桥梁工程大体积混凝土水化热控制施工技术应用研究

2015-03-07向前

黑龙江交通科技 2015年4期

关键词：水化桥梁工程用量

向前

(山西晋中路桥建设集团有限公司)

桥梁工程大体积混凝土水化热控制施工技术应用研究

向前

(山西晋中路桥建设集团有限公司)

首先分析了大体积混凝土结构中水泥水化热对混凝土结构的影响机理，进而分别在原材料质量、配比设计以及现场施工管理等几方面，详细介绍了大体积混凝土工程施工管理技术。

桥梁工程;大体积混凝土;水化热;施工技术

0 引言

当今，大跨度的桥梁建设项目越来越多，桥梁混凝土结构中承台基础以及结构的截面尺寸也越发趋于体积大型化，大体积混凝土施工项目也越来越多。大体积混凝土施工过程中很容易由于混凝土内部结构水化热造成结构内部产生较大的温度变形以及温度应力，导致混凝土结构开裂的发生。在混凝土施工技术规范中，明确要求需要将大体积混凝土水化热造成的混凝土结构温差控制在25℃以内。因此，这就要求在大体积混凝土工程施工过程中，必须采取必要的温度控制措施，以控制水泥水化热反应造成的温差问题。

1 水化热对大体积混凝土结构的影响机理分析

(1)水化热产生的原因分析。对于常用的硅酸盐水泥而言，与水拌和后，要是四种主要熟料矿物与水产生化学反应:硅酸三钙在常温下的水化反应3CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(3－x)Ca(OH)2)、硅酸二钙的水化(2CaO·SiO2+nH2O=xCaO·SiO2·yH2O+(2－x)Ca(OH)2)、铝酸三钙的水化(铝酸三钙先生成介稳状态的水化铝酸钙，最终转化为水石榴石(C3AH6))、铁相固溶体的水化，这些反应均是放热反应，放热量大小与水泥的细度以及水泥中所含矿物成分的比例有关。根据相关的调查研究资料表明，水泥的水化放热量主要是在水泥混凝土施工早期的3～7 d完成，后期逐步的减少。对于大体积混凝土而言，会由于水化热反应造成混凝土内部出现绝热温升问题，再加上混凝土本身的导热性能较差，大量的热量聚集在混凝土结构物的内部无法散失，若没有相应的人工辅助降温措施，很容易造成混凝土中心的温度升值接近绝热温升。

(2)大体积混凝土结构水泥水化热的特点分析。由于水泥在水化反应过程中会释放出一定的热量，因此，混凝土中的水化热是影响混凝土结构内部温度应力的关键因素。然而由于大体积混凝土结构尺寸相对较大，表面直接与外界接触，素以可以迅速散失热量，但是内部的热量却散失相对较为缓慢。这样就容易造成表面由于水分散失与温度下降出现温缩与干缩现象，进而并在混凝土内部出现拉应力，超过混凝土的极限抗拉强度以后就会造成混凝土开裂的发生。

(3)大体积混凝土结构水化热控制关键因素分析。根据以往的经验公式，水泥水化热的计算公式为

式中:τ为龄期，d;Q(τ)为对应龄期的累积水化热，KJ/jg;Q0为最终水化热，KJ/jg;m为常数，对应水泥的品种、比表面积以及浇筑温度;

混凝土绝热温升计算公式:

式中:c为混凝土比热，kj/(kg·℃);p为混凝土密度，kg/m3;F为掺合料用量，kg;K为折减系数。

从水化热释放以及绝热温升的计算中可以看出，在桥梁工程大体积混凝土结构施工中，影响到水泥水化热控制效果的因素中，在材料方面的关键就是水泥品种、水泥用量、配合比设计情况等几项内容，因此在施工过程中应该重点进行控制管理。

2 大体积混凝土结构工程施工材料的要求

在大体积混凝土水泥水化热施工控制上，美国、前苏联以及日本等研究相对较早，在对大体积混凝土水化热的控制上，也主要集中于大体积混凝土的设计、施工以及冷却控制上，并提出了一系列的控制方法，诸如合理分缝分层浇筑块、降低水泥用量、选择使用低热水泥、集料预冷以及大体积混凝土结构的温度场、温度裂缝与温度应力计算分析等技术。我国对于大体积混凝土水化热的施工研究，朱伯芳院士提出了水管冷却仿真计算的复合算法，奠定了大体积混凝土施工水管冷却的理论基础，王铁梦教授通过收缩预测公式，建议取消浇筑大体积混凝土时预留伸缩缝的做法，综合国内外研究成果，对于大体积混凝土施工水化热的控制技术，总结分析具体施工处理技术集中在以下几方面。

2.1 原材料

(1)水泥。水泥中铝酸三钙与硅酸三钙的含量直接关系到水化热的热量，在水泥的选择上应当尽量采用水化热较低的水泥，可以选择使用矿渣水泥或者是普通硅酸盐水泥，并严格按照规范要求控制水泥细度;同时尽可能采用低碱含量、耐腐蚀性能较好的水泥品种。

(2)集料。用于桥梁工程大体积混凝土结构施工的集料应当选择使用洁净、质地坚固、级配合格、粒径形状好。其中控制粗骨料堆积空隙率不超过40%，压碎值尽可能控制在12%以内，吸水率不大于1%，避免采用有潜在活性物质的粗集料。同时应该确保粗骨料的最大公称粒径不宜超过保护层厚度的2/3，且不超过钢筋最小净距的3/4。确保粗细组成应按连续密实级配要求，确定组成比例，以单位体积容重最大、空隙率最小、混凝土和易性最好作为集料质量控制目标。

(3)水。对于水质要求，应该按照《公路桥涵施工技术规范》中的相关要求，重点控制水中氯离子含量在5 mg/cm以内。

(4)外加剂。用于大体积混凝土结构施工的外掺剂必须严格按照《混凝土外加剂》中的相关技术要求进行质量控制，选定外加剂前，必须与所用水泥进行化学成分和剂量适应性检验。

2.2 混凝土配比设计

对于大体积混凝土结构混凝土配比设计的主要原则就是应限制混凝土中胶结材料的最低和最高用量，在满足胶结材料最低用量前提下，尽可能降低硅酸盐水泥用量。在具体的配比设计过程中，(1)应当注意控制适当减小水泥的用量，在强度满足结构设计的前提下降低水泥用量，或者是适当的采用掺加粉煤灰等措施来降低水泥用量，降低水化热的产生。(2)在混凝土级配的设计上，应该注意对级配进行优化，在充分考虑泵送、抗裂性能等要求的基础上，降低集料的空隙率减小胶凝材料的用量。(3)应当注意适量采用粉煤灰以及矿渣粉等混合材料来替代水泥，这样既可以提高混凝土密实度，同时也有助于改善混凝土的水化热效应。(4)可以适当采用缓凝剂、膨胀剂等外掺剂，通过延长混凝土凝结时间、延缓水泥水化作用以及在混凝土内部产生内压应力，来降低混凝土的放热速率，抵消温差收缩应力，进而避免混凝土结构开裂问题的发生。

3 大体积混凝土结构的水泥水化热现场施工控制

(1)循环冷却水管的埋设。在桥梁工程大体积混凝土结构施工中，为了降低混凝土内部的温升，减小大体积混凝土结构的内外温差，一般需要在混凝固内部埋设循环冷却水管。循环冷却水管一般选择使用直径Φ25 mm左右的薄壁钢管，按照冷却水由热中心区流向边区的原则，进水管口设在近混凝土中心处，出水管口设在混凝土边区处。在循环冷却水管的埋设上，应该设置有调节流量的水阀和测流量设备，同时在水管的安装过程中，借助钢筋骨架和支撑桁架固定牢靠，以防混凝土灌注时水管变形及脱落而发生堵水和漏水，在安装结束以后必须进行通水试验。一般是在每层循环水管被混凝土覆盖并振捣完毕后进行通水，流量一般控制在1.2～1.5 m3/h，重点控制进、出水的温差不大于6 ℃，通过循环冷却水的吸热，缓解混凝土内部的水泥水化热反应。

(2)大体积混凝土结构的浇筑养护施工。现阶段在桥梁工程施工中，大体积混凝土结构一般选择使用分层、分块的浇筑施工作业方式，对大体积混凝土的每一块采取薄层浇筑技术，以使水泥混凝土内部的水化热得到有效的散失，对于各块之间可以采用后浇带的方式进行连接。由于桥梁大体积混凝土结构具有体积大、结构复杂的特点，在分层浇筑施工过程中，一般采取坡度为1∶5～1∶8的斜面分层浇筑技术。在浇筑过程中应该按照“快插慢拔，逐点移动，顺序进行”的原则，及时的进行振捣并确保与侧模保持5～10 cm的距离，直至混凝土无气泡冒出、表面平整泛浆、完全密实为止。对于大体积混凝土的养护，重点是遵循“内散外蓄”的保温原则，以保温与保湿作为目的，减小混凝土表面热量的散失降低内外温差，确保大体积混凝土表面的湿润，避免出现温缩或者是干缩裂缝。

(3)大体积混凝土结构施工测温及温度控制。为了控制大体积混凝土内外温差，必须在施工阶段布设温度测点对大体积混凝土结构的温度变化情况进行时时的监测，以便根据温度变化情况及时采取必要的技术控制措施。对于温度测点的埋设，主要是选择大体积混凝土结构的中心最高温度以及表面最低温度处。在温度控制的具体指标要求上，一般是控制混凝土内外温差控制值在25℃以内，混凝土降温速率控制值不大于5℃/d，混凝土的最高温升控制在60℃之内。如果温度超出指标，则必须采取调整循环冷却水流量、加强外部保温等措施，来控制温度差。在经过一段时间测量发现大体积混凝土结构的温度变化趋于稳定后，即可停止测温。