黄河桥大体积耐久混凝土温控技术探讨

陈桂芝

(中铁大桥局集团第一工程有限公司，河南郑州 450053)

1 工程概况

郑焦城际铁路黄河桥为郑州至焦作城际铁路客运专线跨越黄河郑州段的桥梁。南起黄河风景区站，北至焦作市武陟县嘉应观，主桥长2 200 m。主桥上部结构采用大跨度钢构，下部结构承台为大体积混凝土，结构尺寸为29.7 m×13.8 m×5 m，混凝土体积达2 049 m3，标号C40。此混凝土结构物体积大，耐久性要求高，对其结构水化热和收缩导致有害裂缝产生、混凝土结构温度应力和收缩应力的研究是很有必要的。

2 大体积耐久混凝土的耐久性要求和结构温控措施

2.1 混凝土耐久性要求

1)主桥承台结构体所处的环境及施工条件。主桥承台处于黄河主河道内，根据设计图纸，主桥承台结构体处于碳化环境T3和冻融破坏环境D2作用下，同时我们单位生产混凝土时拌和方式为强制式搅拌机，运输方式为搅拌车，机械振实。

2)配合比设计技术条件及其设计参数。在配合比设计时要充分考虑这些因素，混凝土设计强度等级为C40，配制强度为47.4 MPa，拌和物设计初始坍落度为(180±20)mm，拌和物初凝时间为不小于20 h，粉煤灰掺量为30%、矿粉掺量为15%，胶凝材料用量不宜大于450 kg/m3进行控制。混凝土的耐久性指标要求为最大水胶比0.45，混凝土含气量不小于5.0%，最低含气量5%，电通量要求小于1 500 C，混凝土最大碱含量3.0 kg/m3，混凝土最大氯离子总含量0.10%，混凝土最大三氧化硫总含量4.0%。

3)混凝土原材料与配合比的优选。水泥的水化反应是形成温升的关键，我们选用了质量比较稳定有利于改善混凝土抗裂性能和C3A含量较低、C2S含量较高的低热普通低碱硅酸盐水泥，同时加入了粉煤灰，矿粉等掺合料，以便减少水泥的用量，从而降低混凝土水化热和收缩。粗集料应选用粒径较大，级配连续的石子。细集料应选用优质的中粗砂为宜，过细时用水量和水泥用量增大。外加剂选用缓凝型的高效聚羧酸型减水剂加引气剂。

我项目部按照上述要求，做了大量的初步配合比和耐久性试验，确定了C40混凝土的配合比，其胶凝材料420 kg/m3;砂率40%;水胶比0.38;掺合料45%，以双掺为主;拌和物性能试验结果如下:拌和物初始坍落度为200 mm、混凝土初凝时间为18:50、混凝土含气量为5.3%、混凝土实测容重为2 380 kg/m3;硬化混凝土性能测试结果如表1所示。

各项指标都能满足混凝土工作性能、力学性能、变形性能、耐久性能等各项技术条件的要求。经调整后混凝土采用的配合比为:水泥231 kg/m3;粉煤灰126 kg/m3;矿粉63 kg/m3;砂708 kg/m3;石 1 063 kg/m3;水 159 kg/m3;外加剂 4.2 kg/m3。

表1 硬化混凝土性能测试结果表

2.2 进行温控的原因

承台在浇筑完成后，前期水泥中C3A的水化速率较快、水化作用而产生大量的热量，而混凝土结构自身导热性能较差，从而导致混凝土内外温升不一致，形成较大的温度梯度。铁路混凝土耐久性设计规范要求，混凝土养护期间，混凝土的芯部与表面温度、表面温度与环境温度之差不应大于20℃，混凝土表面温度与养护水温度之差不得大于15℃，混凝土芯部温度不宜超过60℃。因此，在进行大体积承台混凝土施工时，需通过热传导将大体积混凝土内部的水化热及时疏导，避免混凝土内外温度梯度过大造成混凝土开裂。

2.3 冷却水管布置分析

疏导混凝土实体内部水化热的常用方法是在混凝土结构内部增设循环水管的管道冷却装置，降低水化放热温度，使其最高温度不超过规范要求。根据黄河公铁两用桥承台施工时的研究分析可知当冷却水管的水流量达到某一值时，继续增加流量也不会对降温再产生显著的效果，因此对冷却水管的流量进行优化分析后，确定了最优的冷却水管布设方式，即本工程承台施工选用1.5倍流量模型作为施工指导，现场选用φ42 mm钢管上下左右间距分别为1 m进行冷却管的布设。

3 大体积混凝土现场施工温差控制技术措施

3.1 冷却水管的布设

1)本工程承台冷却水管为普通焊接钢管，采用壁厚为2.5 mm、直径为42 mm的圆钢管，采用丝口接头连接。承台厚5 m，沿承台竖向水平冷却水管网布置5层，垂直间距为1 m，顶层管网至承台顶面距离为0.5 m、底层管网至承台底距离为0.5 m。同一管网内水管间的水平间距为1 m，最外层水管距离混凝土最近边缘(0.75±0.25)m;管网的进出水口需垂直引出混凝土顶面0.5 m以上，出水口要安装好调节流量的控制阀门和测流量装置。2)在钢筋绑扎过程中，埋设冷却水管网按照分层分区布置的原则从承台中间部位流向边缘区，同一层冷却水管的进、出口相互错开。布管时，冷却管应与钢筋绑扎牢靠，以防水管变形或接头脱落。安装时要确保位置准确、固定牢靠。施工时要保护好，以免践踏、碰撞而损坏。冷却管网编号应分区分层，进出水管均应编号登记。冷却系统安装完成后进行试通水，对接头缝隙进行处理，保证密封、通畅。在混凝土灌注前，应先通水试验确保水管无渗漏，并将水管内灌满水、密封，以免管内因进入水泥浆而堵塞。3)整个养生过程中应根据冷却水管进、出口水温度进行监控，及时调整水温及水流量。

3.2 温度测点的布置

在混凝土内部埋设电子测温导线，精确测量混凝土内外温差及水化热释放的情况。进行测点布置时，由于该立方体结构具有对称性，因而只需取1/4做测点分析即可。电子测温元件在承台中心位置纵向布置5个，在1/4承台中线位置纵向布置3个，承台侧角表面位置布置1个，表层测点位于混凝土表面以内100 mm处。点位布置合理，监测点可以充分反映混凝土内部的温度变化情况。具体布置见图1。

图1 承台测点布设图

3.3 耐久混凝土的灌注技术措施

1)控制混凝土的出机温度和入模温度。混凝土温度越高，内部的温升就越大。由于是在冬季施工，采取锅炉加热水、生火炉加热骨料的方法，提高混凝土原材料温度，将混凝土拌合物的出机温度控制在10℃～15℃之间，浇筑温度控制在5℃～15℃之间。

2)耐久混凝土水平分层浇筑。在混凝土施工时，采用按水平分层灌注方式进行。施工前要确定天气情况，选择无雨天气施工。由于施工期较长，为防止突然降雨，施工前准备好覆盖整个承台的防雨棚。混凝土灌注时采用泵送到墩位处，设1套布料杆覆盖灌注区域，保证混凝土布料均匀。浇筑时严格控制分层厚度，每层厚度不超过30 cm，混凝土入模后及时按振捣标准将混凝土振捣密实，避免出现欠振、过振、漏振等现象，防止混凝土的泌水，保证混凝土的均匀性，提高混凝土抗裂性能。每摊铺层间隔时间很短，都保证了在前层混凝土初凝前将后一层混凝土浇筑完毕。混凝土浇筑面应及时进行二次抹压处理。

3.4 采取保温蓄热法养护的措施

对于大体积混凝土的施工养护至关重要。承台在冬季施工，气温约在0℃ ～13℃。在承台混凝土浇筑完成后，对承台表面采用帆布、塑料薄膜或草袋进行保温蓄热养护，用冷却管流出的循环水进行养护，以提升混凝土四周的环境温度，减少热量的散失并能防止水分的流失，保湿养护持续时间要大于28 d，并且当混凝土的表层温度与环境最大温差小于20℃时，可全部拆除。

4 温控监测结果

1)混凝土灌注完后15 h起开始记录温度，记录温度要先密后疏，前4 d每隔2 h测1次，混凝土浇筑后第5天～第14天4 h测温1次。实测温度如表2所示，通过对承台测温值进行取平均值分析形成如图2，图3所示。从图2，图3可以看出，承台浇筑完成后中芯部A3点最大温度47℃，未超过规定值，承台芯部和表面最大温差小于19.5℃，承台芯部最高温度出现在混凝土浇筑完毕后第4天。通过14 d的观察，承台表面未发现裂缝或裂纹。2)混凝土耐久性指标检测。通过对混凝土浇筑时留置的混凝土试件56 d耐久性指标检测，其抗压强度、抗冻性和抗渗性能均达到设计的耐久性指标要求。

表2 实测温度表

图2 承台内部温度变化趋势图

图3 承台芯部和外部温差图

5 结语

在进行大体积混凝土浇筑前首先进行理论分析，优化混凝土的配合比，降低单方水泥用量，再通过冷却水管的布设，从而控制了混凝土的芯部温度;同时注重混凝土浇筑时施工组织和养护保温措施，控制混凝土结构体的表面温度。从上面实例可以看出，只要在施工前做好施工组织，做好温度监测及加强养护等有效技术措施，就能防止承台大体积混凝土温差裂缝的发生。

［1］铁建设［2010］241号，铁路混凝土工程施工技术指南［S］.

［2］TB 10005-2010，铁路混凝土结构耐久性设计规范［S］.

［3］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京:中国电力出版社，1999.

［4］刘小燕，严 露，何先明.桥梁大体积混凝土施工温度场与温度应力的仿真分析［J］.湖南理工学院学报，2006(5):21.

［5］张灵坤，杜云晶.谈现浇大体积混凝土的温度开裂控制［J］.山西建筑，2013，39(4):71-72.