沪蓉西高速四渡河特大桥重力式锚碇混凝土温度控制措施

王明锋　罗志祥

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

沪蓉西高速四渡河特大桥重力式锚碇混凝土温度控制措施

王明锋罗志祥

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要以湖北沪蓉西高速公路四渡河特大桥重力式锚碇大体积混凝土施工为例，介绍了为有效地解决大体积混凝土在凝结硬化过程中，水化热产生较大的温度变化和收缩作用所形成的温度收缩应力导致混凝土产生裂缝的问题，采用武汉港湾工程设计研究院开发的“大体积混凝土施工期温度场及仿真应力场分析程序包”，计算大体积混凝土的内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果，制定锚体不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施，以保证工程质量和延长结构寿命。

关键词大体积混凝土温控计算温控措施

四渡河特大桥(悬索桥)跨径布置为900 m主桥+5×40 m引桥+228.9 m路堑，主桥为900 m单跨双铰钢桁架加劲梁悬索桥，引桥为5×40 m的预应力T梁先简支后连续刚构，锚碇形式同时采用重力式锚碇和隧道式锚碇。桥面至谷底高差达500 m，桥面纵坡为2.41%，桥高和桥面单斜坡2项数据均居目前世界第一。

四渡河特大桥重力式锚碇锚体采用30号混凝土，锚体混凝土总方量约为2万m3，属于大体积混凝土结构，每块混凝土分层浇筑，各块之间采用2.5 m后浇段联结为整体，后浇段浇筑微膨胀混凝土。

1混凝土原材料及配合比

1.1　混凝土原材料

①水泥：采用葛洲坝水泥厂生产的低热32.5矿渣水泥;②粉煤灰：采用襄樊天键公司的I级粉煤灰;③砂：一通机制砂，细度模数3.46;④碎石：福岗料场碎石，粒径5～31.5 mm;⑤外加剂：武钢浩源FDN-9000高效减水剂;⑥水：河水。

1.2　混凝土配合比

C30混凝土抗压强度7 d为27.1 MPa，28 d为46.6 MPa；劈裂抗拉强度3 d为1.2 MPa，7 d为2.1 MPa，14 d为3.6 MPa，28 d为3.8 MPa。C30混凝土配合比见表1。

表1　C30混凝土施工配合比

注：配合比m(水泥)∶m(粉煤灰)∶m(砂)∶m(石)∶m(水)∶m(外加剂)=1∶0.42∶2.5∶3.83∶0.5∶0.01

1.3　混凝土水化热

试验得出混凝土水化热结果，见表2。

表2　混凝土水化热结果

1.4材料及热特性值

锚体混凝土标号为C30，材料热特性根据试验或经验取值，见表3。

表3　材料热特性值

2大体积混凝土温控计算

温控计算采用武汉港湾工程设计研究院开发的“大体积混凝土施工期温度场及仿真应力场分析程序包”进行，计算大体积混凝土的内部温度场及仿真应力场，并根据计算结果制定锚体不出现有害温度裂缝的温控标准和相应的温控措施。

2.1　锚体混凝土

2.1.1计算条件

(1) 锚碇锚块由独立的2块组成，沿桥轴线对称，取其中一侧的大体积混凝土块进行1/2计算，计算时未考虑后锚块。

(2) 锚块总厚度为23.01 m，最大平面尺寸为25.0 m×17.6 m，分为13层浇筑，锚块混凝土网格剖分见图1。

图1　锚块混凝土网格剖分图

(3) 计算时取基岩厚度为5.0 m，弹模取值为3.4×104MPa。

(4) 考虑冷却水管降温效果。每层混凝土中沿厚度方向布置直径25 mm的冷却水管，冷却水管水平间距为0.9 m。

(5) 在上层混凝土覆盖前洒水养护，混凝土四周用木模板养护，拆模后用2层土工布保温，保温时间为15 d。

(6) 平均风速按6 m/s考虑。

(7) 考虑徐变对混凝土应力的影响。

2.1.2计算结果及分析

(1) 温度场主要特征值。混凝土浇筑后，一般在2～3 d即达到峰值，然后缓慢下降，上层混凝土浇筑后下层混凝土的温度会出现一定程度的升高。由于锚块混凝土较厚，水化热很难散发，因此锚块混凝土中部温度较高，底部和顶部较低。各层混凝土温度峰值见表4，最高温度包络图见图2、最大内表温差包络图见图3。

表4　各层混凝土温度峰值　℃

图2　锚体最高温度包络图(单位：℃)

图3　锚体最大内表温差包络图(单位：℃)

(2) 温度应力场主要特征值。混凝土1～13层在不同龄期最大温度主拉应力见表5，其中28，60 d最大应力包络图分别见图4、图5。

表5各层混凝土不同龄期最大温度主拉应力

层次以下龄期(d)的主拉应力/MPa37142860第1层0.710.931.231.221.63第2层0.640.840.680.781.42第3层0.670.901.021.451.95第4层0.820.941.351.602.15第5层0.731.291.271.682.65第6层0.921.271.521.912.66第7层0.710.720.961.161.25第8层0.710.710.871.071.16第9层0.660.700.911.051.16第10层0.710.690.871.100.92第11层0.660.630.841.010.84第12层0.620.620.830.850.63第13层0.690.720.730.760.62

图4　混凝土28 d最大应力包络图(单位：MPa)

图5　混凝土60 d最大应力包络图(单位：MPa)

(3) 主要成果分析。由温度应力场计算结果可知，各层混凝土温度、应力均在控制范围内。根据混凝土劈裂抗拉强度试验结果，混凝土在各龄期均具有1.5倍以上的抗裂安全系数，因此锚块混凝土1～13层在施工期内不会出现温度裂缝。

2.2　底座混凝土

2.2.1计算条件

(1) 底座为高7 m、宽37.7 m、顶面长1 m、底面长5 m的柱体，拟分为3层浇筑，厚度分别为2，2.5，2.5 m，沿桥轴线对称取1/2进行计算，底座混凝土网格剖分见图6。

图6　底座混凝土网格剖分图

(2) 混凝土浇筑时为9月份，各层混凝土浇筑温度取值见表6。

表6　各层混凝土浇筑温度取值　℃

(3) 取基础弹模为3.4×104MPa。

(4) 考虑冷却水管降温效果。混凝土中沿厚度方向布置直径25 mm的冷却水管，冷却水管水平间距为0.9 m。

(5) 在顶层混凝土覆盖前洒水养护，混凝土四周用木模板养护，拆模后用土工布保温。

(6) 由当地气象局根据历年统计资料来提供气温情况，平均风力按6 m/s考虑。

(7) 混凝土强度等级为C30。

(8) 取混凝土最终绝热温升为29.2 ℃。

(9) 混凝土线胀系数为6.61×10-6℃-1。

(10) 考虑徐变对混凝土应力的影响。

2.2.2主要计算成果

(1) 温度场主要特征值。混凝土浇筑后，一般在2～3 d即达到峰值，然后缓慢下降，上层混凝土浇筑后下层混凝土的温度会出现一定程度的升高。各层混凝土温度峰值见表7，各层混凝土最高温度包络图见图7，最大内表温差包络图见图8。

表7　各层混凝土温度峰值　℃

图7底座混凝土最高温度包络图

图8　底座混凝土最大内表温差包络图

(2) 温度应力场主要特征值。各层混凝土在不同龄期最大温度主拉应力见表8，混凝土28,60 d最大应力包络图分别见图9、图10。

表8　各层混凝土不同龄期最大温度主拉应力

图9　混凝土28 d最大应力包络图(单位：MPa)

图10　混凝土60 d最大应力包络图(单位：MPa)

(3) 主要成果分析。由温度应力场计算结果可知，各层混凝土温度、应力均在控制范围内。根据混凝土劈裂抗拉强度试验结果，底座混凝土具有1.5倍以上的安全系数，因此底座混凝土在施工期内不会出现温度裂缝。

3温度控制标准

根据计算成果,在施工期内为保证大体积混凝土不出现有害温度裂缝,宜采取如下温控标准。

(1) 混凝土内部最高温度锚体不超过43.3 ℃，底座不超过48.5 ℃。

(2) 混凝土内表温差不超过20 ℃。

(3) 混凝土浇注温度不应超过28 ℃。

(4) 混凝土降温速率不宜超过1.5 ℃/d。

4温控措施

4.1　优化混凝土配合比，降低水化热温升[1]

优化混凝土配合比，尽量降低水泥用量，控制水化热温升，是大体积混凝土温控重要环节。在保证混凝土强度、和易性及坍落度要求的前提下，采取改善粗集料级配、提高掺合料和粗集料的含量、降低水胶比等措施，减少单方混凝土的水泥用量。

4.2　混凝土浇筑温度的控制[1]

混凝土浇筑温度最高不得超过28 ℃，否则应采取相应措施。

(1) 混凝土尽量在夜间气温较低时浇筑。

(2) 砂石料尽量堆高并采取遮阳措施。

(3) 水泥入场温度不应超过55 ℃，否则应采取措施，如要求水泥厂家在水泥出厂前放置一段时间，或采取多次倒运的方法降低水泥使用温度。

(4) 当气温高于入仓温度时，提高浇筑强度，尽量缩短混凝土运输时间和曝晒时间。

(5) 混凝土泵管外用草袋遮阳，并经常洒水降温。

(6) 当气温超过32 ℃时，采取加冰措施。

当混凝土在冬季气温较低浇筑时，混凝土的浇筑温度不宜低于10 ℃。如气温低于0 ℃时，可以采取拌和水加热等技术措施。

4.3　控制混凝土浇筑间歇期[3]

各层混凝土浇筑间歇期应控制在7 d以内，最长不得超过8 d。为降低老混凝土的约束，要做到薄层、短间歇、连续施工。为防止混凝土出现表面裂缝，其四周必须使用防裂钢筋网，层与层之间在凿毛后应铺设金属扩张网。

4.4　埋设冷却水管及其要求

4.4.1水管位置[2]

根据混凝土内部温度分布特征，需在混凝土中埋设冷却水管，冷却水管为直径25 mm的薄壁钢管(壁厚为1.2 mm)，其水平间距为0.9 m，冷却水管距混凝土表面不应大于1.0 m，每根冷却水管长度不宜超过200 m，冷却水管进出水口应集中布置，以利于统一管理。

4.4.2冷却水管使用及其控制[2]

(1) 冷却水管使用前应进行压水试验，防止管道漏水、阻水。

(2) 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立即停止通水，通水流量应达到20 L/min，为防止上层混凝土浇筑后下层混凝土温度的回升，采取2次通水冷却，通水时间根据测温结果确定。

(3) 应严格控制进出水温度，在保证冷却水管进水温度与混凝土内部最高温度之差不超过25 ℃条件下，尽量使进水温度最低。

(4) 待通水冷却全部结束后，采用同标号水泥浆或砂浆封堵冷却水管。

(5) 考虑现场实际情况，在山上设置水箱(或水槽)，供冷却水循环使用，并且在上面搭设遮阳棚。

4.5　内表温差控制[3]

为了防止混凝土出现温度裂缝，必须对混凝土进行内表温差控制。做法如下：每层混凝土浇筑完后，混凝土侧面木模板外首先覆盖2层土工布，覆盖1层帆布，并适当延长拆模时间，且拆模时间应选择1天中气温较高时段。拆模后0.5 h先覆盖1层塑料薄膜，再覆盖2层土工布保温。每层混凝土顶面凿毛后应及时进行洒水养护，覆盖1层薄膜及1层麻袋或者土工布；最后一层混凝土顶面覆盖1层薄膜及2层土工布保温，保温时间可根据测温结果而定，但不应少于15 d。

5结语

通过以实体工程对大体积混凝土的内部温度场及仿真应力场的计算，并根据计算结果所得出的不出现有害温度裂缝的温控标准：混凝土内部最高温度锚体不超过43.3 ℃，底座不超过48.5 ℃；混凝土内表温差不超过20 ℃；混凝土浇注温度不应超过28 ℃；混凝土降温速率不宜超过1.5 ℃/d。并在施工中采取优化混凝土配合比，降低水化热温升、控制混凝土的浇筑温度及浇筑的间歇时间、埋设冷却水管通水降温等措施，能够有效地解决大体积混凝土在凝结硬化过程中，水化热产生较大的温度变化和收缩作用所形成的温度收缩应力导致混凝土产生有害裂缝的问题。

参考文献

[1]JTG/T F50-2011公路桥涵施工技术规范[S].北京：人民交通出版社,2011.

[2]中国建筑工业出版社编辑组.《建筑施工手册》(混凝土工程)[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2003.

[3]GB 50496-2009大体积混凝土施工规范.北京：中国计划出版社,2009.

收稿日期：2015-06-07

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.008