摘要: 文章介绍了某大桥在北锚碇工程的施工过程中,采用了冷却水管降温、原材料降温、混凝土施工过程控制等多项温控措施,大体积混凝土的温度控制取得了良好效果,成功地避免了混凝土有害裂缝的出现。
关键词: 桥梁工程；混凝土；温度控制；监测
某较大跨度的双塔悬索桥,全长2725m,北锚碇工程属于主桥悬索主拉应力承担系统,北锚碇临江不足300m,长70.5m,宽54m,高46m,基坑最大开挖深度近50m。
北锚碇混凝土总量达87440m3, 锚固系统及前后锚室左右分离,锚体连为整体。整个锚碇平面分4 块,竖向分19 层连续施工。
散索鞍支墩(标高30.2m 以上)采用C40 混凝土,2368m3;锚块、散索鞍支墩及基础、前锚室、散索鞍支墩(标高30.2m 以下部分)均采用C30 混凝土,80412m3;后浇段采用C30 膨胀混凝土,为4660m3,锚碇全部为S12 级防渗混凝土。
锚碇施工的特点是:混凝土量大,持续时间长,施工期长,经历一年中的最高温度季节。混凝土属于大体积混凝土,强度等级高,由于水泥的水化热作用,混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期3 个阶段,大体积混凝土温度控制技术非常关键。
1 配合比设计
为保证大体积混凝土施工质量,施工时选用低水化热品种的水泥,水泥应进行水化热试验比较后方可使用。在混凝土混合料中掺入适量的粉煤灰和缓凝型外加剂,以降低水泥用量和减少水化热。
1.1 原材料
（1）水泥。采用32.5 级低热矿渣水泥,散装入场,使用温度不得超过50℃,否则须采取措施降低水泥温度,如要求水泥生产厂家放置一段时间后发货。
（2）粉煤灰。采用Ⅰ级粉煤灰,质量应符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》GB1596291 的规定。
（3）砂。含泥量≤1%,细度模数2.3～3.1,属Ⅱ区级配范围,其它指标必须符合规范规定,砂来源必须稳定,砂入场后应分批检验。
（4）石。5～31.5mm连续级配碎石,级配应优良,来源应稳定,必须分批检验并严格控制其含泥量不超过1.0%,如果达不到要求,必须用水冲洗合格后使用,其它指标必须符合规范要求。
（5）外加剂。采用NF 系缓凝型高效减水剂。
（6）水。拌合用水的水质通过严格检验并符合有关规范规定。
1.2 “双掺”技术
为改善混凝土性能,同时掺加粉煤灰和减水剂,对于大体积混凝土,粉煤灰取代了部分水泥,使得混凝土的水化热降低,可以有效地防止温度裂缝。锚碇混凝土中采用的粉煤灰为磨细的Ⅰ级灰,外加剂为NF 型缓凝高效减水剂。
1.3 配合比
泵送混凝土应具有良好的和易性和粘聚性, 不离析、不泌水。初始坍落度控制在18cm左右,初凝时间为(25±3)h。为满足以上施工要求,确保施工质量,对锚碇大体积混凝土配合比进行大量试验,按材料实际情况,优选出配合比;同时结合现场施工和材料情况,对配合比进行调整。根据设计要求和有关规范规定,锚碇大体积混凝土采用标准养护条件下60d 龄期的抗压强度作为验收和评定的依据。最终优选的配合比如表1 所示。
2 温度控制设计
（1）根据以往工程实践，大体积混凝土升温时间较短，一般在浇筑后的2~3d 内，其间混凝土弹性模量低、基本处于塑性与弹塑性状态，约束应力很低，当水化热温升至峰值后，水化热能耗尽，继续散热引起温度下降，随着时间逐渐衰减，延续10 余天至30 余天。混凝土降温阶段，弹性模量迅速增加，约束拉应力也随时间增加，在某时刻如超过混凝土抗拉强度便出现贯穿性裂缝。因此控制降温曲线对保证大体积混凝土施工质量尤为关键，但该问题属于热传导的混合边值问题，理论求解相当冗繁，且由于许多施工条件难以预测，理论结果亦很难严格。 现国内施工界普遍采用王铁梦于《工程结构裂缝控制》专著中根据多年现场实测数据统计而成的经验公式，偏于安全地以截面中部最高温度降温曲线代替平均降温曲线，求解近似值。因该公式经多年施工实践证明与实际情况基本吻合。本工程亦按此选取最大结构物浇注最大厚度进行近似计算，作为工程预控指标，并借此提出保温与降温措施。
（2）为防止混凝土施工过程中因温度应力、干缩应力等产生开裂,对大体积混凝土进行温控设计。设计单位对北锚碇进行了仿真计算,模拟混凝土实际施工过程,考虑混凝土的分块、分层浇筑及浇筑温度,施工间歇期、混凝土水化热的散发规律、养护方式、冷却水管降温、外界气温变化、混凝土徐变等复杂因素。结合近年工程经验：混凝土最高温升值一般发生于浇灌后2~3d 的白天，估计室外温度约在30℃，则混凝土中心温度峰值与表面大气温差约在58.5℃，仍需采取相应的保温措施，以保证从混凝土中心至大气的温差梯度及混凝土本身的降温梯度满足合理的预控指标。
在仿真计算的基础上, 制定了混凝土在施工期间不产生温度裂缝的温控标准:①混凝土浇筑温度不超过28℃;②混凝土最大水化热温升C30 混凝土不超过31℃,C40 混凝土不超过35℃;③混凝土内表温差不超过25℃;④相邻混凝土温差不超过25℃。3 温度控制措施及现场控制
3.1 混凝土浇灌前准备
混凝土浇灌计划安排应考虑天气状况，及时联系气象台，取得近期的天气状况，避免雨天施工影响混凝土施工质量，同时足够的抽水设备和防雨物资。
3.2 混凝土的分块分层
锚碇分锚块和散索鞍支墩及基础4 块单独施工, 块间设置2m 宽的后浇带,每块分层浇筑,层厚2m 左右,锚块、散索鞍及其支墩均各分19 层。如图1 所示。
按分块示意图进行施工时, 各块必须严格按规定的分层厚度进行分层浇筑。锚碇混凝土浇筑顺序为:除后浇带外,其余4 块应基本保证均匀上升。后浇带混凝土和微膨胀湿接缝混凝土应在主体混凝土温度基本稳定后浇筑,避免接缝开裂。
3.2 混凝土浇筑温度的控制
混凝土出拌合机,经泵送、振捣等过程后的温度为浇筑温度,控制在28℃以内。在每次混凝土开盘之前,必须严格控制混凝土原材料的温度,要量测水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度,专门记录,计算其出机温度,并估算浇筑温度。
当浇筑温度超过上述控制标准时,必须采取如下措施:混凝土泵管外用草袋遮盖,并经常洒水降温;砂、石料避免太阳暴晒;夏季施工时拌合水中加冰来降低水的温度; 尽量利用夜间浇筑混凝土。冬期施工拌合水用锅炉加热,保证水的温度在10℃以上,确保浇筑温度在5℃以上。
3.3 控制各层浇筑的间歇期
混凝土浇筑间歇期应控制在5～7d, 在底层混凝土内部温度峰值过后才允许浇筑下层混凝土。若因安装预应力管道钢支架,某些块的间歇时间超过7d,应通过验算并有相应调整温控措施。采取的措施为:在间歇期内要加强表面的养护和保温,保持混凝土的湿润状态。
3.4 冷却水管布置及要求
冷却水管采用管径42.3mm、厚3.25mm 的黑铁管,在每层混凝土中均布设2 层冷却水管,冷却水管水平及竖向间距均为1m左右。冷却水管布设后应进行压水试验,防止管道漏水;在混凝土浇筑至水管标高后立即开始通水,连续通水8～10d,在此期间若混凝土降温速率超过1.5℃/d,则停止通水;严格控制进水温度,在保证冷却水管进水温度与混凝土内部最高温度之差不超过25℃的条件下,尽量使进口水温最低;在气温较高时,冷却水应使用静置后的集水池内的水,气温较低或冬季施工时,应使冷却水管出水回至集水池内,使进口水温适当升高,以控制温差。
3.5 混凝土保温及养护
（1）各层混凝土顶面待混凝土终凝后进行养护,用湿麻袋覆盖,时间持续到上层混凝土浇筑,浇筑前各层间水平接缝按施工缝进行处理,表面凿毛、清洗干净。在面层混凝土浇筑完成后，将混凝土表面振捣抹平后及时覆盖塑料薄膜或湿草帘、湿麻袋，对混凝土进行保湿养护。接缝得搭接盖严，避免混凝土水份蒸发，保持混凝土表面于湿润状态下养护，混凝土终凝后持续浇水养护14d。气温较高时(日最高气温超过20℃)侧面可不用保温,但各暴露的侧面拆模后必须进行喷淋养护(可采用冷却水管出水),保持混凝土面潮湿,防止干缩裂缝的产生。当混凝土内表面温差超过温控标准或寒潮来临及冬季施工时, 混凝土各侧面应进行表面保温覆盖。
（2）如水温与混凝土表面温差在20℃以上时，测温人员及时将测温结果反馈于工程技术部，由项目部对蓄水进行应急措施：
①由养护人员负责烧开水，并运至现场，与蓄水溶合；
②由二线配合人员拉灯牵线，采取点钨灯取暖升温措施。
（3）如遇大风天气，需采取搭设防风棚措施，简易防风棚采用DN48*3.5 标准钢管及雨布制作，由架工与普工协同落实。加密测温时间间隙，并视测温情况采取第3.5.2 条措施。
（4）混凝土浇灌过程中或浇筑后，特别是混凝土开始处于降温阶段时，如遇大雨甚至暴雨天气，应提前搭设防雨棚，搭设材料与人员配置同第3.5.2 条。
3.6 混凝土的现场施工控制
为确保大体积混凝土施工质量, 提高混凝土的均匀性和抗裂能力,必须加强对混凝土每一环节的施工控制,要求现场人员必须从混凝土的拌合、运输、浇筑、振捣到养护、保温整个过程实行有效监控。混凝土施工严格按照《公路桥涵施工技术规范》JTJ041- 2000 进行,并应特别注意以下方面:
（1）混凝土拌制配料前,各种衡器应请计量部门进行计量标定,称料误差应符合规范要求。应严格控制新拌混凝土质量,使其和易性满足施工要求。坍落度检验应在出机口进行,拒绝使用坍落度过大和过小的混凝土料。及时检测粗、细骨料的含水率,遇阴雨天气应增加检测频率,随时调整用水量。
（2）浇筑混凝土前应对模板、钢筋、预埋件、监控元件及线路等进行检查,检验合格后才能开盘。
（3）混凝土应按规定厚度、顺序和方向分层浇筑,必须在下层混凝土初凝前浇筑完毕上层混凝土。如因故停歇,时间超过初凝时间时,仓面混凝土应按施工缝处理。混凝土分层浇筑厚度不宜超过400mm。
（4）浇筑混凝土时,应采用振动器振实。使用插入式振动器时,移动间距不应超过振动器作用半径的1.5 倍,与侧模应保持5～10cm 距离,避开预埋件或监控元件10～15cm,插入下层混凝土5～10cm;对每一部位混凝土必须振动到密实为止,密实的标志是混凝土停止下沉,不再冒气泡,表面平坦、不泛浆。
（5）在浇筑混凝土过程中,必须及时清除仓面积水。
3.7 现场监测
为做到信息化温控施工,出现异常情况能及时调整,在混凝土内部布设温度测点。
（1）温度测试。根据锚碇结构特点和温度场计算结果,在各层埋设温度传感器,温度测试点位于层厚1P2 处,并同时检测大气温度、混凝土浇筑温度,各冷却水管进、出口水温。
（2）测试仪器。温度传感器为PN 结温度传感器,温度检测仪采用PN24C 型数字多路自动巡回检测控制仪。温度传感器主要技术性能:测温范围- 50～+150℃;工作误差±015℃;分辨率011℃。
（3）现场测试要求。在混凝土浇筑前完成传感器的埋设及保护工作,并将电缆引至测试房,保护材料主要为角钢和塑料泡沫。各项测试应在混凝土浇筑后立即进行,连续不断。混凝土的温度测试,峰值以前每2h 观测1 次,峰值出现后,每4h 观测1 次,持续5d,转入每天测2 次,直至基本稳定。每次检测完后及时填写混凝土测温记录表。
4 混凝土温度控制效果
（1）北锚碇混凝土配合比选择是大体积混凝土温控工作的首要环节,原材料的选择尤其关键;粉煤灰掺量、外加剂品种及掺量是在大量水化热试验基础上选定的, 保证了混凝土的低热性,能有效防止产生温度裂缝。温度检测结果显示:C30 混凝土最大水化热温升一般不超过30℃,C40 混凝土最大水化热温升一般不超过35℃,满足了温控设计的要求。
（2）温控措施是在严格温控计算基础上确定的,既注重温控效果,又保证了工期和施工方便。混凝土浇筑温度的控制根据施工现场条件因地制宜,在北锚碇施工过程中正是高温季节,采用控制原材料的温度来降低浇筑温度,对碎石采用浇水降温,冰水搅拌混凝土,简单易行,效果明显,能降低浇筑温度4℃,保证了温控效果。
（3）冷却水管进、出水口温差的平均值为7.5℃,冷却水管起到了早期削减温峰值及防止温度回升的效果。
（4）综合温度检测结果,北锚碇大体积混凝土施工期间各种温控措施发挥了良好的效果,达到了预控目的,基本满足温控标准要求。
参考文献
[1]《公路桥涵施工技术规范》JTJ041- 2000.
[2]铁梦于《工程结构裂缝控制》专著.
[3]《西堠门大桥南锚碇大体积混凝土温度控制》<<公路>>2001 年06 期作者 经德良.
