海河特大桥承台大体积混凝土施工
2017-12-04
现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工，如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。它主要的特点就是结构厚实，混凝土量大，工程条件复杂，施工技术要求高，水泥水化热较大（预计超过25度），易使结构物产生温度变形。大体积混凝土除了最小断面和内外温度有一定的规定外，对平面尺寸也有一定限制。因为平面尺寸过大，约束作用所产生的温度力也愈大，如采取控制温度措施不当，温度应力超过混凝土所能承受的拉力极限值时，则易产生裂缝。裂缝一旦形成，特别是基础贯穿裂缝出现在重要的结构部位，危害极大，它会降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，同时会可能危害到建筑物的安全使用。所以如何采取有效措施防止大体积混凝土的开裂与保持混凝土结构表面无蜂窝麻面，是一个应当高度关注的问题。
1 混凝土裂缝类型及产生的原因
1.1 裂缝分类
大体积混凝土出现的裂缝按深度不同，分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。
（1）表面裂缝主要是温度裂缝，一般危害性较小，但影响外观质量。
（2）深层裂缝部分地切断了结构断面，对结构耐久性产生一定的危害。
（3）贯穿裂缝是由混凝土表面裂缝发展为深层裂缝，最终形成贯穿裂缝，它切断了结构的断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较为严重的。
1.2 裂缝发生的原因
（1）水泥水化热影响，水泥在水化过程中产生了大量的热量，因而使混凝土内部温度升高，当混凝土内部与表面的温差过大时，就会产生温度应力和温度变形。温度应力与温差成正比，温差越大，温度应力越大，当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生裂缝，混凝土内部的温度与混凝土的厚度及水泥用量有关，混凝土越厚，水泥用量越大，内部温度越高。
（2）内外约束条件的影响，混凝土在早期温度的上升时，产生的膨胀受到约束而形成压应力。当温度下降，则产生较大的拉应力。另外混凝土内部由于水泥的水化热而形成中心温度高，热膨胀大，因而在中心区产生压应力，在表面产生拉应力。若拉应力超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会产生裂缝。
（3）外界气温变化的影响，大体积混凝土在施工阶段，常受外界气温的影响。混凝土内部温度是由水泥水化热引气的绝热温度，浇筑温度和散热温度三者的叠加。当气温下降，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度，产生温差和温度应力，使混凝土产生裂缝。
（4）混凝土的收缩变形，混凝土中的80%水分要蒸发，约20%的水分是水泥硬化所必需的。而最初失去的30%自由水分几乎不引起收缩，随着混凝土的陆续干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干燥收缩，而表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢。由于表面的干缩受到中心部位混凝土的约束，因而在表面产生拉应力而出现裂缝。在设计上，混凝土表层布设抗裂钢筋网片，可有效地防止混凝土收缩时产生干裂。
（5）混凝土的沉陷裂缝，支架、支撑变形下沉会引发结构裂缝，过早拆除模板支架易使未达到强度的混凝土结构发生裂缝和破损。
2 工程概况
唐津高速公路扩建工程第一标段海河特大桥分为主桥及两侧引桥，主桥下部结构的中墩基础为承台+群桩基础。采用桩径φ180 cm的钻孔灌注桩，桩长88 m，承台厚度5米，承台下布置5排24根桩。
2.1 主墩承台结构（见图1、图2）
主墩承台为大体积混凝土，混凝土标号为C35，抗冻等级为F250，冻融环境作用等级为E级，抗冻耐久性指数DF值为70%。外加剂为引气型高性能减水剂，掺量为2%；防腐剂，掺量3%。方量为2492.4 m3。根据温控设计和浇筑能力，承台采用一次浇筑。
主墩承台钢筋由直径Φ32、Φ28、Φ12螺纹钢筋组成，共六层钢筋，底部四层钢筋，上部两层钢筋。具体参数如表1。
2.2 工程难点
（1）钢筋数量大，预埋钢筋及预埋构件多，施工难度大。
（2）承台混凝土的浇筑属于大体积混凝土浇筑，有效的避免裂缝的产生是混凝土施工的关键问题。
3 施工技术措施
3.1 施工准备
（1）选用水化热较低的水泥。经过比选，选定冀东盾石牌P.O42.5。
（2）充分利用混凝土中后期强度，尽可能降低水泥用量，经过配合比试配，最终确定掺加粉煤灰及矿渣粉取代部分水泥，保证中后期强度。
（3）严格控制集料级配及其含泥量。粗集料级配范围为5～25 mm，砂子细度模数2.9。
（4）经过反复对比试验选用苏博特高性能减水剂改善混凝土性能，延长混凝土的凝结时间。
（5）混凝土配合比为：每立方混凝土，水泥∶砂∶碎石∶粉煤灰∶矿粉∶减水剂∶防腐剂∶水=250∶785∶1120∶60：70∶7.6∶11.4∶145。
（6）混凝土生产供应准备。
承台在混凝土施工时配有2座拌合能力为120 m3/h的拌合站，3台90 m3/h汽车泵，拌合站的生产效率按照70%考虑，混凝土的浇筑速度为168 m3/h，承台面积498.5 m2，分层厚度30 cm，每层方量150 m3，每层浇筑时间54 min，能够满足初凝时间要求。罐车容量10 m3，每车往返时间60 min，配置罐车15辆。 3.2 大体积混凝土施工的相关计算
（1）绝热升温计算。
Tmax=mc Q/Cρ（公式详见《建筑施工计算手册》612页）
式中：
Tmax为混凝土的最大绝热温升（℃）；
mc为每m3混凝土水泥用量（kg/m3），取250 kg/m3；
Q为每千克水泥水化热量（kJ/kg），冀东盾石牌P.O 42.5水泥，取461kJ/kg；
C为混凝土比热，取0.96[kJ/（kg·K）]；
ρ为混凝土密度，取2450（kg/m3）；
Tmax=mcQ/Cρ=（250×461）/（0.96×2450）=49.0°
（2）承台混凝土内部中心温度计算。
Tmax（t）=Tj+Tmaxξ（t）（公式详见《建筑施工计算手册》614页）
式中：
Tmax（t）为t龄期混凝土中心计算温度，是混凝土温度最高值；
Tj为混凝土浇筑温度，经计算取26 ℃；
ξ（t）为t龄期降温系数，取值如表2。
计算结果如表3。
由上表可知，混凝土第3d左右内部温度最高。
3.3 混凝土浇筑与振捣
承台浇筑3台汽车泵直接泵送。同向分层浇筑，根据浇筑能力、混凝土初凝时间及相关规定，确定分层厚度30 cm。为防止混凝土离散，泵管出口设置串筒（或耐磨帆布袋）。浇筑时周边最先布料，避免形成斜面造成砂浆聚集影响承台保护层质量。
采用分段分层法浇筑，浇筑方向为：从承台短边开始沿长边方向进行，浇筑时，3台泵车所在区域从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，依次向前推进浇筑其他各层。推进方式如图3。
布料点平面图如图4。
混凝土分区布料、振捣，责任到人。混凝土浇筑期间，专人检查预埋钢筋和其他预埋件的稳固情况，松动、变形、移位及时复位并固定好。
底层4层钢筋范围内的混凝土浇筑时，在适当位置设置人孔，人员进入承台内部进行振捣，采用插入式振动器振实。移动间距不超过振动器作用半径的1.5倍，与侧模保持50～100 mm的距离，插入下层混凝土50～100 mm；每一处振动完毕后边振动边徐徐提出振动棒；避免振动棒碰撞模板、钢筋及其他预埋件。
每一振动部位，振到密实为止，密实的标志是：混凝土停止下沉，不再冒气泡，表面平坦、开始泛浆。
3.4 混凝土表面处理
（1）混凝土浇筑时采取引流法及时排除泌水，引流法是在浇筑过程中将混凝土泌水适当集中，采用排水工具人工排除泌水。
（2）混凝土表面浮浆较厚时，人工刮出。
（3）混凝土浇筑后，表面采用刮杠刮平，木抹子搓平。考虑尽量消除混凝土收缩裂缝，混终凝前多次抹光，恢复收缩裂缝，避免产生永久裂缝。
（4）承台顶面与主墩、临时墩相结合的部位，凿毛处理。
3.5 混凝土养护
混凝土浇筑完成后采取内排外保的方法降低内外温差，内排是在混凝土内部预埋冷却管，浇筑完成后通水循环，每层混凝土浇筑完毕之后需不间断通水14天，利用预埋冷却管循环水加速混凝土内部热量散发，水化热被冷水吸收并被排出；冷却循环的热水部分用于混凝土的养生。外保即在混凝土表面铺盖土工布，定时在土工布上洒水，保证混凝土面处于湿润状态，使内外温差保持在较小的范围，根据温控情况，增设覆盖塑料布等其他材料进行保温，避免在大体积混凝土内部因过高的温度应力而产生温度裂缝。
冷却水管布置图如图5图6。
（1）冷却管采用A42 mm黑铁管、壁厚 3.5 mm，按蛇形布置，布置5层，每层设置2个进水口，2个出水口，进水够集中布置在承台一侧，适当错开，以便于统一管理。冷却水管距承台混凝土顶和底边缘50 cm，距承台混凝土边侧60 cm。冷却管工程数量表如表4。
（2）冷却水管直接头采用套扣连接，并裹上防水胶布；弯接头采用专用接头连接，并裹上防水胶布。做到管道通畅、接头牢靠、不漏水、阻水，冷却管安装完成后，混凝土浇筑前进行通水检查。
（3）将其按设计位置固定在架立钢筋上，或者增加横向钢筋将冷却管固定其上，如图7。
（4）冷却水管从水管被混凝土覆盖后开始通水，连续通水14天，具体结束时间视混凝土温升、温降情况而定。
（5）冷却水采用海河水，水泵抽水至蓄水池，蓄水池放置于平台顶面，靠位能将水送至冷却水管中，每个进水口设置流量调节阀。冷却管通水后，确保水源和流量，不得发生停水事故。温控完成后，用水泥浆对水管进行压浆处理。进出水口布置示意图如图8。
3.6 温控监测
（1）温度检测的目的，根据测温点数量和深度选用长度规格合适的测温线，预埋时可用钢筋等杆件作支承物，将测温线按照纵向测温点距离绑在支承物上，温度传感器与支承物之间应做隔热处理。浇筑混凝土时，插头留在混凝土外面并用塑料袋罩好，避免潮湿，保持清洁。为便于操作，留在外面的导线长度大于20 cm。测温时，按下主机电源开关，将测温线插头插入主机插座中，主机显示屏上即显示相应测温点的温度。通过测温点温度测量，掌握内部各测点温度变化，以便及时调整冷却水管冷却水的流量，控制温差。
（2）温控监测设计，测温仪器采用JDC-2型便携式建筑电子测温仪。仪器技术指标如下。
①测温范围：-30℃～+130 ℃。
②测温误差：≤0.5 ℃（与测温探头配合）；≤1.0 °C（与测温线配合）。
③分辨率：0.1 ℃。
布点按照突出重点、兼顾全局的原则。根据结构的对称性和温度变化的一般规律，测温孔主要布置在相互垂直的两个中心断面上，每个中心断面又以其中半个断面为重点。由于圆端形承台两端完全对称，只在其中的1/4预埋测温线。
测点布置应具有代表性：沿竖向布置四层。顶层布置在承台顶面以下0.25 m处，底层布置在承台底面以上0.25 m处，中间层间距1.5 m，每层布置9个测点，另在大气中及混凝土表面各布置两个测点。测点平面布置图如图9。
（3）温度监测的内容：环境温度每天测四次，混凝土入模温度的测量每台班不少于2次，养护期对混凝土的测温，前3d每2h测一次，4～7d每4h测一次，后一周每6h测一次，每次测温均应做好记录。
测温目的是控制以下指标：
①混凝土入模板温度不大于28 ℃。
②混凝土里表温差不大于25 ℃。
③混凝土表面与大气温差不大于20 ℃。
3.7 其他降温措施
（1）选择环境气温较低的晚上浇筑混凝土。
（2）水泥储罐需定时喷水降温。
（3）拌合用水在混凝土开盘前的半小时，从机井中抽取地下水，存储于蓄水池内，并在蓄水池内加冰，降低拌合水温度。
（4）拌合站及现场对混凝土罐车车身喷水冷却。
4 结语
海河特大桥承台自18：00起浇筑，至次日13：20结束，历时19时20分，浇筑方量2300 m3，浇筑过程中通冷水降温，温度监测结果表明：混凝土入模温度均小于28 ℃，水化热峰值出现在第三天上午11：30，此时第三层温度最高为55.7 ℃。内表温差最大值为21.9 ℃。表面与气温最大温差19.2 ℃。温度控制均符合控制指标。且施工前期准备充分，施工中各施工步骤严谨，养护到位，拆模后混凝土未发生裂缝现象，外观、强度等表现良好。由此可见大体积混凝土结构裂缝预防和控制是一项系统工程，必须从材料、施工和维护三个方面加综合解决。材料配置，施工组织方面，要科学组织，合理安排，确保大体积砼的质量，严格按照施工规范，施工操作规程操作，不断改进操作工艺，加强养护，以预防和减少大体积砼裂缝的产生，将工程裂缝损害控制到最小程度。
参考文献
[1] 迟陪云.大体积混凝土开裂的起因及防裂措施[J].混凝土，2001.
[2] 市政公用工程管理与实务[M].全国一级建造师执业考试用书编写委员会.317-318.
