龙潭长江大桥南主墩承台温控技术研究

朽木也张

摘 要：龙潭长江大桥南主墩承台为大体积混凝土结构，浇筑时间在冬季，温控防裂要求很高。为避免和控制有害裂缝发生，根据有限元模型计算结果制定温控标准和温控措施，在承台施工过程中采用优化配合比、控制浇筑温度、安装冷却水管等措施，并进行测温监控，监测结果表明内表温差、降温速率等均在温控标准范围内，承台未出现明显裂缝，质量符合要求。
关键词：承台;大体积混凝土;裂缝;温控措施;内表温差;
作者简介：张艳(1980—),女，河南人，本科，工程师，研究方向：桥梁施工监理;
1工程概况龙潭长江大桥主桥为单跨1 560 m钢箱梁悬索桥，南主塔为大直径群桩基础，承台结构为哑铃型，平面尺寸78.95 m×40.5 m, 厚6.0 m, 承台底标高-2.0 m, 顶标高+4.0 m, 上下游承台之间用系梁联成整体，设计采用C40混凝土，共16 232 m3。
承台基坑采用钢板桩围堰结构进行支护，设置两层支撑体系。考虑围堰设计情况，承台浇筑分两层进行，第一层浇筑厚度2.0 m, 第二层浇筑厚度4.0 m, 由于南主墩承台为特大型大体积混凝土构件，温控防裂要求很高，施工中如何避免或控制有害裂缝发生是质量控制的关键。
温度裂缝形成的原因是混凝土结构内外温差过大或外界气温变化较大，热胀冷缩引起混凝土体积变化，混凝土变形受自身或外部约束，局部拉应力过大，超出其抗拉强度时导致结构开裂。
根据主墩承台结构特点，采用MIDAS软件建立南主墩承台有限元模型，对承台混凝土进行温度和应力仿真计算。温控计算考虑承台混凝土的物理热学性能参数、分层浇筑厚度、浇筑温度、浇筑间隔、环境温度变化、混凝土徐变及外部约束等因素。南主墩承台施工温控标准如下，见表1。
表1 南主墩承台施工温控标准 导出到EXCEL

构件	浇筑温度 /℃	内部最高 温度/℃	内表温差 /℃	降温速率 /(℃·d-1)
承台	≥5且≤28	≤65	≤25	≤2.0

南主墩承台混凝土产生裂缝的因素主要来自两个方面：一是自身水化热引起的温度应力变化；二是承台受钻孔桩基础约束，及上下两层混凝土之间施工龄期差异导致的收缩徐变不同。为达到温控标准要求，主要从以下几个方面采取措施来保证温控指标的实现。
(1)对混凝土配合比进行优化。选用中低热水泥，尽量减少水泥用量，适当增加粉煤灰等矿物掺合料掺量，掺加优质缓凝高效减水剂，降低水化热，延长混凝土初凝时间，从而降低温升峰值和延缓温峰到达时间；选用优质骨料，低热膨胀系数、低吸水率的骨料体积稳定性好，可减小混凝土的收缩变形；在满足施工的情况下，使用坍落度较低的混凝土，有利于减少用水量，减少干缩，提高抗开裂性能。
(2)控制混凝土浇筑的入模温度。混凝土浇筑温度对混凝土内部最高温度和温峰到达时间都有很大影响，相同配比的混凝土，浇筑温度低的温峰值要比浇筑温度高的小很多。南主塔承台施工在冬季，环境温度-7～15 ℃,正常情况下对水泥、粉煤灰、碎石、砂等原材料覆盖保温即可满足≥5 ℃且≤28 ℃浇筑温度的要求。遇到低温寒潮天气，采用搅拌用水加热的方法来保证混凝土的浇筑温度。
(3)在承台内部安装冷却水管，并对混凝土进行保温养护，通过内降外保，降低内表温差。大体积混凝土浇筑过程中，前期水化热会使混凝土温度快速上升，在承台内部安装冷却水管，通过冷却水循环，直接带走混凝土内部温度，从而降低升温速率和温度峰值；后期温度峰值过后，混凝土逐渐降温，此时需要加强保温覆盖养护，减缓表面温度散失，避免降温速率过快。南主墩承台分层分块浇筑，施工时除控制混凝土内表温差外，还应注意降低新老混凝土之间、混凝土表面和外界环境温度之间的温差。
(4)优化施工方案，减小承台结构受钻孔桩基础的约束作用，严格控制上下两层混凝土之间的施工龄期差。考虑到承台受群桩基础约束，混凝土收缩徐变时易产生裂缝，在中间系梁部位设置2 m后浇带，将承台分成上下游两层共4块区域进行浇筑，后浇带在塔座混凝土浇筑完成后、下横梁施工前用微膨胀混凝土一次性浇筑成型。此外，尽量缩短上下两层混凝土之间的龄期差，避免出现收缩裂缝，两层混凝土之间的浇筑间隔控制不超过20 d。
(1)采用P·O 42.5句容水泥，在胶材总量确定的前提下，增加Ⅰ级粉煤灰掺量，略降低矿粉掺量，矿物掺合料总掺量不超过45%。
(2)选用产地江西的碎石和中砂，碎石要求级配良好、线胀系数小、吸水率低、体积稳定性好。
(3)选用苏博特聚羧酸类高性能缓凝减水剂。优质的聚羧酸类缓凝高效减水剂具有缓凝、减水、引气的效果，能够延缓温峰时间，减少水化热总量，并显著增加混凝土的和易性、可泵性。
(4)混凝土的坍落度按照200±20 mm控制，标准温度湿度环境下试拌初凝时间调整大于35 h。混凝土强度评定采用56 d强度。
根据南主墩承台有限元模型计算结果，承台混凝土的浇筑温度必须控制在5～28 ℃范围内，现场采取如下措施：
(1)浇筑前对原材料温度进行测量，通过热工计算进行估算，估算结果低于5 ℃时，可加热搅拌用水，控制浇筑温度。
(2)水泥矿粉温度控制低于60 ℃,粉煤灰温度控制低于40 ℃,对储料罐进行包裹保温。
(3)搭设保温棚进行骨料保温，棚内温度保持5 ℃以上，骨料采取堆高和覆盖措施，取料时从底层取料。
(4)选择白天浇筑，避开夜间低温寒潮时段。为防止混凝土运输和浇筑过程中受冻或温度损失过大，对运输罐车和输送泵管均进行包裹保温。
冷却水管采用Φ40×2.5 mm的黑铁管，承台第一层上、下游混凝土内各布设1层冷却水管，承台第二层混凝土内布设3层冷却水管，水管竖向间距1.0 m, 水平间距0.8 m, 距混凝土表面及侧面70～100 cm。冷却水管每层12套，每套总长度不超过150 m。采用水箱蓄水循环冷却，冷却水管的进出水口集中布置并编号，方便管理。进水口设置两个减压阀以控制水流速率，外接水泵给水箱补水调节水温，以便调整进水温度与内部混凝土温差在指标范围内，同时起到控制升温速率和降温速率的作用。
承台混凝土浇筑前对冷却水管进行加压通水试验，检验冷却水管是否运行正常，发现管道有漏水、阻水现象及时修补。进水温度与内部混凝土温差应控制在20 ℃以内，避免对内部混凝土冷激造成内部裂缝。不同时段对冷却水的流速和温度要求不同，南主墩承台混凝土通水要求见表2。
表2 南主墩承台混凝土通水要求 导出到EXCEL

升温阶段通水 时间及要求	降温阶段通 水时间及要求	停止通水 时间
覆盖冷却水管开始即通到最大水流量，流速≥25 L/min, 进出水温差≤10 ℃	根据测温数据降低水流量，确保降温速率≤2.0 ℃/d(初期≤3.0 ℃/d),进出水的温差≤10 ℃	内部最高温度≤40 ℃,且最大内表温差≤20 ℃

南主墩承台在冬季施工，外界环境温度很低，对混凝土开裂影响较大，升温速率和降温速率过快都会导致混凝土内表温差过大，极端寒潮天气甚至会影响混凝土正常凝结硬化，因此必须对混凝土进行保温覆盖养护。
承台第一层混凝土结构内部钢筋较密，且第一层处于围堰内较低位置，起到了很好的避风效果，受昼夜气温变化影响较小，上表面主要采用覆盖及温水养护，侧面在模板外侧粘贴一层3 cm厚橡胶保温棉并带模养护。承台第二层混凝土上表面采用覆盖塑料薄膜+棉被保温保湿，侧面粘贴橡胶保温棉与带模养护。
为了解承台浇筑、养护过程中混凝土各部位温度变化情况，及外界环境温度、冷却水温度等，以便及时调整和优化温控措施，需对承台混凝土进行实时测温监控。在满足温控要求的前提下，考虑经济原则，选取承台混凝土垂直中位面的1/4块布置测温元件。承台第一层上、下游各布设1层共22个测点，测点距封底混凝土1.0 m; 承台第二层上、下游高度1.5 m与2.5 m处各布设2层共44个测点。
温度监测工作在混凝土浇筑后立即进行，每1 h监测1次，连续不断。承台混凝土浇筑14 d后，根据监测结果，确定终止测量时间。南主墩承台温控监测数据见表3。
表3 南主墩承台混凝土温控监测数据汇总表 导出到EXCEL

第一层上游	18.1～15.3	52.5	67	13.5～31.3	21.9	3.9～6.5
第一层下游	18.6～17.7	54.3	62	12.5～39.6	24.3	3.5～5.1
第二层上游	16.5～15.5	56.5	71	15.3～36.3	23.9	2.6～3.1
第二层下游	17.5～16.5	58.8	64	11.3～41.6	22.7	2.3～3.9

由温控监测数据可知，南主墩承台各部位的浇筑温度在15.3～18.6 ℃,内部最高温度58.8 ℃,最大内表温差24.3 ℃,各项指标均满足温控标准要求，进出水温差也满足通水要求≤10 ℃的标准。此外，由于采取了保温覆盖措施，承台混凝土表面温度变化不大，受昼夜温差作用影响有轻微波动。现将南主墩承台上游第一层混凝土施工监测数据绘制成历时曲线图进行分析，见图1。

图1 承台上游第一层测点温度特征值历时曲线图 下载原图
如图1,前期随着承台混凝土水化放热，其表面温度和芯部温度同步上升，平均升温速率在0.2～0.8 ℃/h, 表面升温速率要小于芯部升温速率，内表温差逐渐增大，60 h后混凝土内部升温减缓，此时接近温度峰值。在冷却水影响下，芯部温度达到温峰值后开始缓慢降温，平均降温速率在1.6～2.0 ℃/d, 此时，混凝土表面温度和芯部温度同步下降，但表面降温速率大于芯部降温速率，内表温差呈继续增长趋势，持续通水冷却并带模养护，保证内表温差≤25 ℃,控制降温速率≤2.0 ℃/d, 直至芯部温度变化趋于稳定，满足停水要求。
对南主墩承台其他部位混凝土监测数据进一步分析表明，各区混凝土温度特征曲线走势基本一致，混凝土施工温控指标均满足标准要求。
5结 语龙潭长江大桥南主墩承台温控施工严格按温控方案要求执行，低温寒潮季节采取温水拌和、罐车包裹等方式保证浇筑入模温度；采用水箱蓄水循环冷却，有效降低了进水温度与混凝土芯部温度差值，通水总体效果良好；在结构侧面带模加粘贴保温棉养护起到了很好的防风保温作用，有效降低了雨水、低温等不利天气影响。承台施工完成后，混凝土没有出现裂缝，这说明南主墩承台施工温控技术是科学有效的。
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