大体积混凝土温控技术？

Question

如题所述

Answer 1

大体积混凝土施工时，由于水泥水化过程中产生大量的水化热，由内向外传递，使混凝土内部温度逐步升高，而边缘受气温影响而降低，造成混凝土内表温差而产生温度应力。本文通过国内第一大承台，即五河口特大桥主墩承台近万方混凝土浇筑，在温控方面取得的成功经验，介绍岩搭大体积混凝土温控设计、监控、实施步骤，探索防止温差裂缝的方法。
1. 温控项目概述
五河口斜拉桥位于江苏淮安京杭运河、废黄河等五条河交汇处，故名五河口特大桥，其主塔承台平面尺寸为49.5m×33.1m的矩形截面，高6m。该承台号称国内第一大承台，混凝土方量9830m3，分两次浇筑成形，第一次浇筑厚度3.2m，混凝土5240m3，第二次浇筑厚度2.8m，混凝土4590m3，混凝土设计强度C30。混凝土浇筑过程中，由于水泥水化热作用，承台内部温度经历升温期、降温期、稳定期三阶段，与此同时混凝土的弹性模量不断增长，由于早期弹模较低，产生的压应力很小，而后期弹模增大，产生的拉应力较大使混凝土内部形成拉应力。如果该应力超过其抗裂能力，混凝土就会开裂。而施工时间11、12月，正值当地年最低温季节，混凝土表面受气温影响而降温，更加剧了内外温差幅度，因此必须对承台大体积混凝土采取温控防裂措施。经对承台混凝土内部温度场及仿真应力场计算，制定不出现有害温度裂缝的温控标准，并据此制定温控措施。
2. 承台大体积混凝土温控计算
温控计算采用《大体积混凝土施工期温度场及仿真应力场分析程序包》进行。该程序模拟混凝土施工情况，不仅考虑混凝土的浇筑分层、浇筑温度、养护、保温和混凝土的边界条件，而且考虑混凝土的弹性模量、徐变、自生体积变形、水化热散发规律等物理热学性能。计算参数根据招标文件、图纸和施工经验取值，施工时根据现场情况重新验算。
2.1 计算条件
2.1.1 根据承台结构特点，取1/4计算；混凝土分二次浇筑，浇筑厚度为3.2m和2.8m；
2.1.2 气象资料：气温、水温根据资料取值，浇筑时间11、12月，上年同期温度最高16.5℃，最低-8.7℃；平均风力按6m/s考虑。
2.1.3 承台内部用冷却水管控温（图1,2）；混凝土终凝后顶面洒水保温养护，侧面用5cm厚泡沫板保温。
2.1.4 C30混凝土弹性模量、热学参数、干缩变形和自生体积变形等按规范和经验取值。并考虑混凝土的徐变引起的应力松弛作用；混凝土泊松比为0.167，比热为1.0kJ/kg。取值见表1,2,3,4。[2]
2.1.5 根据混凝土配合比，计算混凝土绝热温升为40℃。
2.2 混凝土材料参数及数值模型
混凝土材料参数参考设计规范及试验结果。计算中使用的绝热温升、弹性模量、徐变度拟合公式分别为：
2.2.1 水泥水化热：水泥水化热公式取双曲线函数 θ=θ0(1-е-m1 tm2) （2-1）
式中：θ0－最终绝热温升，τ－时间，m1, m2 －参数。
2.2.2 弹性粗拆拿模量：弹性模量随时间的增长曲线采用四参数双指数形式，即E(τ)=E0 + E1(1－e－ατβ) （2-2）
式中：E0初始弹模；E1最终弹模与初始弹模之差；α,β与弹模增长速率有关的两个参数，其值分别取0.14和0.17。
2.2.3 徐变度：根据工程经验，C30混凝土徐变度如下（单位：10-6／MPa）：（2-3）
3. 计算结果及分析
3.1 温度场主要特征
混凝土浇筑后2～3天即达到温度峰值，温峰持续1天左右开始下降，初期降温速率较快，以后逐渐减慢，15～20天后降温平缓，温度趋于稳定状态。混凝土内部最高温度约51℃，温度分布为中部高，四周较低。
3.2 应力场主要特征
根据计算结果，承台各层混凝土主要龄期的最大主拉应力见表5，混凝土早期（14天左右）最大温度应力为1.60MPa，而此时C30混凝土抗拉强度一般应大于2.0MPa（见表6），抗裂安全系数k＞1.5，后期也有1.5倍以上的抗裂安全系数。如果混凝土施工质量良好，不会产生有害温度裂缝。
根据计算结果，承台内部温度应力呈现出四周边缘应力较大，而中间应力较小的特征。
4. 温度控制标准
根据计算结果，在施工期内为保证混凝土不出现有害温度裂缝，宜采取如下温控标准：
4.1 混凝土浇筑温度：指混凝土平仓振捣后，上层混凝土覆盖前，距混凝土表面10～15cm处温度，浇筑温度≤25℃；
4.2 混凝土内表温差：指混凝土内部平均最高温度与表面最低温度之差，混凝土内表温差≤25℃；
4.3 混凝土内部最高温度：指混凝土内部平均温度最高值，混凝土内部最高温度≤65℃；
4.4 混凝土降温速率：≤2.0℃/d。
5. 温控措施
5.1 优化混凝土配合比，降低水化热
合理选择混凝土原材料，选择级配良好的砂、石料，选择优良的混凝土外加剂，增强混凝土强度，提高抗裂能力，降低水泥用量，是降低混凝土内部水化热温升的重要环节，因此必须进行混凝土配合比优化设计。
5.1.1 控制原材料质量，减少水泥用量
1）水泥：采用PC32.5水泥，使用温度≤55℃，否则降低水泥温度。水泥分批检验，质量稳定。
2）粉煤灰：根据粉煤灰混凝土技术规范，大体积混凝土可按60d作为混凝土强度等级考核指标，在规范允许范围内尽量增加粉煤灰掺量，以推迟水化热温峰的出现，降低绝热温升，粉煤灰采用Ⅱ级灰。[3]
3）集料：细集料采用江苏宿迁中粗砂，细度模数2.4～2.6，含泥量<2％；粗骨料采用江苏盱眙二级配碎石，5～16mm占30％，16～31.5mm占70％，级配优良，含泥量<2％，其他指标符合规范要求。[1]
4）外加剂：采用缓凝高效减水剂，最大限度降低水泥用量，推迟水化热温峰的出现。掺量0.6%(占胶凝材料)。使用前配成溶液，拌和均匀，做好配制记录；固体外加剂提前分袋称好。[3]
5.1.2 混凝土配合比
由于优化混凝土配合比，选用P.C32.5复合水泥，掺入20%Ⅱ级粉煤灰和超缓凝剂。粗集料采用二级配，选出最低空隙率和最佳级配曲线，在保证强度的前提下，尽量降低胶凝材料用量，从而大大降低了水化热，起到了早期抑制温升的效果。经检测比同等级混凝土最高温度推迟三天左右，最高温度降低30%左右。混凝土强度按60d龄期考核，但14天应达到22.MPa，28天应达到30 MPa。混凝土粘聚性良好，不离析、不泌水，坍落度16-18cm，初凝时间≥35h。
5.2 控制混凝土浇筑温度
混凝土开盘前，测水泥、砂石、水的温度，计算混凝土出机温度，并估算浇筑温度如超过25℃，应在夜间20时以后浇筑，并控制原材料的温度，如骨料遮阳洒水降温，水泥温度过高应要求厂家在出厂前放一段时间。
5.2.1 混凝土的出机温度：T0
T0=（0.20+Qs）WsTs+(0.20+Qg)WgTg+0.20WcTc+(Ww-QsW