大体积砼施工过程关键控制因素分析

2016-12-12南进江

公路与汽运 2016年6期

关键词：温控温差水化

南进江

（长沙理工大学，湖南长沙 410004）

大体积砼施工过程关键控制因素分析

南进江

（长沙理工大学，湖南长沙 410004）

对于大体积砼施工过程中极易产生温度裂缝的问题，岳阳洞庭湖大桥君山岸重力式锚碇工程施工前根据其实际情况对大体积砼的温度场和温度应力发展规律进行预测，制订合理的温控方案，控制温度应力在安全范围内发展，避免因温度应力产生温度裂缝；施工过程中在砼内部预埋温度传感器对温度场分布进行监测，通过对温度场分布及施工各阶段温度的分析，分析大体积砼施工过程关键控制因素。

桥梁；锚碇；大体积砼；温度控制；裂缝；控制因素

大体积砼施工过程中影响温控结果的因素有很多，如水泥种类、砼配合比、现场砼坍落度、砼入模温度、施工环境、覆盖保温措施、冷却水管降温措施、砼结构物的体表比及上下层砼的施工间隙期，探究其中关键因素可对日后的温控起到指导作用。

1 工程概况

图1 洞庭湖大桥桥型布置（单位：标高为m，其他为cm）

大岳（临湘—岳阳）高速公路洞庭湖大桥是杭州至瑞丽国家高速公路在岳阳跨越洞庭湖的过江通道，是全线的控制性工程。如图1所示，该桥主桥采用双塔双跨钢桁梁悬索桥，主跨1 480 m（中国第三，世界第七），主缆跨径组合为460 m+1 480 m+ 491 m，主梁跨径组合为1 480 m+453.6 m，桥面宽度33.5 m。君山岸锚碇基础采用地下连续墙，墙厚1.2 m，采用与锚体相匹配的葫芦形，小圆半径28 m、大圆半径32 m，顺桥向全长98 m，横桥向最大宽度64 m。整个锚碇需浇筑230 000 m3砼。

地下连续墙内侧设内衬支护，中间设置一道隔墙，由隔墙将基础分隔成锚碇前、后仓两部分。前、后仓基础底部均设置砼垫层、底板，后仓设置实心填芯砼，前仓设置空仓隔仓、前仓顶板。锚体砼包括下锚块、上锚块、散索鞍支墩和前锚室（见图2）。

锚块分为上下两块，下锚块高13.5 m，上锚块高213.49m，累计26.99m。分层施工，下锚块分4块浇筑，上锚块分左右幅分块浇筑，中间预留2 m宽后浇带，后浇带用微膨胀砼浇筑。

图2 洞庭湖大桥君山岸锚碇的构造

2 大体积砼施工关键控制因素

君山岸锚碇大体积砼施工中遵循“外保内降”的原则，施工前后主要控制以下四点：1）通过原材料选择和配合比试验，降低砼的绝热温升和最高温度峰值；2）选择适合施工季节的表面保温措施，降低砼内外温差，使砼内温度场分布尽量均匀，减小温度梯度；3）通过内部冷却水循环系统削减砼内部温度峰值，控制内部降温速率，防止砼内部温度收缩过快；4）控制上下层间温差，尽量缩短层间龄期差，防止出现层间裂缝。

2.1 配合比控制

该工程原C35砼采用的P.O42.5普通硅酸盐水泥的水化反应速度和实际强度增长较快，对砼早期抗裂不利。为减缓水泥的水化反应速度和砼早期强度增长速度，降低砼内部温升值，减小早期拉应力，后续施工中使用P.LH42.5低热硅酸盐水泥，大大降低了砼的绝热温升，从根本上降低了砼开裂风险。不同水泥品种的水化热检测结果见表1。

通过选择合适的减水剂或调整减水剂掺量合理延长砼拌和物的初凝时间，使实验室试配初凝时间≥30 h、现场浇筑实际有效初凝时间≥25 h，以满足现场砼浇筑施工时长。优选性能稳定、减水率高的聚羧酸高效减水剂，有效降低每方砼水泥用量，从而降低砼的水化热温升。同时在后期正式浇筑砼时将减水剂含固量控制在0.95S～1.05S（S为减水剂的含固量控制值）。

表1 水泥水化热检测结果

控制集料质量，其中：细骨料含泥量≤3.0%，细度模数≥2.5；粗骨料选用5～31.5 mm连续级配碎石，含泥量≤1.0%，并进行水洗。进行砼试拌，在总用水量中将实测粗骨料含水量扣除，确保实际水灰比的准确度。

最终设计的砼配合比见表2，部分现场温度检测结果见表3。

表2 锚碇砼配合比的改善及效果

2.2 表面保温措施控制

该锚碇施工从12月份开始，此时环境温度为一年之中最低时段之一，很大程度上降低了原材料的温度，从而降低了砼的出机温度，必须采取表面保温措施，使顶面等效换热系数达到20 kJ／（h·℃）、侧面等效换热系数达到15 kJ／（h·℃），保证砼内外温差尽可能小、内部温度场均匀分布。

同时根据砼表层拉应力计算公式［见式（1）］，在施工阶段其他参数均已固定，控制内表温差对控制砼表层拉应力最具实际效果。

式中：σs（t）为t时刻砼表层拉应力（MPa）；α为砼线胀系数（℃-1），可取1.0×10-5℃-1；E（t）为t 时刻砼弹性模量（MPa）；ΔTnb（t）为t时砼内表温差（℃）；Kp为应力松弛系数，无试验数据时取0.5。

另外，在锚碇施工过程中严格按照温控情况采取覆盖保温措施，保证温差在施工允许范围内。砼内表温差监测结果与计算结果对比见表4。

表4 砼内表温差监测结果与计算结果对比℃

由表4可知：内部与顶面温差和内部与侧面温差均小于计算所得内部与外表温差，处于相对安全范围，有效减小了砼因温差而导致的开裂风险。

2.3 温峰与收缩控制

在降温阶段，由于砼内部水化反应基本完成，砼内部温度趋于稳定且较高，而砼表面因与大气直接接触一直处于散热状态，导致砼内表温差较大，在砼内部产生较大压应力，外表则呈现受拉状态；另外，在砼降温阶段砼自身开始收缩，由于底部基础约束导致底部砼产生拉应力；加上砼为抗压设计，拉伸能力很小，温峰越高对砼后期收缩越不利。因此，温峰控制至关重要。由温峰引起的内部拉应力按下式计算：

式中：σcmax为砼内部最大拉应力（MPa）；μ为砼泊松比，可取1／6；E0′为砼内部达到稳定温度或稳定温度龄期时砼弹性模量（MPa）；R为砼基础约束系数；Tmax为温峰（℃）；Tw为砼浇筑块稳定温度或准稳定温度（℃）。

在砼入模温度及水泥水化热确定的情况下，通过预埋冷却水管可起到削减温峰的作用，在前期砼升温阶段适当增加冷却水流量，尽可能多地带走热量，使温峰下降，减少砼因温峰过高造成内部拉应力过大和后期收缩过快引起的裂缝。

2.4 施工间隙期控制

在大体积砼降温阶段，由于自身的收缩受到下面基础的约束，砼收缩过程中容易产生由下而上的贯穿裂缝。通过缩减层与层之间的施工间歇期可缩小上下层砼之间的弹性模量，减小上层砼收缩过程中因底部约束过大产生开裂的风险。

3 君山岸锚碇温控分析

君山岸锚碇基础大体积砼施工中采取的温控措施主要包括：1）在砼浇筑前后对砼原材料温度进行控制；2）做好出机温度、入模温度统计；3）采取覆盖保温措施及冷却水温控措施；4）降温阶段实施收缩控制。同时根据监测情况随时调整温控措施，确保大体积砼施工关键因素在可控范围内。监测过程中如发现内部降温过快（1 h超过0.1℃），则立即减小通水流量或循环通水，升高进水温度；如发现内表温差过大，表面降温过快，则确认现场覆盖情况是否到位并加以落实。某锚块中心点的实测温度变化见图3，计算温度变化见图4。

图3 某锚块中心点的实测温度变化曲线

图4 某锚块中心点的计算温度变化曲线

由图3、图4可知：实际施工中，浇筑完成44 h后砼内部达到最高温度47.6℃，之后进入降温阶段，温升值19.6℃；计算得出最高温度为49.6℃，在浇筑完49 h后到达，之后进入降温阶段，温升值21.6℃。实测温峰与计算温峰相差2℃，温升时长相差5 h。其原因为：1）适当加大前期通水流速，计算采用3 m3／h，实际过程中采用5 m3／h；2）由于施工时气温较高，升温阶段在冷却水箱内适当加冰降低冷却水温度，导致前期升温阶段带走的热量大于计算值，造成温峰降低；同时由于水泥水化反应放热速率与冷却水管散热速率相近时达到温峰，且前期散热速率大于计算值，故到达温峰的时间相对缩短。

如图5所示，各龄期砼抗拉能力也大于砼内部产生的不利温度应力。

通过针对各关键因素采取切实可行的控制措施，该工程在完成底板施工后，经各方验收均未发现温度裂缝。