徐州和平路立交桥大体积混凝土泵送与施工

薛宜柏

（江苏铸本混凝土工程有限公司，江苏 徐州221000）

徐州和平路立交桥大体积混凝土泵送与施工

薛宜柏

（江苏铸本混凝土工程有限公司，江苏 徐州221000）

徐州和平路立交桥主塔承台大体积混凝土工程共计用混凝土5030m3，施工一次灌注完成，由于管理得当、过程控制科学、严格，工程取得了较好的效果。本文结合该工程，主要从原材料的选用、配合比设计﹑泵送施工工艺﹑施工措施等几个方面来探讨大体积混凝土的温度裂缝成因与关键控制技术。

大体积混凝土；泵送；温度裂缝；控制

1 工程概况

“和平路立交桥”工程是徐州市云龙区政府工程，设计单位为济南铁路勘探设计研究院，施工单位为中铁十局，监理方为中国大桥局监理公司，预拌混凝土由江苏铸本混凝土工程有限公司生产供应。该桥是徐州市首座大型立交桥，为独塔斜拉式结构，横跨火车站站台与车辆场。大桥主跨为176+192m，斜拉锁采用单股Φ15.2mm的钢绞线组成，共计116根，钢绞线直径为280～350mm，桥面梁为预应力混凝土箱梁；索塔为H型塔，塔高101m（见图1）；东、西引桥分别为650m和260m；主塔基础采用两个分离式承台，两承台之间采用两道连系梁连接，单个承台尺寸为19.1m×19.1m×6m，整个承台尺寸为19.1m×51.8m×6m（见图2），每道连系梁尺寸为13.6m×4m×6m。承台及连系梁为普通C30混凝土，一次性浇筑，体积为5030.7m3。施工时间为2006年4月29日23:00时至5月1日凌晨，共计用时51小时。

图1 (和平路)独塔斜拉式大型立交桥示意图

图2 主塔承台基础平面示意图

2 工程特点

该工程与一般的混凝土工程相比较，具有混凝土体积大、数量多、且一次性集中泵送﹑施工场地和工程条件复杂（场地狭窄，泵送管下穿京—沪上、下行电气化铁路大动脉）﹑施工技术和质量要求高﹑混凝土绝热温度高等特点。因此，做好该工程大体积混凝土的生产与施工，除必须具有一般混凝土的要求及保证足够的强度和供应外，还应克服以上困难，满足结构物的整体性和耐久性等方面的特殊要求，特别是大体积混凝土经常出现的抗温度裂缝问题，如果在混凝土的生产和施工过程，不能得到有效的控制，混凝土内外温差＞25℃，将造成承台产生较大的裂缝。

基于以上诸多因素，工程开工前各方做了大量准备工作。设计、施工、监理及混凝土供应单位多次召开会议，研究制定详细的施工方案，特别是对混凝土温度裂缝的控制问题。

温度裂缝的控制，涉及工程设计、原材料选用﹑混凝土配合比设计﹑生产过程质量控制﹑施工气候条件﹑施工养护等许多因素。因此控制大体积混凝土的温度裂缝问题，是一个牵扯多家单位和部门的系统工程，必须对相关影响因素进行分析研究，采取综合控制措施，才能达到理想的结果。

3 大体积混凝土温度裂缝产生原因及控制

3.1 大体积混凝土裂缝产生原因分析

要想有效的控制大体积混凝土结构的温度裂缝，首先要了解大体积混凝土温度裂缝的产生原因。大体积混凝土产生温度裂缝，主要是由于水泥在水化硬化过程中，释放出大量的水化热而导致。混凝土在硬结过程中由于水泥的水化作用，在初始几天产生大量的水化热。混凝土温度升高（见图3），由于混凝土导热不良，体积较大，相对散热较慢，因此，形成热量的积聚。内部水化热不易散失，外部混凝土散热较快，水化热温升随体积增大而加大。

由于内部温度的变化，引起了混凝土应变，应变产生的变形受到混凝土内部和外部的约束，将产生很大应力。在初期阶段，混凝土未充分水化硬化，弹性模量小，因此拉应力较小，只引起混凝土表面裂缝。随着水泥水化反应的速率减缓及混凝土的不断散热，混凝土由升温阶段过渡到降温阶段，温度降低，混凝土体积收缩。由于混凝土内部热量通过表面向外散发，降温阶段混凝土中心部分与表面部分的冷缩程度不同，在混凝土内部产生较大的内约束；同时地基与边界条件也对收缩的混凝土产生较大的外约束，在内外约束的共同作用下，使收缩的混凝土产生拉应力。

随混凝土的龄期增长，抗拉强度增大、弹性模量增大、塑性减小。因此降温收缩产生的拉应力较大，易在混凝土中心部位形成较高拉应力区，若此时的混凝土拉应力大于混凝土此龄期的抗拉强度，则混凝土产生较大裂缝。这就是大体积混凝土产生温度裂缝的机理。

混凝土的抗拉强度与引起混凝土开裂的温度应力，是随着时间变化而变化的。当温度应力大于混凝土此龄期的抗拉强度，混凝土产生裂缝。裂缝出现在温度应力σt大于混凝土此时龄期抗拉强度ft的受拉处（如图4）。若合理的综合采取措施，特别控制水泥用量，降低水泥水化硬化的水化热和混凝土内部温度，减少温度应力，使混凝土温度应力一直小于混凝土此时龄期抗拉强度，就能保证混凝土不会产生温度裂缝。这便是控制大体积混凝土产生温度裂缝的关键点。

图3 大体积混凝土温度变化曲线图

图4 抗拉强度及应力变化时间关系曲线图

3.2 大体积混凝土温度裂缝的控制

依据大体积混凝土温度裂缝的产生机理和控制温度裂缝的关键点，制定综合预防大体积混凝土温度裂缝的具体措施：

3.2.1 设计方面

（1）合理选用钢筋，设计时尽量采用小直径﹑密间距、变截面及转角处增加构造配筋，在承台四周表面增加防裂钢筋网，来增加混凝土的整体抗裂性。

（2）避免采用高强混凝土，选用中低强度等级C30混凝土，降低水泥用量，减少水化热的产生。

（3）混凝土设计采用60天或90天龄期，充分利用混凝土的后期强度，降低水泥用量，减少因水泥带来的水化热。（但由于其他因素的影响，本工程最终混凝土的强度设计仍采用28天龄期）。

3.2.2 混凝土配合比设计

（1）设计原则

在满足工程设计与施工要求的强度、耐久性及和易性的条件下，要求尽量降低混凝土的水泥用量，使混凝土绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、热强比较小、膨胀收缩较小。

具体为采用“双掺”技术，即：掺入足量的掺合料 （如粉煤灰）来取代部分水泥和掺入具有高效减水功能的外加剂。掺入以上两种材料，不仅减少了水泥用量，降低水化热，降低了混凝土的绝热，还减少用水量，降低水灰比，提高混凝土早期和后期强度，改善混凝土施工性能。同时，由于外加剂缓凝作用，延长了混凝土凝结时间，推迟和降低了升温峰值，从而提高混凝土的抗裂性能。

（2）材料的选用

①水泥

尽可能选用低热或中热且强度高的水泥。综合比较后，选用中联巨龙淮海水泥有限公司生产的“巨龙”牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥。其特点是均匀性、安定性及和易性能好；早强高、后强增进率大；需水性较小、富余强度高，水泥用量经济。只是对外加剂适应性稍差一些，较适用于大体积混凝土。具体物理力学性能见表1。

表1 巨龙普通P·O42.5水泥物理力学性能

②粗、细骨料的选用

粗骨料应选择级配良好，且最大粒径尽可能大的骨料，同时，尽可能加大骨料用量。混凝土用水量及水泥用量相应减少，混凝土收缩随之减少，抗裂性增强。

粗骨料选用徐州汉王生产的5～40mm连续级配碎石；细骨料选用徐州新沂沂河的中、粗砂。粗、细骨料除满足一般的技术要求外，还特别控制砂、石的含泥量，过多的含泥量不仅增加混凝土的收缩，而且降低强度，对抗裂尤其不利。即石子的含泥量在1%以内，砂的含泥量在2%以内。

③外加剂

本工程外加剂选用江苏建科院生产“博特”牌JM—Ⅷ型复合外加剂，减水率在24%左右、掺量2%、保坍4～6h。此外加剂除满足高效减水、缓凝、保水、坍落度损失小、和易性好和泵送要求外，同时还具有减少水泥用量、提高混凝土早期强度的作用，增加了混凝土抗裂性。

④掺合料（粉煤灰）

掺合料采用徐州彭城电厂II级粉煤灰。此Ⅱ级灰除细度指标外，其余各项指标均满足Ⅰ级灰要求，同时有较好的活性。掺量为24%，超量取代水泥17.6%，超量系数取1.5。

（3）配合比的确定

大体积承台基础，可相对选择坍落度较小的混凝土。由于本工程泵送管铺设较长，近100m，且十几个弯头泵送阻力较大，混凝土坍落度定为160～180mm、水灰比在0.5左右、砂率为38%。施工用C30混凝土配合比见表2。

表2 施工用C30混凝土配合比 kg/m3

3.2.3 混凝土内部的温度和应力预测计算

为保障混凝土工程质量，试验进行了混凝土内部的温度和应力的预测计算，具体计算过程及结果如下：计算温度升温采用绝热温升计算法：

最大绝热温升：

式中 T7,T15——各龄期混凝土的绝热温升；

Tmax——混凝土的最大绝热温升；

Q—— P·O 42.5普通硅酸盐水泥水化热为375kJ/kg；

C——混凝土比热为0.96kJ/kg·℃；

ρ—— 普通混凝土容量为2400 kg/m3；

M—— 水泥用量为280kg/m3；

E—— 常数 2.718。

即在理想状态下，混凝土中水泥生产水化热不散失的情况时，混凝土内部温度最高将升高45.6℃。

7d及15d龄期混凝土收缩变形值：

式中 ε（7）,ε（15）——为 7d、15d 龄期混凝土的收缩变形值 ；ε（0）——标准状态下的混凝土最终收缩值，取值为3.24×104；M1、M2、M3…Mn——考虑各种非标准状态下的修正系数，取1.4。

混凝土收缩当量温差：

T(7),T(15)——各龄期混凝土收缩当量温差，℃。

混凝土弹性模量：

式中 E7、E15——各龄期的弹性模量，MPa；

E0——混凝土的最终弹性模量(MPa)，可近似取C30混凝土28d的弹性值为3.0×104。

混凝土的最大综合温差：

式中 △T——混凝土的最大综合温差；

T0——混凝土拌合物经运输至浇筑完成时的温度取26℃；Th——混凝土浇筑后达到稳定时的温度，取21℃。

混凝土最大收缩应力：

式中 σ—— 混凝土的温度应力N/mm2；

α—— 混凝土的线膨胀系数取1.0×10-5；

R—— 混凝土的外约束系数取0.25～0.5；

ν—— 混凝土的泊松比取0.15；

S(7)——徐变影响的松驰系数取0.3。

经测算得：用此配合比拌制的混凝土，最大收缩应力为，σ(t)=1.99N/ mm2，刚刚满足小于f=2.1N/mm2普通C30混凝土的抗拉强度

4 混凝土的温控保障措施

由以上计算可知，采用以上配合比拌制生产大体积混凝土，基本满足抗裂(σ(t)=1.99 N/m2≤2.1 N/m2)要求。但在实际的生产施工过程中，温度的变化和混凝土的抗裂受诸多复杂因素的影响。为了进一步降低混凝土的内部温度，确保工程质量，杜绝有害的温度裂缝，施工中在两个承台内分别设置六层冷却管。冷却管整体为矩形分布，横向间距为800mm（见图5），竖向间距参照承台钢筋分布灵活排布，保持间距大致均匀（见图6）。冷却管采用外径25mm的钢管，水流量不小于1m3/h。为了方便对其内部温度进行监测，我们还在两承台内均匀设置24根测温管，全天候的对混凝土温度进行监控，使混凝土内、外温差控制在25℃以内，避免内外温差过大，造成温度裂缝。

5 混凝土的浇筑与施工养护

5.1 混凝土的拌制、运输与泵送

混凝土的浇筑在4月底5月初，气候较适宜施工大体积混凝土。在混凝土的拌制过程中，未做特殊处理（如：覆盖原材料、投放冰水等措施），按正常程序生产。

图5 承台平面冷却管布置示意图

图6 承台剖面冷却管布置示意图

工程要求两个承台必须同步均匀的浇筑混凝土。现场采用两台HBT—60C型混凝土拖式泵，同时泵送混凝土，另放置一台HBT—80型混凝土拖式泵备用。因石子粒径较大，混凝土泵送管道没有采用传统的Φ125mm，而选用了直径Φ150mm的泵送管道。为了保证连续供应混凝土，投入12辆7m混凝土运输车。计划用时60小时浇筑完毕，实际用时51小时。

为保证混凝土承台浇筑的整体性、连续性，浇筑采用斜面一次性法浇筑。浇筑时不宜过快，应给混凝土一定的沉降时间（因承台厚达6m），在保证不出现施工冷缝的情况下，适当放缓浇筑速度，以增加散热与热量交换；同时，对入模混凝土进行复震（两次振捣间隔1h左右），来保证混凝土的密实；混凝土表面的处理，应适时用木抹子抹平搓毛两遍，防止混凝土表面产生裂缝。

5.2 养护

养护是大体积混凝土施工中的一项十分关键的工作，必须采取有效措施，才能取得良好成效。

为了很好的控制混凝土内外温差＜25℃，混凝土内部布置散热管，通入冷却水来调节混凝土内部温度。在混凝土浇注过程中，开始加强温度监测，每2小时对室外气温、混凝土表面温度、混凝土内部温度、冷却管进水及出水温度进行记录，严格控制混凝土内外温差。当混凝土内外温差超过25℃时应加大水循环流量；当混凝土内外温差低于20℃时可减慢流量；当混凝土内外温差小于15℃时可解除保温，控制降温速度。

采取用草袋和塑料薄膜进行保温和保湿，用保温隔热法对混凝土进行养护。先用塑料薄膜覆盖，再覆盖两层麻袋。当测温表明混凝土内外温差达到报警值25℃时，采用混凝土表面保温的方法来减少混凝土内外温差，再增加麻袋或草袋覆盖混凝土，以增强混凝土表面的温度，降低混凝土内外温差，混凝土的养护应不少于14d。从4月29日23:00时开始浇筑混凝土至5月12日，对混凝土进行13天的跟踪测量，并绘制温度变化统计曲线图（见图7）。从温度变化统计曲线图可见：混凝土浇筑3天左右，即5月3～4日开始进入温度高峰期，最高温度高达68℃，高温并未持续多久，之后趋于稳定不再升温，并且开始逐步降温,很快呈稳步下降趋势。

图7 两承台混凝土温度变化统计曲线

6 实施效果

通过采取上述一系列综合措施，徐州市和平路立交桥承台施工成功预防了裂缝出现的问题。通过实践证明，只要采取科学的施工方案，并运用合理的预防措施和严格的过程监控，混凝土裂缝是可以控制在最小范围内，或者说是可以得到基本控制的。

7 结论

泵送预拌大体积混凝土的防裂控制技术，涉及经济、技术、设计、管理、施工等诸多方面的影响因素。需要建设单位、设计单位、施工单位、材料供应等单位的综合管理、科学组织、合理安排、严格执行，以及各部门的相互理解与配合。

通过对结构裂缝成因分析、温度和应力的预测计算及其它试验研究和工程应用的对比分析，得出如下结论：

（1）防止大体积混凝土出现裂缝是一个系统工程，要从造成裂缝的各种原因着手，全面采取措施，并根据工程特点，确定防裂重点，才可能取得投入少，效果好的结果。

（2）结构设计方案在大体积混凝土工程的裂缝控制系统中，起着关键性的作用：结构体系的布置、断面尺寸的确定、配筋率的大小、混凝土等级的选择等决定了大体积混凝土的裂缝产生、发展的特性。

（3）理论计算对泵送预拌大体积混凝土的裂缝控制管理具有指导意义。而真实计算参数的确定,决定了模拟计算反映实际工况的准确度。准确的预测是事前控制工作的核心内容，是指导配合比设计及其优化的关键。

（4）施工配合比设计及其优化，是保证合格混凝土材料的前提。在本例工程配合比的设计中，通过掺用粉煤灰技术及使用大粒径（40mm）粗骨料，降低了水泥用量和用水量，增强了混凝土的抗裂性，取得了较好的效果。

（5）从设计、构造、材料、施工与养护等方面进行施工方案的概念设计，辅以施工监测，综合地采取技术措施与组织方法，应用成熟的混凝土施土技术经验，组织分段分层流水施工，既能使混凝土的开裂问题得到有效的防治，又能降低大体积混凝土防裂的技术成本与控制难度，完全能避免有害裂缝的产生，具有很高的实用性和经济价值。

[1]韩素芳，耿维恕. 钢筋混凝土裂缝控制指南[M]. 北京：化学工业出版社，2004.

[2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社.1997

[3]江正荣. 建筑施工计算手册(第2版).北京：中国建筑工业出版社，2007

[4]徐州和平路立交桥主塔承台设计图. 济南铁路勘探设计研究院

[5]徐州和平路立交桥主塔承台施工组织方案. 中铁十局

[单位地址]江苏省徐州铜山新区辽河路1号（221116）

Pumping and construction of massive concrete in Xuzhou Peace Road overpass

Xue Yibai
(Jiangsu ZhuBen concrete engineering Co. Ltd. Jiangsu Xuzhou 221000)

The main tower platform mass concrete project of Xuzhou Peace Road overpass total used 5030m³ concrete and constructed once irrigation to complete. Achieved good results because properly managed and sciencelly control process. This paper mainly discussed mass concrete cracks formation and key control technology from the selection of raw materials, mixture design, pumping construction technology, construction measures, etc combined with the engineering.

massive concrete; pumping; temperature crack; control

薛宜柏（1962-），男。江苏铸本混凝土工程有限公司常务副总经理（生产），武汉理工大学徐州校友会副会长，徐州市土木建筑学会会员。