淺談機制砂大體積混凝土在宜萬鐵路26標段渡口河特大橋中的應用

　　摘要：從原材料的選擇、溫度計算及大體積混凝土施工過程的溫度控制等方面說明大體積混凝土的溫度控制的重要性  

　　關鍵詞：熱功計算；現(xiàn)場混凝土溫度控制；影響配合比的因素；質量控制；過程控制  

　　1  概述：  

　　大體積混凝土概念的理解，我國現(xiàn)行規(guī)范（JGJ55—2000）的定義為混凝土結構物的實體最小尺寸等于或大于1m，或預計會因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導致裂縫的混凝土。日本建筑協(xié)會定義為:混凝土結構物的實體最小尺寸等于或大于80cm，同時水化熱引起混凝土內(nèi)部最高溫度與外界氣溫之差預計超過25℃的混凝土.美國混凝土規(guī)定：“任何就地澆注的大體積混凝土，必須　采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂?！彪m然對大體積混凝土的認識與定義不同,我認為大體積混凝土就是預計因水泥水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而容易產(chǎn)生裂縫的混凝土。由于混凝土為熱的不良導體，混凝土硬化過程中產(chǎn)生的水化熱不易散去，使混凝土中心與表面產(chǎn)生溫度應力，不采取措施砼極易產(chǎn)生開裂，水化熱是使大體積混凝土內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力，引起混凝土體積變形、開裂的主要原因。  

　　2 工程概況：  

　　宜萬鐵路26標段渡口河特大橋位于湖北省恩施州屯堡鄉(xiāng)白龍壩村附近，鐵路中心里程：DK250+051.76,全橋長度為634.71米，主橋為：72m+128m+72m連續(xù)剛構箱梁，引橋為1—24m及10—32m簡支梁組成的雙線鐵路橋梁。其中5號墩為主橋橋墩高度128米，受地形條件的影響，4號墩基礎設計在12根￠2.5m，長28—34.5米，鉆孔樁群樁基礎上,其承臺平面尺寸為16.7×23.7m,厚度5.0m,基礎地面以下滿灌混凝土設計數(shù)量為2239立方,強度等級C25,分兩次澆注,泵送混凝土施工連續(xù)澆注完成,; 5號墩基礎設計在24根￠2.5m，長32米，鉆孔樁群樁基礎上,其承臺平面尺寸為36.7×23.7m,厚度5.0m基礎地面以下滿灌混凝土設計數(shù)量為4999立方,強度等級C25,分三次澆注,均采用泵送混凝土施工連續(xù)澆注完成?；炷翝沧⒌奶涠瓤刂圃?50±20mm,環(huán)境相對濕度為60%。  

　　3  混凝土使用的原材料的組成：  

　　3．1  細骨料：經(jīng)過施工調查，宜萬鐵路沿線受自然條件限制，無天然砂資源，如果采用遠距離運輸河砂，會因砂價格過高導致工程造價大幅度增加。生產(chǎn)混凝土用細骨料只能采用機械扎制的石灰?guī)r質機制砂，為比較經(jīng)濟的選擇。由于機制砂生產(chǎn)工藝等方面的影響，配制混凝土用的原材料的技術指標如下：  

　　機制砂：表1  

　　機制砂級配情況為： 

　　曲線在Ⅰ區(qū)  

　　3．2  水泥：
　　
　　宜選用水化熱較低和凝結時間長的中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥。這里我們選用葛洲壩水泥股份有限公司生產(chǎn)的礦渣硅酸鹽水泥P.S42.5。

　　水泥的基本性能：表2

　　3．3  粉煤灰：粉煤灰中含有較多的SiO2 和AI2O3，兩者總含量可達60%以上，具有較高的活性，化合能力較強，粉煤灰的密度為水泥的2／3，因此采用大摻量的粉煤灰，可以降低混凝土的單位用水量，降低水膠比。這里粉煤灰選用重慶珞璜華能電廠經(jīng)過磨細加工Ⅱ級粉煤灰

　　表3 Ⅱ級粉煤灰的基本性能：

　　3．4、粗骨料：

　　石灰?guī)r質碎石5—31.5mm連續(xù)級配.指標性能如下: 

　　表4

　　3．5  外加劑：

　　鉆孔灌柱樁及大體積混凝土采用TH—3A高效緩凝減水劑摻量為水泥用量的0.8% 。高效緩凝減水劑指標性能如下：表5

　　3．6  配合比試驗結果：

3．7  熱工計算：

（根據(jù)材料實測溫度和各種材料的比熱進行計算）

3.7.1 凝土拌合物溫度（或稱出機溫度）--“計算表格法”

混凝土的拌合溫度：

T0∑WC=∑TiWC

式中：

T0--混凝土拌合物溫度（℃）；W—各種材料的重量（kg）；

C—各種材料的比熱（kJ/kg·k）；Ti—各種材料的初始溫度（℃）。

《混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范》（GB50204--92）規(guī)定冬季混凝土施工拌合物溫度計算公式為：

T0=[0.9（McTc+MsTs+MgTg）+4.2Tw（Mw-ωsMs-ωgMg）+C1（ωsMsTs+ωgMgTg）

+C2（ωsMs+ωgMg）]÷[4.2Mw+0.9（Mc+Ms+Mg）]

式中：T0--混凝土拌合物溫度（℃）；

Mw、Mc、Ms、Mg----水、水泥、砂、石的用量（kg）；

Tw、Tc、Ts、Tg--------水、水泥、砂、石的溫度（℃）；

ωs、ωg------------砂、石的含水率（%）；

C1、C2----水的比熱容[kJ/（kg·K）]及溶解熱（kJ/kg）。

當骨料溫度〉0℃時，C1=4.2,C2=0；

          ≤0℃時，C1=2.1,C2=335。

3.7.2 混凝土澆筑溫度

      Tj= T0+（Tq－T0）·（A1+A2+A3+…+An）

式中：Tj--混凝土澆筑溫度（℃）；T0--混凝土拌合物溫度（℃）；

      Tq—外界氣溫（℃）；A1、A2、A3…An--…溫度損失系數(shù)

      混凝土澆筑采用混凝土泵車直接泵入承臺，溫度損失系數(shù)為0，即：

A1+A2+A3+…+An=0；假定Tq=31℃,則：Tj=24.7+（31-24.7）·0=24.7℃

3.7.3 混凝土的絕熱升溫

Tn=（Mc·Q）/（c·ρ）+Mf/50

不同齡期的混凝土絕熱溫升計算公式：

Td=Tn（1-e-md）

式中：Tn—混凝土最終絕熱溫升（℃）；Td—在d齡期時混凝土的絕熱溫升（℃）；

      Mc—每立方米混凝土中的水泥用量（kg）；Q—每kg水泥水化熱量（kJ/kg）；

      c—混凝土的比熱，可按0.97[kJ/（kg·K）]計算；

ρ--混凝土的密度，取2480（kg/m3）；Mf--每立方米混凝土中粉煤灰用量（kg）；

e--常數(shù)，為2.718；d—齡期（天）；

m--混凝土水化時溫升系數(shù)，隨水泥品種及澆筑溫度而異，一般為0.30～0.41；

計算水化熱溫升時的m值

Tn=（325×273）/（0.97×2480）+100/50=38.9℃

　　T2=38.9×（1-e-2×0.384）=25.2℃

　　T3=38.9×（1-e-3×0.384）=33.9℃

　　T5=38.9×（1-e-5×0.384）=38.2℃

　　T7=38.9×（1-e-7×0.384）=38.9℃

　　3.7.4 混凝土實際內(nèi)部最高溫度的計算：

　　混凝土由于水化反應使溫度升高，且混凝土中心熱量不易散去，使混凝土中心部分形成高熱區(qū)，通過對混凝土內(nèi)部實際最高溫度的計算，可以找出混凝土中心部分處于最高溫度時的齡期，從而為混凝土的溫度控制及養(yǎng)護提供依據(jù)。

　　Tr（d）=Tj+Td

　　式中：Tr（d）--在絕熱狀態(tài)下，不同齡期的混凝土內(nèi)部溫度（℃）。

　　不同澆筑塊厚度與混凝土絕熱升溫的關系（ξ）值

注：ξ=Tm/Tn;Tm—混凝土由水化熱引起的實際溫升（℃）。

　　不同齡期水化熱溫升與澆筑塊厚度的關系

注：本表適用于混凝土澆筑溫度為２０～３０℃的工程。

     混凝土內(nèi)部的中心溫度計算：

                             Tmax=Tj+Td·ξ

　　式中：Tmax—混凝土中心溫度（℃）；

　　Tj—混凝土的澆筑溫度（℃）；

　　Td—在d齡期時混凝土的絕熱溫升（℃）；

　　ξ—不同澆筑塊厚度的溫度系數(shù)。

　　Tmax3=24.7+33.9×0.74=49.8℃,

　　Tmax4=24.7+37.1×0.73=51.8℃,            Tmax5=24.7+38.2×0.74=53 ℃,

　　Tmax7=24.7+38.9×0.72=52.6℃,            Tmax28=24.7+38.9×0.25=34.4℃,

　　由計算可以得到,混凝土在澆注后3—7天，基礎處于高溫，這個時期是混凝土溫度控制的關鍵時期。 

　　3.7.5 混凝土表面溫度的計算：

　　混凝土的表面溫度與其表面是否有保溫材料、保溫草料的性能及保溫層的厚度有關，當混凝土表面不設保溫層時：

　　△T3= Tmax3-Tq=49.8 –22=27.8         △T4= Tmax4-Tq=29.8  

　　△T5= Tmax5-Tq=  31                  △T7= Tmax7-Tq=30.6
　
　　混凝土的厚度h=Kλ/β=0.066×2.33/2.33=0.07

　　K—折減系數(shù)取0.066      λ—混凝土導熱系數(shù)，取2.33W/m.k

　　β—保溫層傳熱系數(shù)，當不設保溫層時β=2.33 W/m2.k

　　混凝土的計算厚度: H=3+2×0.07=3.14

　　Tb3=Tq+4h*(H-h)* △T3/H2=22+4*0.07*(3.14-0.07)*27.8/3.142=24.4

　　Tb4=24.6           Tb5=24.7       Tb7=24.7

　　混凝土3天、7天的內(nèi)部最高溫度與表面溫度之差:

　　T3—1= Tmax3- Tb3 =49.8-24.4=25.4

　　T5—1= Tmax5- Tb5=53-24.6 =28.4         T7—1= Tmax7- Tb7=52.6-24.7=27.9

　　混凝土3天、7天表面與外界平均氣溫之差

　　T3—2= Tb3- Tq=24.4-22=2.4           T7—2= Tb3- Tq=24.7-22=2.7

　　由計算知，混凝土內(nèi)部最高溫度與表面溫度超過25℃，必須采取保溫措施，加強保溫。

　　3.7.6混凝土所需保溫材料的厚度：4號基礎施工的季節(jié)在8月份，本地區(qū)早晚溫差大（15—29℃，平均溫度22℃），由于氣溫驟降，混凝土易產(chǎn)生裂縫，利用保溫材料提高澆注的混凝土表面和四周溫度，減少混凝土的內(nèi)外溫差，是一種簡便有效的溫度控制方法，同時在后期拆除摸板，還應對混凝土結構物及時覆蓋加以養(yǎng)護，防止晚期混凝土開裂

　　采用草袋作為保溫層，保溫層厚度為：

　　δi=0.5H*λi*（Tb-Tq）* kb/λ*（Tmax-Tb）=0.033m=33mm

　　δi—保溫材料的厚度  ：λi—保溫材料導熱系數(shù)（草袋時取0.14 W/m.k）

　　kb—傳導系數(shù)修正值取1.3—1.8   λ —混凝土導熱系數(shù)，取2.3

　　Tmax—混凝土中心最高溫度

　　覆蓋厚度大于33mm的草袋能夠保證混凝土質量。

　　Tq—混凝土澆注后3—5天平均氣溫

　　3.8  施工現(xiàn)場的溫度監(jiān)控：混凝土灌注時，受不利因素的影響，混凝土的實際溫度可能與計算值有一定差距，及時掌握混凝土的溫度升降變化，以便采取相應對策。

　　3.8.1 測試方法及測點布置：

　　本工程采用通用數(shù)字溫度測試儀，沿混凝土澆注高度底、中、表布置，共5個測點，溫度測試澆注時同步，升溫階段每2小時一次，時間10天。4號墩承臺結果如下：

3.8.2 測試結果分析:

　　a、混凝土中心溫度變化分為升溫、恒溫、降溫三個階段，其中升溫在40小時—3天，隨后可達到溫度峰值，而后進入恒溫階段，這個階段為2—4天。最后進入緩慢的降溫階段。應該逐漸降溫,由于混凝土表面溫度無相對的恒溫期，隨外界溫度的變化而變化，變化過程中混凝土上表面的溫度較低，上表面與中心溫度差最大，容易產(chǎn)生裂縫，應注意混凝土表面的保溫，使內(nèi)外溫度差不大于25℃。

　　b、大體積混凝土的內(nèi)部實際溫度是一個“由低到高，又由高到低”的變化曲線，從混凝土澆注完后，就有一個初始溫度——澆注溫度。以后由于水化熱的影響，混凝土內(nèi)部溫度不斷上升，然后通過天然散熱或人工冷卻，溫度又逐漸下降，待水化熱大致散發(fā)后，混凝土的溫度才與外界大氣溫度相接近，此時為穩(wěn)定溫度。 

　　3.8.3 混凝土內(nèi)部降溫措施：

　　為了防止混凝土水化過程中內(nèi)部溫度過高，混凝土結構物中埋設￠50mm冷卻管，在混凝土澆注過程及澆注后14天內(nèi)不間斷的通循環(huán)水降低混凝土的內(nèi)部溫度，同時對進水管及出水管的水溫、混凝土的內(nèi)部溫度進行監(jiān)控。

　　4  原材料對混凝土拌合物的影響：

　　4.1  顆粒級配的影響：

　　根據(jù)機制砂的級配情況，一般顆粒偏粗，300μm  及 600μm偏少，造成混凝土拌合物保水性欠佳，因此混凝土配合比選定過程中應采用較大的含砂率，泵送混凝土、水下混凝土取40—45%較為合適。為了保證混凝土的和易性、流動性，摻入15—35%的Ⅰ或Ⅱ級粉煤灰，摻入粉煤灰不但可以改善混凝土的和易性，同時可以減少水泥用量，節(jié)約成本。保證混凝土結構的耐久性，減少混凝土裂逢的產(chǎn)生。

　　4.2   石粉的影響：

　　機制砂石粉含量（小于75μm顆粒）一般在5—20%，過多石粉表面上混凝土的和易性較好，實際上使拌合混凝土用水量每M3 增加20—30kg，從而增大水灰比,增大混凝土水化過程中的干縮性，影響混凝土的耐久性。因此必須對石粉含量在生產(chǎn)過程中加以嚴格控制，生產(chǎn)過程中除塵設備吸去大部分或水洗的方法降低石粉含量，使石粉含量小于10%。為了保證混凝土的流動性，可摻入高效緩凝減水劑。

　　4.3  碎石級配的影響：

　　碎石宜選用5—31.5mm連續(xù)級配的碎石或兩級級配如5—15mm占40%，15—31.5mm占60%的兩級級配碎石. 兩級級配施工時應分級運輸；分級儲藏; 分級計量，針、片狀顆粒含量小于10%；壓碎指標值小于12%；非堿活性石灰?guī)r質碎石；母巖50mm立方體飽和水抗壓強度大于80Mpa（水中浸泡48h）。

　　5、質量控制：

　　5.1原材料質量控制：

　　5.1.1水泥：

　　為了保證正確控制混凝土拌合物的用水量及坍落度損失，對進廠的水泥及時進行外加劑的適應性檢驗。

　　5.1.2 粉煤灰：

　　重慶珞璜華能電廠生產(chǎn)的粉煤灰經(jīng)過磨細加工Ⅱ級粉煤灰。根據(jù)檢測情況，燒失量、三氧化硫含量相對比較穩(wěn)定。我們對每批進廠的粉煤灰及時送檢，合格后方可使用。

　　5.1.3 機制砂：

　　每批進廠抽樣檢測發(fā)現(xiàn)級配不合格，及時讓生產(chǎn)廠家調整篩孔大小，生產(chǎn)廠抽樣檢測合格后方能進廠；對已進廠的合理摻配。石粉含量超標的砂：嚴重的（30%左右）及時清理出場，15%左右的施工現(xiàn)場采用水洗的方法處理，處理后的砂再經(jīng)過驗室、檢測合格后方可使用

　　5.1.4 粗骨料：

　　級配 5—31.5mm的連續(xù)級配，對進廠的單粒級碎石，根據(jù)級配情況摻配成連續(xù)級配后再澆注混凝土。

　　1．5外加劑：按要求進行減水率、凝結時間檢測,混凝土的凝結時間為15—21小時，。

　　5.2施工過程控制：

　　5.2.1 用水量控制：拌合混凝土作業(yè)的開始、過程中，對砂、石含水量進行檢測,及時調整拌合機的加水量。

　　5.2.2 攪拌時間的控制：采用強制式攪拌機拌合混凝土，因為外加劑采用干投的方法添加，因此需要較長的攪拌時間才能保證混凝土的均勻性，一般不少于60秒。

　　5.2.3 坍落度的控制：對每盤混凝土的坍落度、流動性目測觀察，并按要求進行檢測，發(fā)現(xiàn)問題及時調整。因渡口河現(xiàn)場的地形條件，混凝土采用攪拌車運輸，混凝土裝車前應排凈車內(nèi)積水。

　　5.2.4采用泵送混凝土施工時，在混凝土泵啟動前，應對混凝土泵的各種用油的儲量，水箱中的水位、液壓系統(tǒng)是否漏油、換向閥的磨損及接口是否嚴密，攪拌軸轉動是否正常等關鍵部位進行全面的檢查，且需符合要求。泵送水泥砂漿（C:S:W=1:2:0.5—0.6）或水泥漿前，先泵送適量的水，其作用是：第一，可濕潤混凝土泵的料斗、活塞及輸送管內(nèi)壁等直接與混凝土接觸的部位，減少潤滑水泥砂漿用量及強度的損失：第二，可檢查混凝土泵、輸送管中是否有異物，接口是否嚴密。泵送適量水泥砂漿或水泥漿后,能使混凝土泵料斗、活塞及輸送管內(nèi)壁充分潤滑形成一層潤滑膜,從而有效地減少混凝土的流動阻力,宜選用與混凝土內(nèi)成分相同的水泥砂漿, 潤滑漿的數(shù)量可根據(jù)混凝土泵操作說明提供的定額和管道長度來確定。

　　配管時注意：傾斜向下配管時，當小于傾角4°時，與水平配管相同；當傾角為4°—7°時，斜管后續(xù)的水平管長度應為高差的5倍，或采用增加彎管等方法增加流動阻力；當傾角大于7°時，除去水平管長度大于高差的5倍外，并應在斜管上端設置排氣閥。如果做不到，應采用搭設支架的方法，避免傾斜向下配管，防止堵管。

　　5.2.5炎熱季節(jié)施工，宜用濕罩布、濕草袋等遮蓋混凝土輸送管，避免陽光照射；寒冷季節(jié)，宜用保溫材料包裹混凝土輸送管，防止管內(nèi)混凝土受凍，并保證混凝土的入模溫度。

　　5.2.6加強與施工班組的協(xié)調：泵送混凝土施工時，盡量減少停泵時間，如確需停泵，必須每隔5min左右泵送幾下，確保泵管內(nèi)混凝土不出現(xiàn)離析、堵管的異常。

　　5.2.7機制砂混凝土保水性能較差，施工中應該短時間“振搗、快插、慢拔”，振搗棒要快速插入混凝土、緩慢拔出混凝土使氣泡排出，應該避免過振使混凝土離析，影響混凝土外觀質量。

　　5.2.8  混凝土養(yǎng)護：結構物成型后立即覆蓋，外界氣溫超過15℃時，應該向混凝土表面灑水養(yǎng)護，灑水的次數(shù)以保證混凝土表面時刻處于濕潤狀態(tài)為度，同時摸板表面也應該灑水養(yǎng)護時間不應少于  21d。

　　5.2.9  混凝土強度及耐久性檢測，按要求對混凝土進行抽樣，除試驗室標準養(yǎng)護試件外，還應該留制與結構物的同條件養(yǎng)護試件2—3組，進行14d、28d強度檢驗，混凝土拌合物進行0.5h、1h泌水率檢驗，特殊部位應該進行混凝土含氣量及抗?jié)B性檢測。

　　5.2.10   粉煤灰混凝土在低溫施工時應該加強表面保溫，混凝土表面溫度不得低于

　　5℃。寒潮沖擊情況下日降溫幅度大于8℃，應加強表面保溫，防止開裂。

　　6  結語

　　宜萬鐵路26標段渡口河特大橋4、5號承臺基礎經(jīng)過3個月的觀測無裂縫產(chǎn)生。說明機制砂大體積混凝土施工中采用低熱礦渣硅酸鹽水泥和大摻量粉煤灰能大大降低混凝土的水化熱；大體積混凝土時施工過程中嚴格控制原材料質量及混凝土的最大溫差是避免混凝土開裂的主要因素。