荆岳长江公路大桥南塔承台大体积混凝土温度裂缝控制

CONSTRUCTIONTECHNOLOGY

49　

荆岳长江公路大桥南塔承台大体积混凝土

温度裂缝控制

刘　松,邓　波,裴炳志,屠柳青,席华侨,孙砚红

(11中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,湖北武汉　430071;21长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室,湖北武汉　430071;

31荆岳长江公路大桥建设指挥部,湖北监利　433300)

[摘要]通过优化配合比,有限元仿真模拟荆岳长江公路大桥南塔上游承台混凝土结构温度、应力场的分布及发展1

2

3

2

2

2

过程,提出温控标准,并采取控制水泥的进场温度,骨料,泵管遮盖保温,混凝土内部通冷却水冷却,保温养护等措施,控制冬期施工的大体积混凝土温度。现场布设测温元件,实时监测结构物的温度变化,从监测结果和拆模后的情况来看,实测温度和仿真模拟结果吻合,承台混凝土表面未出现温度裂缝,温控效果良好。

[关键词]混凝土;大体积混凝土;温度控制;有限元;冷却水;冬季施工[中图分类号]TU75517[文献标识码]A　　　　[文章编号]100228498(2008)1220049203

ThermalCrackControlTechnologyofMassConcretein

PileCapinJingYueYangtzeRiverBridge

LiuSong,DengBo,PeiBingzhi,TuLiuqing,XiHuaqiao,SunYanhong

1

2

3

2

2

2

(11WuhanHarborEngineeringDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd.ofCCCC,Wuhan,Hubei　430071,China;21KeyLabofLarge2spanBridgeConstructionTechnology,MinistryofCommunication,Wuhan,Hubei　430071,China;

31TheHeadquarterofJingYueYangtzeRiverBridgeConstruction,Jianli,Hubei　433300,China)

Abstract:Thetemperature,thermalstressesdistributionanddevelopmentofpilecapconcretestructurearesimulatedbyfiniteelementinup2stream

ofsouthtowerofJingYueYangtzeRiverBridge.Accordingtothesesimulatingdata,theprincipleoftemperaturecontrolisproposed.Somemeasuresaretakentocontrolthemassconcretetemperatureinwinterconstructionsuchasoptimizingmixratio,controllingtheusedcementtemperature,warmingaggregatesandpumppipes,cyclingthecoolwater,warmedcuredandsoon.Thetemperaturesensorsareembeddedinconcretetomonitorthetemperatureofconcreteintimeandtheresultsshowthattherealtemperatureinnerconcretearecorrelativetothesimulated,andthereisnothermalcracksaftertakingofftheforms.Theeffectoftemperaturecontrolissatisfactory.Keywords:concrete;massconcrete;temperaturecontrol;finiteelement;coolingwater;winterconstruction

　　荆(荆州)岳(岳阳)长江公路大桥位于湖北、湖南两省交界处,是湖北省”六纵五横一环”骨架公路网中随州至岳阳高速公路跨越长江的特大型桥梁工程,是交通运输部重点工程。大桥全长约413km,为主跨

816m的双塔混合梁斜拉桥,居世界同类桥梁第六位。

现有害的温度裂缝,荆岳长江公路大桥建设指挥部特委托中交武汉港湾工程设计研究院有限公司对该承台大体积混凝土温控方案进行了设计,并在现场实施了温度控制措施和温度监测。

1　温度裂缝控制方案设计

南塔承台位于湖南省岳阳市,设计为矩形分离式承台,单个承台尺寸为2313m×2915m×8m,分3层浇筑,混凝土浇筑量为549818m3,设计强度等级为C35。

该承台施工期处于冬季施工,采用泵送工艺,混凝土浇筑方量大,属于大体积混凝土施工,需要对该结构混凝土进行温度控制,在施工过程中温度裂缝控制存在以下难点:①混凝土胶材用量大,水泥用量高,绝热温升高;②浇筑时间在2007年11月中旬至2007年12月下旬,历时一个多月,期间遭遇大雪,气温剧降,低温持续时间长,混凝土内表温差控制难度大;③养护困难　由于该承台位于长江边滩,多风,风速大且快,结构面又多为立面,不容易养护。鉴于以上难点,为避免出

混凝土自身的物理、热学性能是影响大体积混凝土温控效果最基本的因素,大体积混凝土配合比优化,采用低水化热,抗裂性优良的配合比是大体积混凝土温度裂缝控制方案设计的首要任务。

111　混凝土配合比优化

大体积混凝土配合比设计原则应以抗裂为核心,满足低水化热、可泵性好、体积稳定性好以及耐久性优

[收稿日期]2008206224

[作者简介]刘　松,中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室工程师,湖北省武汉市武昌区民主路553号430071,电话:(027)87319080,E2mail:liusong007@163.com

50　施工技术第37卷

表2　混凝土内部温度场特征参数和最大主拉应力

Table2　Characteristicparametersoftemperaturefieldand

themaximumtensionstressinconcrete

良等要求[1]。施工方原拟用配合比中胶材总量为

432kgΠm3,粉煤灰掺量为20%。从抗压强度数据来看,7d强度已超过35MPa,28d强度达到5616MPa,强度富

余较大,不仅不利于混凝土的抗裂还增加了成本。鄂东长江公路大桥大体积混凝土温度控制研究成果表明:通过降低胶材用量和增加粉煤灰的掺量可以降低混凝土水化热,有限元模拟计算各龄期混凝土的最大主应力都有不同程度的降低[2]。为此,建议施工方降低胶材总量,增加粉煤灰的掺量,通过外加剂成分的调整,适当延缓混凝土的初凝时间。经配合比优化后,胶材总量降至400kgΠm,粉煤灰掺量为40%。配合比优化后,原材料采用岳阳华新P・O4215水泥,华能电厂Ⅱ级粉煤灰,5～3115mm连续级配碎石,西卡聚羧酸高效减水剂,具体配合比如表1所示。新拌混凝土的工作性能满足施工要求,水化热降低,强度满足设计要求。表1　混凝土配合比及性能参数Table1　Mixratioandpropertyparametersofconcrete

抗压

3

(kgΠ强度Π7d绝热混凝土用量Πm)

项目温升ΠMPa℃

水泥粉煤灰砂石水外加剂7d28d原配合比336优化后配合比260

96140

677115516031456391256163811707115314031456321347163417

3

工程部位第1层混凝土第2层混凝土第3层混凝土

TmaxΠ℃

混凝土内部最大主拉应力ΠMPa

3d112311000192

7d210911541169

28d212321142111

1年217721582126

501953125315

　　根据有限元温度、应力场仿真模拟结果并考虑到实际施工工况,承台混凝土分3层浇筑,厚度分别为

217、216、217m。

11312　原材料及浇筑温度的控制南塔承台第1层混凝土浇筑日期为11月中旬,气

),需要考虑控制原材温较高(实测浇筑温度为2312℃

料的温度过高,主要是采取控制水泥出厂温度和骨料遮阳的方式;第2、3层混凝土浇筑是12月中下旬,气温约10℃左右,浇筑温度容易达到标准要求。但考虑到冬季施工,为防止水结冰,气温低于5℃时,原材料需要保温,控制浇筑温度在10℃左右,气温低于0℃时,不得施工。为了保证浇筑温度控制在24℃以内主要采取如下措施。

1)水泥温度的控制　水泥的温度过高,会导致混

112　温度场、应力场仿真模拟

凝土拌合物水分蒸发过快,影响混凝土的工作性能,并且不利于混凝土结构温度的控制。经与岳阳华新水泥厂沟通,控制水泥出厂温度≤60℃,承台浇筑时,水泥提前7d进场储存,在浇筑过程中,对水泥温度进行了多次测量,最高温度为58℃,满足要求。

2)骨料温度控制　由于施工期处于冬季,骨料温

根据该承台混凝土的结构特点,结合实际工况,采用大体积混凝土有限元计算方法模拟承台混凝土温度、应力场的分布及发展过程。计算时充分考虑了混凝土分层、浇筑温度、施工间歇期、混凝土水化热的放热规律、养护方式、冷却水管降温、外界气温变化、混凝土弹性模量变化、桩基约束以及混凝土徐变等复杂影响因素。图1为承台混凝土分3层浇筑时各层混凝土温度场模拟结果,表2为最大主拉应力仿真结果。根据计算结果制定出混凝土在施工期不出现温度裂缝的温控标准:①混凝土浇筑温度不宜高于24℃;②承台混凝土内部最高温度第1层≤51℃,第2、3层最高温度≤54℃;③混凝土内表温差控制不超过20℃;④混凝土降温速率不超过210℃Πd。

度一般不高,不需要对骨料的温度进行特殊控制,需要强调的是由于在实际施工时低温持续时间长,甚至有长时间的雨雪天气,因此需要搭设挡雪棚,一方面防止雨雪淋湿骨料,另一方面减少骨料的冻结,必要时需通热蒸汽融冰。

3)泵管保温　为减少混凝土在运输过程中的温度

损失,防止混凝土冻结,混凝土输送泵管外用草袋包裹保温,并委派专人负责管理。

11313　通水冷却

1)冷却水管布设　根据混凝土内部温度场分布特

征,承台混凝土共布设6层冷却水管,每浇筑层布设2层冷却水管。冷却水管内径40mm,水管水平间距为

110m,冷却水管进出水口集中布置,统一管理,冷却水

图1　承台各层混凝土温度场仿真模拟

Fig.1　Temperaturefieldsimulationonconcreteplatform

管布置如图2所示。

2)冷却水控制　每层冷却水管设置一个分水器,

113　温度裂缝控制措施11311　混凝土分层

对每套水管编号,通过控制冷却水流量,来控制不同结构部位混凝土的降温速率[2]。冷却水管使用前必须进行试通水试验,通水时间在1h左右,对于管道漏水、阻

2008No.12刘　松等:荆岳长江公路大桥南塔承台大体积混凝土温度裂缝控制51　

温差20℃,温控效果良好。

3　温控效果评价

荆岳长江公路大桥南塔承台大体积混凝土施工历时1个多月,在施工期间,经历了急剧降温阶段且持续时间较长,超出了预估范围,但通过各方的共同努力,冬季施工温控措施实施情况良好,现场测温结果与仿真模拟值吻合,各项温控指标均在温控标准范围之内,拆模后经现场检查,混凝土表面未出现有害温度裂缝,达到了预期的温控效果。

图2　冷却水管布置

Fig.2　Coolingwaterpipearrangement

4　结语

1)荆岳长江公路大桥南塔上游承台的冬季施工期水的部位立即进行修复。混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水,各层混凝土峰值过后减缓或停止通水。冷却水采用蓄水箱中的循环水,冷却水回流至承台顶面,蓄水养护。各层通水时间根据现场测温结果而定,浇筑第2、3层混凝土时,为防止下层混凝土温度回弹,下层混凝土采用二次通水冷却。11314　混凝土拆模与养护

温控方案合理,仿真模拟结果与实际监测结果吻合,提出的温控措施能够应对气温突变,温控效果良好。

2)控制水泥的进场温度,骨料遮盖保温,泵管保

温,通冷却水,延长拆模时间,控制拆模时混凝土外表面温度与大气温度不低于15℃,顶部采用回流热水养护,侧面保温等一系列措施的综合使用可较好地控制冬季施工混凝土的温度。

参考文献:

[1]　王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,

2004.

WangTiemeng.Crackcontrolofengineeringstructure[M].Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,20041(inChinese)[2]　秦明强,刘可心,刘毅强,等.某公路大桥南塔承台大体积混凝

土温度裂缝控制技术[J].施工技术,2008,37(4):97299.QinMingqiang,LiuKexin,LiuYiqiang,etal.Temperaturecrackscontrolofmassconcreteinsouthpylonpilecapofahighwaybridge[J].ConstructionTechnology,2008,37(4):972991(inChinese)

混凝土表面采用土工布外加塑料薄膜包裹的措施养护,土工布起到保温作用,塑料薄膜主要是防止混凝土表面水分散失。2007年12月下旬,混凝土浇筑完毕后,气温剧降,在混凝土浇筑7d后拆模,拆模时选择气温较高的中午,拆模时混凝土表面与气温之差<15℃,拆模后立即采用土工布加塑料薄膜包裹,冷却水管出水口的温水直接蓄于承台混凝土顶部养护,养护14d。

2　现场温度监测

为实时了解承台混凝土内部温度分布规律,同时给现场温控措施提供可靠的数据,在南塔承台内部共布设测点33个,分3层布设,测点分别位于两层水管正中间(即距承台底部标高为115、219、414m),测温元件为PN结温度传感器,数据采集仪为温度自动巡检仪。承台混凝土内部温度场特征参数如表3所示。

表3　承台混凝土内部温度场特征参数

Table3　Characteristicparametersoftemperature

fieldinpilecapconcrete

我国成功应用再生混凝土建造“零能耗”生态建筑

我国混凝土生产技术取得新的进展。日前上海城建物资有限公司采用高性能再生骨料混凝土,顺利完成“沪上・生态家”工程基础部分700多m3的混凝土浇筑。

“沪上・生态家”位于上海浦西世博园最佳实践区内(原南市发电厂),是2010年上海世博会永久性场馆之一。作为国内首座“零能耗”生态示范住宅“沪上・,生态家”采用了上海市科委重大科技攻关项目———生态建筑关键技术研究及十大系统集成技术,其中运用绿色节能、新型材料是该工程设计建造的重要宗旨。该工程所用混凝土将全部采用“循环经济”的高性能再生混凝土,计划用量约3000m3。

“沪上・生态家”采用的高性能再生骨料混凝土是一种循环利用的资源,它以大掺量的粉煤灰、矿渣粉等工业废料替代水泥,利用废弃混凝土破碎加工形成的再生骨料取代天然碎石作为混凝土骨料,采用高效减水剂改善混凝土性能,形成了这种与普通混凝土具有同等使用寿命的“再生”混凝土。上海城建物资公司以先进的技术优势成为该项目混凝土指定供应商,工程将于2008年底结构封顶。

最高最高温最大断最大内水化热平均浇

测点区域温度Π度出现面均温Π表温差Π温升Π筑温度Π

℃时间Πh℃℃℃℃

第1层测点5011394418171926192312第2层测点5118364814181036131515第3层测点4911314412191135141317　　注:最高温度出现时间从各层测温元件与混凝土接触时算起

　　由表3可知,承台混凝土第1层最高温度5011℃,第2层最高温度5118℃,第3层最高温度4911℃,均低于仿真模拟值,混凝土最大水化热温升为3613℃,最大内表温差为1719～1911℃,低于温控标准的最大内表