,只有通过温控监测,才能更准确地了解结构的质量与抗裂安全状况。

5 温控监测设计与温控监测

为检查块体温度是否满足温控标准,温度控制措施是否有效,并便于及时掌握温控信息,调整和改进温控措施,就必须进行温控监测。温控监测是检验温控效果、改善温控措施的依据,温控监测结果则是评价混凝土温控质量的依据。

5.1 温控监测内容

温控监测主要是温度测量,即在混凝土中埋入一定数量的测温仪器,测量混凝土不同部位温度变化过程,检验不同时期的温度特性和温差标准。当温控措施效果不佳,达不到温控标准时,可及时采取补救措施;当混凝土温度远低于温控标准时,则可减少温控措施,避免浪费。

5.2 温控监测设计

5.2.1  仪器的选择  

仪器选择依据实用、可靠和经济的原则,在满足监测要求的前提下,选择操作方便、价格适宜的仪器。根据大量水电工程和近几年国内大型桥梁监测经验与使用效果,选择铜电阻温度计作为温度传感器,经多个工程的应用证明,此种仪器效果很好。

5.2.2 仪器的布点设计

仪器的布点按照突出重点、兼顾全局的原则,在满足监测要求的前提下,以尽量少的仪器获得所需的监测资料。根据结构的对称性和温度变化的一般规律,仪器主要布置在相互垂直的两个中心断面上,每个中心断面又以其中半个断面为重点。为配合施工,22#承台的温度计布置在右幅,23#承台的温度计布置在左幅,每幅埋设60支温度计。仪器的布点如图5-1所示,每幅承台中,仪器的位置和数量完全相同。

5.3  仪器的埋设与观测

仪器的埋设参照《混凝土大坝安全监测技术规范》DL/T 5178-2003执行,并根据承台的特点加以改进,埋设由具有埋设技术和经验的专业人员指导操作。混凝土入仓后即由专人观测,观测人员应经过专门培训。观测频次先密后疏,以确保温度的连续性并测得最大值和最小值为原则。混凝土入仓之前,至少观测一次,检查仪器埋入后有无损坏,并观测仓内温度。正式观测从仪器被埋入开始,5天前4h一次,5~10天6h一次,11~15天8h一次,16~30天24h一次,30天以后每2天一次。总的观测时间约60天。

6 承台模板的设计、加工和安装

6.1 承台模板的设计

承台模板采用两种形式,即22#索塔承台采用组合钢模板,23#索塔承台采用5角钢框架与竹胶板组成的大模板。组合钢模板比较简单,在此不赘述,下面主要阐述大块模板的设计。

6.1.1 模板总体设想

索塔承台属于大体积砼,拟采用分层分块的方式进行施工,即水平向分两层,厚度为3m,每层分两次浇筑,并在承台系梁中间设置宽1.5m的后浇段。故承台模板加工1套,即模板按1/4个承台进行配置。采用244×122cm高强度竹胶板作为面板,5角钢焊接成框架组成大块模板,模板高304cm,按宽度的不同模板分三种类型,即A型模板宽244 cm,计35块;B型模板宽204 cm,计3块;C型模板宽112 cm,计2块,合计40块。索塔承台模板布置图详见图6.1.1

6.1.2 模板支撑

模板支撑采用[10槽钢作为纵横背楞,可调碗口支架顶托配合钢管作为支撑,一端支撑在模板型钢背楞上,另一端支撑在钢围堰钢管桩内侧。模板支撑布置图详见图6.1.2

6.2 承台模板的加工及安装

6.2.1  钢框架的加工及防护

按照模板构件图进行角钢下料,将其组焊成钢框架,并涂刷防锈漆。见左图。

6.2.2 面板加工及成型

模板面板统一采用新购置的高强度竹胶板,平面尺寸为244×122cm,厚度为10mm,按照施工图纸进行面板下料,面板与钢框架采用小螺栓连接。

质量要求:拼缝严密,缝宽不大于2 mm,错台高度不大于1 mm

6.2.3 模板安装

1) 在预先浇筑好砼垫层的承台基坑内,测量放样出承台边线,按照承台底面标高-4.0m,在承台边线四周用砂浆找平垫层表面,砂浆条顶面宽10cm。由于基坑空间有限,布设钢筋之前应将模板、支撑等材料预先吊放在基坑内,并按模板平面布置图摆放在基坑四周。

2)模板安装前需清理模板表面,涂刷新机油,拼缝处打磨平整,并贴双面胶条使拼缝密贴。

3)承台模板从角隅起逐个就位拼装,两模板间用螺栓连接拧牢。可调顶托加套钢管用于外侧支撑,内侧采用焊在承台钢筋上的钢筋头限位,之后按照承台边线调整模板的平面位置及垂直度。模板安装见右图。

4)为了稳妥起见,浇筑前安排测量人员复测模板顶面标高,并委派专人检查支撑牢固情况。

检查标准:断面尺寸误差不大于50mm,标高误差不大于50mm

7 大体积砼浇筑施工工艺

7.1 大体积砼浇筑施工总体部署

砼采用大功率拌和楼进行拌和,两台砼卧泵直接由拌和楼泵送入模,两侧对称分层同步浇筑。砼施工遵循“分段定点,一个坡度,薄层浇筑,循序推进,一次到顶”的方法。

7.1.1 砼拌和

配备2HBZ50HBZ75型拌和楼进行砼拌和,这样既可以加快砼搅拌速度,又可以作为备用设备应急。砼搅拌时间为90s,坍落度控制在15~20cm。拌和楼见左图。

7.1.2 砼输送

由于拌和楼距离施工现场不远,约300m,经过大直径桩基施工验证表明,采用卧泵直接输送砼的方式安全高效,快速经济,故索塔承台砼采用2台卧泵直接设置在拌和楼出料口,通过长距离泵管输送砼入模的方式,施工选用60C80C型卧泵。砼泵送示意图见图7.1.2

7.1.3 泵管布设

泵管从拌和楼一直接入至围堰附近,在承台范围内,采用5cm厚木板在支撑钢管上搭设一个用于施工人员和布设泵管的施工平台,泵管从承台两侧对称接入,出口接上90º弯管和两根3m长软管,使之能左右摆动布料,软管前端接1m长帆布套管,防止水泥浆飞溅及砼离析。见右图。

7.1.4 砼浇筑顺序及方式

砼拟从承台两角隅起对称布料,分层浇筑,分层厚度保持在30~50cm。底部钢筋较密,砼分层厚度取低值,坍落度宜增加1~2cm;中上部钢筋较稀,砼分层厚度取高值。根据砼初凝时间,每层砼间隔时间控制在8小时之内。

浇筑前应清理并润湿垫层表面。砼浇筑现场如图7.1.4

7.1.5入模温度控制

索塔承台安排在冬期进行施工,外界及材料温度均非常低,砼完全按冬期施工措施进行保温养生。通过给施工用水加热、材料保温、现场搭设保温棚以及加设碘钨灯等一系列措施进行保温,确保砼入模温度大于5℃,施工时砼入模温度控制在78℃。温度测试见右图。

7.1.6 砼振捣

砼采用插入式振捣棒进行振捣,共配备10个振捣棒,其中8根主棒,2根备用棒。另外,增加2根小号振捣棒用于钢筋较密的底层砼振捣。

振捣器布置原则:在每个浇筑带的前后布置两道振捣棒,第一道布置在砼出料口,主要解决上部砼的振实;由于底层钢筋间距较密,第二道布置在砼坡角处,以确保下部砼密实。随着浇筑的推进,振捣器也相应跟上,以确保整个高度上砼的振捣质量。

砼振捣:振捣棒移动间距不大于振捣棒作用半径1.5倍,振捣时,振捣棒尽量避免碰撞模板及钢筋,并与模板周边保持尽少510 cm的距离,振捣上层时应插入下层砼510cm。承台现场砼振捣见下图。

振捣密实标准:砼停止下沉、不冒出气泡、表面平坦泛浆为止,杜绝漏振或过振离析。

7.1.7  砼收浆抹面及凿毛

大体积砼摊开面积大,浇筑时间长,砼泌水率较大,施工期间应及时将泌水排出模板以外。初凝之前应进行23次收抹面浆,用于闭合砼的收缩及干缩裂缝。

下级砼初凝前,人工凿掉表面较厚的水泥浮浆层,并用水冲洗干净;上级砼初凝前,先用木抹子收浆抹面23次,之后用铁抹面收浆压平,平整度控制在5mm之内。砼表面凿毛见图7.1.6

8 大体积砼的养生

冬季施工的大体积砼养生应采用砼顶层蓄水,四周保温,加土工布和彩条布覆盖以及搭设防风保护棚架的综合保温养生的方式。

8.1 砼表面覆盖蓄水养生

砼初凝后,在表面覆盖成条的土工布饱水养护。如图8.0.1-1

中后期在砼表面蓄水保温。即在承台四周用砖砌高约40cm的砖墙,蓄水深度不小于30cm,为了减小内表温差,砼表面蓄水采用从冷却水管流出的温水。

表面蓄水保温时间的确定:下级砼至少保温3天,上级砼至少保温5天,之后改用土工布加彩条布或塑料薄膜等保温材料,至少保温78天。砼表面蓄水养生见图8.1-2

8.2  砼表面的保温

大体积砼保温主要是为了减少砼的内表温差,避免出现温度应力裂缝。故应根据砼内部温升情况对砼外表面采用不同的保温措施。由于钢管(板)桩与承台已形成一个相对较密封的容器,施工时在承台与围堰之间的间隙上方覆盖彩条布,形成临时保温棚保温。为了进一步协调砼内外部温度,增设数量足够的碘钨灯。砼外部保温见图8.3-1

为了确保砼表面温度,砼拆模时间可以适当顺延,拆除模板后,及时用土袋子回填间隙进行自然保温。

8.3  搭设防风保温棚架

为防止低温雨雪天气的影响,承台顶面宜搭设防风保温棚架,形成一个整体保温系统,棚架高2m,长宽尺寸同承台围堰。见图7.1.68.1-2

9 温度监测结果

实际施工时的各层浇筑砼时间及气温情况见表9-1。

表9-1  温控监测块体的浇筑时间及气温

9.1  温度变化规律

图9-1~图9-4分别给出了23#承台上、下层混凝土中部分典型测点的温度变化曲线,这些点的温度变化过程基本上代表了混凝土各个部位的温度变化规律。

9.1.1 一般变化规律

混凝土入仓之后, 8~15小时开始升温,升温速度较快, 一般2.5~5.0天达到最高温度,距表面愈近的点,升温时间愈短。温度峰值稳定6~24小时后开始下降,其中,亦是距表面愈近的点,峰值稳定时间愈短。降温速度受外界因素的影响较大,外界因素主要为水管冷却和表层温度:水管冷却期间降温速度快;外界温度愈低,降温速度愈快。

9.1.2 内部点的温度变化

图9-1中的T2、T3、T4和图9-3中的T32、T33、T34分别为承台下层与上层的内部测点,这些内部测点都有相似的变化规律:混凝土浇筑后温度很快上升,达到最高温度后又以较快的速度下降。当冷却水管停水以后,混凝土温度有所回升,其中,下层回升0.5~1.0℃, 上层回升2.0~3.0℃。当上层混凝土浇筑后,受上层混凝土水化热的影响,温度又有不同程度地升温和降温的过程,越靠近上层的点, 温度回升越高,最大的回升可达14℃。一个半月后,温度开始均匀而缓慢地下降,并逐渐趋于稳定。

9.1.3 底面点的温度变化

图9-1中的T1和图9-2中的T31分别为承台下层与上层底面上的点,它们受地基或下层混凝土温度的影响大,受水管冷却和上层混凝土的影响较小,温度变化曲线光滑,无突变现象。温度达到高峰后稳定时间最长,降温速度也很平缓。

9.1.4 边界点的温度变化

图9-3和图9-4分别为承台下层与上层边界上不同点的温度变化曲线,这些测点早龄期具有相似的变化规律:混凝土浇筑后温度很快上升,但温升不高,达到最高温度后又迅速下降,一般18天龄期后接近外界气温,并随外界温度变化。由于各点所处的位置不同,它们后期的变化相差较大。

图9-3中的T5、T10和图9-4中的T35为浇筑层的上表面点,当上层混凝土浇筑之后它们变为内部点,温度大幅度回升,回升值可达30℃以上,此后和其它内部点一样,均匀而缓慢地降温;图9-3中的T28和图9-4中的T58为浇筑层的边角点,它们受气温的影响大,温升最小,升降温速度特快, 8天之后即随外界温度变化,它们与气温最接近,但T28在上层混凝土浇筑之后也有温度回升;图9-4中的T24、T27和图9-5中的T57为承台的側表面点,它们旁边有钢管桩保温,在边界点中温升最高,降温速度较慢,后期随气温变化的幅度也较小。

9.1.5 沿承台厚度的温度分布

图9-5为23#承台不同龄期的温度沿承台厚度的分布, 即沿承台中心线上的温度分布,图中龄期是指上层混凝土的龄期,高度由下层底面算起。由图可知,3天龄期时上层混凝土温度呈抛物线分部,最高温度在中层面上,此时內部的温度以分层面以下75cm处最低;7天龄期时上层温度由上到下逐渐增高,以分层面的温度最高;14天龄期后温度曲线变得光滑,最高温度下降到225cm高度处。

9.1.6 沿承台水平向的温度分布

图9-6为承台沿水平方向的温度分布,即是沿承台上层1/2高度截面中心线(顺水流)上的温度分布,由于温度分布对称,图中仅示出二分之一,0点为截面中点。由图看出,仅管龄期不同,沿水平向各测点的温度都基本相同,但距截面中心300cm的点和边界点除外。距截面中心300cm点的温度较其它点偏低可能是距冷却水管近,散温更多所致,边界点温度偏低则是由于外部气温的影响。14天龄期后,距边界100cm的点也受到气温的影响。由此得出,承台温度分部与板的热传导理论相符,只有距边界小于100cm的点受气温的影响较大。

9.2  温度特征值

23#承台上、下层和22#承台下层的温度特征值如表9-2所示(22#承台上层因缺测温资料未能列出)。表中的浇筑温度为浇筑期内不同时间测值的平均值,最高温升是最高平均温度与浇筑温度之差,内表温差为浇筑块内平均最高温度与表面温度之差,上下层温差系指上层混凝土最高平均温度与新混凝土开始浇筑时下层实际平均温度之差。 表中结果表明,各项结果均满足温控标准,特别是23#承台上层,因为浇筑混凝土时气温较低,各项特征值都显著降低,大大低于温控标准。所以,选择气温较低的日子施工是非常有效的温控措施。22#承台下层的各项特征值也很低,是因为浇筑时停电,浇筑厚度仅1.8m左右就被迫停工了。由此说明,薄层浇筑也是一种有效的温控措施。

表9-2 温度特征值

10 温控效果分析

10.1 温控效果

南岸23#承台按监测要求监测,取得好的效果;北岸22#承台未将监测工作进行到底,以致监测资料不完整。根据23#承台的结果,至观测结束时为止,仪器全部完好,仪器完好率为100%。从观测结果看,所有测值均有很好的规律性,正确地反应了混凝土的实际温度。为指导温度控制,保证承台质量提供了科学数据。

表3中的温度特征值说明,承台的内表温差、上下层温差和最高温升均满足温控设计提出的温控标准。承台内表温差最大为21.5℃,较温控标准低2.5℃;最高温升为28.3℃,较温控标准低0.7℃;

从防裂效果看,虽经冬季寒潮的考验,承台未发现裂缝。

从满足温控标准和防裂效果说明,施工中采用的温控措施是合理的、适用的、有效的,取得了很好的温控效果。

10.2 冷却水管的降温效果

通过冷却水管进出口水温的测量可知, 进口水温一般为9~12℃, 出口水温一般为20~36℃,出口水温一般较进口水温高12~19℃,最高可达25℃。说明冷却水带走了混凝土不少热量,具有明显的降温效果。另外,从23#承台上、下层冷却水温的测量记录可知,23#承台上层冷却水管经改进后,克服了下层流量不稳的状况,流量控制更好,它的各项特征值都比下层显著降低,水管冷却的效果好也是原因之一。所以,正确地使用水管冷却,是承台温度控制中关键而有效的措施,可以达到预期的降温效果。

10.3 表面保温的温控效果

承台浇筑后,都及时在表面用土工布保温,在承台四周与钢管桩之间亦用土工布覆盖保温。这对于减小温度梯度和内表温差有好的效果,各浇筑块的内表温差都不大,特别是23#承台上层和22#承台下层,内表温差之小是其它工程少见的。

10.4 结论

1)从2004年12月到2005年3月,历经多次寒潮的袭击,承台未出现裂缝,根据温度应力的变化规律,以后再产生温度裂缝的可能性已很小。说明本工程的温度控制是成功的,收到了显著的防裂效果,保证了混凝土的质量。

2)温控监测结果表明,温度特征值全部满足温控标准,说明施工中采用的温控措施是有效的、合理的、成功的。

3)冷却水管是非常有效的降温措施,对于降低承台混凝土的最高温升具有显著效果。

4)表面保温与养护对于减小内表温差、防止表面裂缝有重要作用。

5)避免了温度裂缝是对承台温度控制的综合效果,除冷却水管和表面保温与养护外,本工程中采用的其它温控措施亦起到了应有的防裂效果。

6) 温控监测成功率高,数据规律性好,真实地反映了混凝土内各部位的温度变化,正确地揭示了承台的温度变化规律。

7)温控监测为施工及时提供了温度信息,对及时改进温控措施、确保温控标准、防止裂缝等发挥了重要作用,达到了温控监测目的。

11 结束语

11.1 主要结论

1)斜拉桥索塔承台的温度控制是成功的,未出现温度应力裂缝,确保了工程质量,达到了一次合格率100%、优良品率100%的预期质量目标。

2)温控设计计算准确,所采取的温控措施得当。施工过程中实测的温控监测数据准确且有很好的规律性,真实地反映了砼内各部位的温度变化,正确地揭示了承台砼的温度变化规律,并与设计计算值有较好的相符性。

3)温控监测表明,承台大体积砼的内表温差、上下层温差和最高温升等温度特征值均满足温控设计提出的温控标准,其比较数据见表11—1,说明施工值采用的温控措施是有效的、合理的、成功的。

111 温度特征值比较

4)冷却水管是非常有效的降温措施,对于降低承台砼的最高温升具有显著效果。冷却水管的布置、进水口水温和通水流量是采用冷却水管降温时应特别注意的几个问题。

5)表面保温与养护对于减小内表温差、防止表面裂缝有重要作用。表面保温与养护主要采取了覆盖土工布、搭设彩条布暖棚和利用水温蓄水保温等措施,暖棚的使用不仅有保温效果,还可起到防风和改善作业环境的作用;蓄水保温既可保证保温效果,又能节省成本,简便一行,不失为一种好的保温措施。

6)在气温较低的季节进行承台大体积砼施工,可降低砼的入模温度,更有利于温度控制,但前提是必须做好砼表面保温工作,采取有效的外部保温措施,并确保其保温效果。

7)承台大体积砼采用“双掺”技术,取得了良好效果。用超量取代法将粉煤灰替换部分水泥,不仅减小了水泥用量,同时也降低了砼内部产生的水化热和温升。

8)砼配合比经多次试配并优化,达到了预期效果,既满足了温控标准的要求和施工工艺的需要,也实现了降低工程成果和确保工程质量的目的。

9)大体积砼分层浇筑施工时,应尽量缩短层与层之间的间歇期,以充分利用下层砼的余温,减小层间的温差,满足温控标准的要求。

10)做好承台大体积砼施工的组织和管理工作,是实现温控标准和确保工程质量的重要前提。应采取有效的手段和合理的措施,制定切实可行的施工技术方案和施工工艺,并使之得到贯彻落实,施工过程中还应针对各个环节和工序出现的问题,及时加以改进和调整,方能按预定计划高质量地完成施工任务。

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