[ 摘要] 在特高压1 000 kV 黄河大跨越施工中, 跨越塔N3 基础设4 个承台基础及连梁, 混凝土方量大。为满足高标准的要求, 决定采取不设施工缝、一次性浇注成形的方案。在施工中, 为避免水泥水化热、温度应力和混凝土的收缩变形产生有害裂缝, 制定了详细的技术措施和施工方案, 在原材料选用与配合比设计、混凝土供应与浇筑、混凝土内部温度检测与表面养护等方面采取了有效的措施, 取得了满意的效果。
[ 关键词] 特高压; 黄河大跨越塔; 大体积混凝土施工
中图分类号: TM835 文献标志码: B 文章编号: 1000- 7229 ( 2008) 01- 0009- 04
1 工程概况
黄河大跨越是1 000 kV 晋东南—南阳—荆门输电线路工程的重要组成部分, 采用耐- 直- 直- 直-耐方式跨越黄河, 主跨档1 220 m, 跨越段线路3.651km, 单回路架设。跨越塔呼高112 m, 全高122.8 m。
1 000 kV 黄河大跨越跨工程跨越塔N3 基础工程共4 个承台基础及连梁, 单基跨越塔承台混凝土体积为1 900 m3, 连梁混凝土体积为60 m3; 混凝土设计强度等级C30。基础施工中地脚螺栓为高强度螺栓M76 mm×2 400 mm ( 42CrMo) , 随承台一起浇筑。承台长15 m, 宽15m, 高2.1 m; 连梁宽1.6 m, 高1.6 m, 长5.88 m, 连接4 个承台, 单个承台混凝土方量为475 m3, 4 个承台及连梁混凝土总方量1 960m3。为了满足特高压工程高标准的特殊性要求, 我们在传统施工技术上进行创新, 决定不设施工缝, 一次性浇注。同时为了达到镜面混凝土的要求, 与有关厂家合作攻关特制了承台钢模板, 并在阳拐处倒角, 避免因应力集中而损坏混凝土边角。
2 大体积混凝土裂缝成因分析
大体积混凝土裂缝一般在混凝土浇注后短期内形成, 主要是因为水泥的水化作用是放热反应, 大体积混凝土自身又具有一定的保温性能, 在混凝土升温至峰值后的降温过程中, 内部降温速度比表层慢得多, 各部分的温度变形产生的相互约束及外界约束的共同作用, 使得混凝土内产生的温度应力相当复杂; 同时气温变化和浇注后的养护方式对混凝土裂缝的产生有一定影响。一旦温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值, 混凝土就会出现裂缝。
大体积混凝土结构裂缝的发生是由多种因素引起的。在施工过程中考虑了下述因素, 并采取了相应的措施。
2.1 水泥水化热
水泥在水化过程中要释放出一定的热量, 而大体积混凝土结构断面较厚, 表面系数相对较小, 所以水泥发生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去, 以至于越积越高, 使内外温差增大。由于混凝土结构表面可以自然散热, 内部的最高温度多数发生在浇筑后最初的3~5 天。
2.2 温度应力
温度应力是由于温差引起的变形造成的, 温差愈大, 温度应力也愈大。同时, 在高温条件下, 大体积混凝土内部的最高温度一般可达60~70 ℃, 并且有较长的延续时间。
2.3 混凝土的收缩变形
混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。当混凝土这种自发变形受到外部约束时( 支承条件、钢筋等) , 将在混凝土内部产生拉应力,使得混凝土开裂。
3 大体积混凝土施工热工计算
黄河大跨越承台施工时间在5 月下旬, 需全面考虑施工温度对混凝土质量的影响。判断混凝土施工温度对混凝土质量的影响有2 个主要指标, 即混凝土中心最高温度与表面温度的差、表面温度与大气温度的差均不应大于25 ℃。超过25 ℃需对混凝土原材料及施工温度、水化温度采取控制措施。
在制定方案初期, 项目部做了混凝土配比单, 普通硅酸盐水泥P.S42.5: 380 kg; 中砂: 707 kg; 10～25mm 石子: 1 153 kg; 水: 188 kg; 水灰比0.50; 外加剂( 缓凝高效减水剂建3B 型) : 3.9 kg。
3.1 混凝土温度的计算
先求混凝土的最终绝热温升:
Th=WQ/(Cρ)=380×377/( 0.96×2 400) =62.2( ℃)
式中W———单位体积混凝土水泥用量, 取380kg/m3;
Q———水化热, 取377 kJ/kg;
C———混凝土比热, 取0.96 kJ/( kg·℃) ;
ρ———混凝土密度, 取2 400 kg/ m3。
查降温系数ξ值, 可求出不同龄期的水化热温升( ξTh) , 不同龄期的混凝土温度值见表1。
3.2 温度应力计算[1]
σ=E( t)×α×ΔT×S( t)×R/( 1- Vc) =2.55×104×1.0×10- 5×14.4×0.57×0.44/( 1- 0.15) =
1.08 N/mm2<1.1 N/mm2
式中σ———混凝土的温度应力, N/mm2;
E(t)———混凝土从浇筑后至计算时的弹性模量,N/mm2;
α———混凝土的线膨胀系数, 取1.0×10- 5;
ΔT———混凝土的最大综合温差绝对值;
S( t)———考虑徐变影响的松弛系数, 按混凝土松驰系数表选用;
R———混凝土的外约束系数, 一般地基取0.25～0.50;
Vc———混凝土的泊松比。
由计算可知, 不会因降温时混凝土收缩引起收缩裂缝。
4 混凝土裂缝的预防措施
4.1 精心设计配合比
精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性能的情况下, 应尽可能地降低混凝土的单位用水量, 采用“三低( 低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺( 掺高效减水剂和高性能引气剂) ”的设计准则,生产出高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值的抗裂混凝土。
4.2 正确选用水泥
工程中选用水化热较低的建筑牌P.S42.5 矿渣硅酸盐水泥。同时在配合比中注意尽量降低混凝土中的水泥用量, 以降低混凝土的温升, 提高硬化后体积的稳定性。
4.3 正确选用粗细骨料
在选择粗骨料时, 工程中选用了10～25 mm 石子, 既可以减少用水量, 也可以相应减少水泥用量,还可以减小混凝土的收缩和泌水现象。
在选择细骨料时, 选择平均粒径较大的中粗砂,细度模数为2.8, 从而降低混凝土的干缩, 减少水化热量, 对混凝土的裂缝控制有重要作用。
4.4 合理掺加外加剂
工程中选用了缓凝减水剂建3B 型, 可减少拌和用水10%左右, 相应地也减少了水泥用量, 降低了混凝土水化热; 并且使混凝土缓凝, 保证混凝土初凝时间大于6 h, 以推迟水泥水化热峰值的出现, 使混凝土表面温度梯度减少, 可使混凝土抗裂性能提高。
5 施工过程控制措施
5.1 控制混凝土入模温度
入模温度的高低, 与出机温度密切相关, 另外还与运输工具、运距、转运次数、施工气候等有关。
在施工现场对堆在露天的砂石用布覆盖, 以减少阳光的辐射, 同时对浇筑前的砂石用冷水降温, 拌合站用水采用地下井水, 温度在4 ℃左右。采用多存放几天的水泥, 施工时进行通风, 降低水泥存放温度, 使入模混凝土温度控制在28 ℃以下。
混凝土拌合采用2 套JS750 及JS500 强制式混凝土搅拌站, 每小时生产能力30 m3, 2 台生产能力为60 m3; 8 台8 m3 的混凝土输送车送料, 平均每小时入仓能力达40 m3。N3 承台混凝土1 960 m3 总浇筑时间控制在60 h 之内。
采用2 台混凝土泵车布料, 严格控制混凝土的浇筑速度, 一次浇注的混凝土不可过高、过厚, 以保证混凝土温度均匀上升。保证振捣密实, 严格控制振捣时间、移动距离和插入深度, 严防漏振及过振。
5.2 采用科学浇注流程
浇注流程: 混凝土浇筑采用“分段定点, 薄层浇筑; 斜面分层、循序推进; 一次到顶、最后合拢”的方法。每个浇筑薄层浇筑长度按2 m 控制, 具体浇筑分层见图1 所示。
浇注方向为从A 腿承台分斜层浇筑。A 腿浇完后通过两边的连梁, 分别向B、D 腿浇筑, B、D 腿的承台浇完后, 通过连梁分别向C 腿浇筑, 最后将C 腿承台浇筑完成, 不留任何施工冷缝。浇注顺序见图2。
为了紧密配合施工进度, 确保混凝土的连续均匀供应, 经过周密的计算和准备, 配备了8 辆8 m3搅拌车和2 辆三菱泵车, 始终保持了稳定的供应, 基本上做到了泵车不等搅拌车, 搅拌车不等泵车, 未发生堵泵现象。
5.3 加强浇注后混凝土养护[2]
传热系数计算式:
β=1/( Σδi/λi+1/βq)
式中δi———各种保温材料的厚度, m;
λi———各种保温材料的导热系数, 详见导热系数表, W/(m·K) ;
βq———空气层传热系数, 取23 W/(m2·K) 。
混凝土虚设厚度计算式:
h′=K×λ混凝土/β
式中λ混凝土———混凝土的导热系数, 此处可取2.33 W/(m·K) ;
β———混凝土模板及保温层的传热系数W/(m2·K) ;
K———计算折减系数, 根据试验资料可取0.666。
温度计算中采用的计算厚度为:
H=h+2h′
式中H———混凝土的计算厚度;
h———混凝土的实际厚度;
h′———混凝土的虚厚度。
设2 层草袋总厚3 cm, λ草=0.14 W/(m·K) , 其传热系数β可按下式求得;
β=1/( Σδi/λi+1/βq) =1/( 0.03/0.14+1/23) =3.88 W/(m2·K)
此时虚设厚度:
h′=K×λ混凝土/β=0.666×2.33/3.88=0.4(m)
H=h+2h′=2.1+2×0.4=2.9(m)
混凝土表层温度计算:
Tc=Tq+4×h′×(H- h′) ×( Tmax- Tq) /H2=26+4×0.4×( 2.9- 0.4) ×( 66.4- 26) /2.92=
45.2(℃)
式中Tmax———混凝土中心最高温度, ℃。
因Tmax- Tc=21.2 ℃>20 ℃, 故需要保温。
混凝土抹压后, 当人踩在上面无明显脚印时, 随即用塑料薄膜覆盖严实, 不使透风漏气、水分蒸发散失带走热量。且在薄膜上盖2 层草袋保湿保温养护,以减少混凝土表面的热扩散, 减少混凝土内外温差。
经实测混凝土3 天内表面温度在48～55 ℃之间, 且很少发现混凝土表面有裂缝情况。
5.4 加强浇注后混凝土监控
从混凝土浇筑完成到终凝这段时间的养护对混凝土而言十分重要。混凝土浇筑完毕后, 在其顶面及时加以覆盖, 要求覆盖严密, 并经常检查覆盖保湿效果。其主要作用有二: 一是蓄水保温, 防止表面水分蒸发和抵抗受太阳辐射与刮风时温度骤变, 二是保持内外温差的稳定。
5.4.1 温度监控的最终目的是为了掌握混凝土内部的实际最高温升值和混凝土中心至表面的温度梯度, 保证规范要求的内部与表面的温差小于25 ℃及降温速率。
5.4.2 温度是直接关系整个混凝土基础质量的关键。为了客观反映混凝土温度状况, 对自然温度、混凝土内部温度、混凝土表面温度等3 个项目进行测试, 便于及时调整温控措施。
5.4.3 每个承台立柱边0.5 m 和承台边1 m 处位置, 距承台下底面200 mm 承台中间和距承台上表面100 mm 处, 分别各预埋1 个电子测温线。每基塔共布置24 个测温线, 由专人负责连续测温2 周。前1 周每间隔2 h 测1 次, 比规范规定每8 h 测2 次的频率要大些; 后1 周每间隔4 h 测1 次。
本工程采用DM6801A 便携式建筑电子测温仪测温。实测结果如表2。
6 结语
对于混凝土裂缝, 应以预防为主, 上述各项技术措施是相互联系、相互制约的。施工中必须结合实际、全面考虑、合理采用, 才能起到良好的效果。
6.1 混凝土强度按《混凝土强度检验与评定标准(GBJ107—87)》进行了测试, 属合格。
6.2 由于采用了“双掺技术”(缓凝减水剂和高性能引气剂), 合理选择原材料, 延缓了凝结时间, 减少了坍落度损失, 改善了混凝土和易性和可泵性。使得混凝土在高温、远距离运送条件下仍能顺利泵送。
6.3 根据对混凝土裂缝成因的分析以及热工计算,精心制定大体积混凝土施工方案, 加强养护及监控,混凝土内外温度连续测2 周, 混凝土中心最高温度出现在浇注后的3～5 天, 与文献介绍的一致。内外温差仅为22 ℃, 且低于规范规定的不得大于25 ℃( 如温差超过25 ℃, 则需采取降温措施) 的要求。
6.4 经各有关单位的严格检查, 未发现有害裂缝(仅表面有个别收水裂缝)。混凝土密实平整光洁, 无蜂窝麻面。
7 参考文献
[1] 江正荣.建筑施工计算手册.北京: 中国建筑出版社, 2001.
[2] 叶琳昌, 沈义.大体积混凝土施工.北京: 中国建筑出版社, 1987.
