高速铁路现浇箱梁大体积混凝土施工技术研究

朱海波

摘要：本文通过青荣城际铁路跨青银高速公路特大桥1-48m现浇箱梁大体积混凝土施工实例，就大体积混凝土施工技术进行了阐述，大体积混凝土施工技术要求高，施工中特别要防止混凝土因水泥水化热引起温度应力裂缝，因此需要在材料选择、技术措施等环节进行有效控制，才能保证大体积混凝土施工质量。

Abstract： Through the 1-48m cast-in-place box beam mass concrete construction of Qingyin highway super-large bridge of Qingrong inter-city railway， this paper expounds the mass concrete construction technology. The technology requirements of mass concrete construction are high. During the construction， the temperature stress crack of concrete caused by the cement hydration heat should especially be prevented. So， the effective control of material selection， technological measures can ensure the quality of mass concrete construction.

关键词：高速铁路；大体积混凝土；施工技术；研究

Key words： high speed railway；mass concrete；construction technology；research

中图分类号：U445.57 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）05-0147-03

0 引言

大体积混凝土是指混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。近年来，随着公路和铁路的迅猛发展，大体积混凝土越来越多的应用在桥梁施工中。由于大体积混凝土具有结构尺寸大，工程条件复杂、施工技术要求高、水化热较大，易使结构物产生温度应力裂缝等特点，在施工过程中，应选用合理的配合比、制定合理的混凝土浇筑方案和温控措施等。本文就青荣城际铁路1～48m现浇箱梁大体积混凝土施工技术进行研究。

1 工程概況

青荣城际铁路位于胶东半岛，连接了青岛、烟台、威海地区的主要城市，是半岛城市群的重要联络通道。跨青银高速公路特大桥1～48m简支现浇箱梁采用预应力混凝土箱梁结构（见图1），全长为49.5m，计算跨度为48m，上跨蓝鳌路，箱梁顶宽12.2m，高4.3m，底宽6.7m，顶板厚度除梁端为65cm外余均为40cm，底板厚度为30cm，腹板厚度50cm。梁体为单箱单室、直腹板等截面结构。一次性混凝土浇筑方量估计为730m3，属于大体积混凝土。

2 施工准备工作

2.1 材料选择

①水泥：考虑普通水泥水化热较高，特别是大体积混凝土，大量水泥水化热不易散发，混凝土内部温度过高，与混凝土表面产生较大的温度差，混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。当表面拉应力超过早期混涨土抗拉强度时就会产生温度裂缝，因此确定采用的P·O52.5硅酸盐水泥，水泥3d天的水化热不宜大于240kJ/kg，7d天的水化热不宜大于270kJ/kg，水泥中的铝酸三钙含量不宜大于8%，水泥在搅拌站的入机温度不应大于60℃。

②粗骨料：粒径5～31.5mm，含泥量不大于0.5%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而减少水化热。

③细骨料：中砂含泥量不大于3%。选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。

④粉煤灰：混凝土浇筑方式采用泵送，配合比中掺加适量粉煤灰，不仅可以改善混凝土和易性，还可减少水泥用量，从而降低水化热。

⑤外加剂：根据设计具体要求进行，减水剂可降低水化热峰值，对混凝土收缩补偿功能，可提高混凝土的抗裂性。

2.2 混凝土配合比

①混凝土由拌和站自拌，因此要求实验人员根据现场技术要求，提前做好混凝土配比。

②混凝土配合比应按照国家现行《混凝土结构工程施工及验收规范》、《普通混凝土配合比设计规程》及《粉煤灰混凝土应用技术规范》中的有关技术要求进行设计。

2.3 现场准备工作

①箱梁钢筋施工完毕，预留洞、预埋管、线到位，并进行隐蔽工程验收。

②箱梁施工采用木模，支撑必须牢固。

③混凝土浇筑前进行标高测量，并作明显标记，供浇筑混凝土时标高控制。

④浇筑混凝土时预埋的测温管及保温随需的塑料薄膜、土工布等应提前准备好。

⑤进行施工用电线路检查，以保证混凝土振捣及施工照明用电。

⑥及时了解天气预报，应避开雨天进行混凝土浇筑施工。

3 大体积混凝土温度变化及其控制措施

3.1 温度应力的主要成因

①大体积混凝土在硬化期间，水泥水化后释放大量的热量，使混凝土中心区域温度升高，而混凝土表面和边界由于受气温影响温度较低，从而在断面上形成较大的温差，使混凝土的内部产生压应力，表面产生拉应力（称为内部约束应力）。

②当混凝土的水化热发展到3～7d达到温度最高点，由于散热逐渐产生降温产生收缩，且由于水分的散失，使收缩加剧，这种收缩在受到基岩等约束后产生拉应力（称为外部约束应力）。

3.2 C50现浇箱梁大体积混凝土混凝土裂缝控制的施工计算

①混凝土最高水化热温度及3d、7d的水化热绝热温度：

C=335kg/m3；水泥：水化热Q=400J/kg，c=0.96J/kg·k；ρ=2400 kg/m3。

②混凝土最高水化热绝热温升：

Tmax=CQ/cρ=（335×400）/（0.96×2400）=58.16℃

3d的絕热温升：

T（3）=58.16×（1-e-0.3*3）=34.51℃

7d的绝热温升：

T（7）=58.16×（1-e-0.3*7）=51.04℃

15d的绝热温升：

T（15）=58.16×（1-e-0.3*15）=57.52℃

③混凝土内部中心温度计算：

Tmax=Tj+T（t）ζ=15+58.16×0.49=43.498℃

Tmax=Tj+T（t）ζ=15+58.16×0.44=40.59℃

Tmax=Tj+T（t）ζ=15+58.16×0.41=36.846℃

式中：Tj——混凝土浇筑温度℃；

T（t）——在t龄期时混凝土的绝热温升，℃；

ξ——不同浇筑块厚度的温降系数。

④混凝土表面温度计算：

Tb（t）=Tq+（4/H2）h'（H-h）ΔT（t）

Tb（3）=15+（4/2.742）×0.37×（2.74-2）×（61.489-33）=19.155℃

Tb（7）=15+（4/2.742）×0.37×（2.74-2）×（58.590-33）=18.733℃

Tb（14）=15+（4/2.742）×0.37×（2.74-2）×（54.846-33）=18.187℃

混凝土表面与内部最高温差：

ΔT（t）=Tmax-Tq=43.498℃-15=28.498℃>20℃

不满足混凝土内外温差≤20℃设计的要求。需采取保温措施。

式中：Tb（t）——龄期t时，混凝土的表面温度，℃；

Tq——龄期τ时，大气的平均温度，15℃；

H——混凝土的计算厚度，m；H=h+2h`=1.3+2×0.37=2.04m；

h——混凝土实际厚度，m；

h`——混凝土虚厚度，m。

h`=kλ/β=0.66×2.33/4.11=0.37m

λ——混凝土的导热系数，取2.33W/（m·k）；

k——计算拆减系数，取0.66；

β——模板及保温层的传热系数，W/（m2·k）；

β=（σ/λ+1/Bq）-1=（0.02/0.1+1/23）-1=4.11W/（m2·k）；

σ——各种保温材料的厚度，m；

λ——各种保温材料的导热系数，盖土工布或麻袋时取0.1 W/（m2·k）；

ΔT（t）——龄期τ时混凝土内最高温与外界气温之差，℃；

ΔT（t）=Tmax-Tq。

⑤混凝土各龄期收缩变形值计算：

εy（t）=εy0（1-e-0.1t）×M1×M2×…×M10

查表得：M1=1.0，M2=1.35，M3=1.0，M4=1.42，M5=1.75，M6=1，M7=0.88，M8=1.2，M10=0.61

则有：M1M2M3M4M5M7M8M10=1.0×1.35×1.0×1.42×1.75×1×0.88×1.2×0.61=2.161

1）3d收缩变形值

εy（3）=εy0×（1-e-0.3）×2.161

=3.24×10-4×（1-2.718-0.3）×2.161=1.815×10-4

2）7d收缩变形值

εy（7）=εy0×（1-e-0.7）×2.161

=3.24×10-4×（1-2.718-0.7）×2.161=3.524×10-4

3）15d收缩变形值：

εy（15）=εy0×（1-e-1.5）×2.161

=3.24×10-4×（1-2.718-1.5）×2.161=5.439×10-4

⑥混凝土收缩变形换算成当量温差：

3d龄期

T（y）（3）=-εy（3）/α=（-1.815×10-4）/（1.0×10-5）=-18.15℃

7d龄期

T（y）（7）=-εy（7）/α=（-3.524×10-4）/（1.0×10-5）=-35.24℃

15d龄期

T（y）（15）=-εy（15）/α=（-5.439×10-4）/（1.0×10-5）=-54.39℃

⑦各龄期混凝土模量计算：

E（t）=Ec×（1-e-0.09t）

3d龄期

E（3）=3.0×104×（1-e-0.09*3）=7.098×103N/mm2

7d龄期

E（7）=3.0×104×（1-e-0.09*7）=1.16×104N/mm2

15d龄期

E（15）=3.0×104×（1-e-0.09*15）=2.22×104N/mm2

⑧各龄期混凝土的温度收缩应力计算：

由于在十一月份浇注底板混凝土，气温较低，假设入模温度To=33℃，Th=25℃。

3d龄期

ΔT=T（3）+To-Th=28.79+33-25=36.79℃

σ=E（3）·a·ΔT/（1-ν）·S（t）·R

=7.098×103×10×10-6×36.79/（1-0.15）×0.5×0.5

=0.768N/mm2

7d龄期

ΔT=T（7）+To-Th=42.58+33-25=50.58℃

σ=E（7）·a·ΔT/（1-ν）·S（t）·R

=1.16×104×10×10-6×50.58/（1-0.15）×0.5×0.5

=1.72N/mm2

⑨混凝土抗拉强度计算：

抗裂安全系数：

K=λ·ftk（t）/σ=2.64/1.72=1.53>1.15

因此，采取的措施满足抗裂要求。

式中：

K——大体积混凝土抗裂安全系数，应≥1.15；

ftk（t）——到指定期混凝土抗拉强度设计值，C50混凝土查表得2.64（N/mm2）。

3.3 裂缝控制的施工技术措施

通过以上分析可知，在露天养护期间，7d龄期时，抗裂安全系数K值大于1.05，混凝土表面与内部温差不大于25℃，符合设计要求。此时混凝土不会出现裂缝。

4 大体积混凝土施工

在梁体的底板、腹板和顶板埋设测温线，每个断面按照两个半轴平面不少于4个点布设，竖向布设间距不大于60cm，且距混凝土顶、底表各5cm以及中心布点。采用JDC-2型建筑温度测定仪测温。现场入模温度采用测温仪插入测定。施工过程过程中严格温度监控，并做好混凝土养护作业，确保混凝土温度控制在合格范围内。

混凝土浇筑采用两泵八罐，同时备用一台泵车，以保证混凝土浇筑的连续性，先浇筑底板，后浇筑底板，再顶板。浇筑过程中应左右腹板对称浇筑。

混凝土振捣采用插入式振动棒分层振捣，每层厚度不超过30cm；移动间距不超过振动棒作用半径的1.5倍；与侧模保持50～l00mm的距离；插入下层混凝土50～l00mm；要求快速插入，每一处振动待混凝土面泛浆均匀，无气泡冒出时，缓慢拨出，切记勿漏振、过振；应避免振动棒碰撞模板、钢筋、波纹管及其他预埋件。

混凝土浇筑完成后，及时对混凝土表面进行收浆，然后将土工布湿润后，覆盖于混凝土表面，此时，应注意土工布严禁直接接触混凝土面。待混凝土初凝后，将土工布掀起，对混凝土表面进行二次收浆，二次收浆结束后，及时用土工布对混凝土裸露面进行覆盖，然后洒水养生。

混凝土养护气温不得低于5℃。拆模时混凝土芯部温度与环境温度的温差不得大于15℃，当温差在10℃～15℃时，拆除模板后的混凝土表面应加以覆盖。大风或温度急剧变化时不宜拆模。

为确保混凝土养护期间，混凝土内部温度与表面温度之差、表面温度与环境温度之差不大于15℃，必要时，用棉被对混凝土裸露面进行覆盖包裹。

5 质量控制要点

拌制混凝土的原材料均需进场检验，合格后方可使用。同时要注意各项原材料的温度，以保证混凝土的入模温度。

在混凝土搅拌站设专人掺入外加剂，掺量要准确。

施工现场对混凝土要逐车进行检查，测定混凝土的坍落度和温度，检查混凝土量是否相符。混凝土温度应控制在规定范围之内，严禁混凝土搅拌车在施工现场临时加水。

在底板混凝土浇筑过程中，要派4～6人看模、看筋，发现问题及时解决，底板混凝土浇筑面的标高，严格按放线人员测定的标高来控制。

在混凝土强度达到1.2MPa以前，不允许上人进行施工作业。

加强混凝土试块制作及养护的管理，试块拆模后及时编号并送入标养室进行养护。

6 结束语

1～48m简支箱梁一次整体浇筑完毕，由于在施工工艺、材料组成、后期养护和现场监测等方面采取了一些列温控防裂技术措施，箱梁未出现有害裂缝。据初步推算，整体浇筑缩短了近20天工期，减少了后期冬季施工保暖等各项费用约15万元，而且提高了箱梁的整提刚度和防水性。监测结果表明只要在施工过程中对原材料的混凝土配合比、浇筑工艺、养护的保温及保湿等各个环节采取一系列切实有效的技术组织措施，一次浇筑大体积混凝土不留任何施工缝是完全可以保证施工质量的。

大体积混凝土施工裂缝控制是比较困难的工作，裂缝的出现不仅与温差、原材料和配合比有关，还与施工工艺等有关，本文施工方法及工艺在多处工程应用，取得良好效果，值得为类似工程借鉴。

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