大体积承台混凝土施工技术研究报告secret.docx
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大体积承台混凝土施工技术研究报告secret
大体积承台混凝土施工技术研究报告
1工程概述…………………………………………………………………………………
2裂缝形成机理
2.1温度裂缝产生的主要原因
2.2温度裂缝形成的过程
3总体施工方案设计…………………………………………………………………
4混凝土配合比设计…………………………………………………………………
4.1原材料选择………………………………………………………………………
4.2混凝土配合比优化………………………………………………………………
………………………………………………………………………
5最大温升理论计算………………………………………………………………
6冷却管设计方案……………………………………………………………………
7最大温升模拟测定………………………………………………………………
8暖棚设计方案………………………………………………………………………
9外部防裂措施…………………………………………………………………………
10施工过程……………………………………………………………………………
11温度控制………………………………………………………………………………
11.1温度控制设计……………………………………………………………………
11.2温度监测结果……………………………………………………………………
12实施效果……………………………………………………………………………
1工程概述
老庄河特大桥桥墩承台为左右分离式矩形截面，每半幅承台结构尺寸1#、3#、5#墩为16.5m×11m×4m,体积为726m3；2#、4#墩为15.5m×11m×4m,体积为682m3；均属于大体积混凝土基础，施工时温度裂缝控制是保证承台施工质量的关键。
施工期在1月份，浇注时环境平均气温为－5.8℃。
2裂缝形成机理
从裂缝的形成过程可以看到，混凝土特别是大体积混凝土之所以开裂，主要是混凝土所承受的拉应力和混凝土本身的抗拉强度之间的矛盾发展的结果。
因而为了控制大体积混凝土裂缝，就必须尽最大可能提高混凝土本身抗拉强度性能和降低抗应力（特别是温度应力）这两方面综合考虑。
抗拉强度主要决定于混凝土的强度等级及组成材料，要保证抗拉强度关键在于原材料的优选和配合比的优化（混凝土强度等级设计已经确定），由于混凝土选用地材，从经济角度来考虑，原材料优化的空间相对较小，所以降低拉应力是控制混凝土裂缝的有效途径，而降低拉应力主要通过减少温度应力来控制温度裂缝。
2.1温度裂缝产生的主要原因
一是由于温差较大引起的，混凝土结构在硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，使混凝土表面和内部温差较大，混凝土内部膨胀高于外部，此时混凝土表面将受到很大的拉应力，而混凝土的早期抗拉强度很低，因而出现裂缝。
这种温差一般仅在表面处较大，离开表面就很快减弱，因此裂缝只在接近表面的范围内发生，表面层以下结构仍保持完整。
二是由结构温差较大，受到外界的约束引起的，当大体积混凝土浇筑在约束地基（例如桩基）上时，又没有采取特殊措施降低，放松或取消约束，或根本无法消除约束，易发生深进，直至贯穿的温度裂缝。
2.2.温度裂缝形成过程
一般分为三个时期：
一是初期裂缝--就是在混凝土浇筑的升温期，由于水化热使混凝土浇筑后2-3天温度急剧上升，内热外冷引起“约束力”，超过混凝土抗拉强度引起裂缝。
二是中期裂缝--就是水化热降温期，当水化热温升到达峰值后逐渐下降，水化热散尽时结构物的温度接近环境温度，此间结构物温度引起“外约束力”，超过混凝土抗拉强度引起裂缝。
三是后期裂缝，当混凝土接近周围环境条件之后保持相对稳定，而当环境条件下剧变时，由于混凝土为不良导体，形成温度梯度，当温度梯度较大时，混凝土产生裂缝。
3总体施工方案设计
针对工程项目和施工环境的实际情况，计划通过本项目研究，得到外加剂、外掺料降低混凝土温升的效果值；得到冷却管对降低混凝土温升的效果值；得到低温环境中使用暖棚对控制混凝土内外温差的效果值；从而达到预防大体积混凝土温差裂缝的目的。
3.1配合比优化
常规C30混凝土配合比一般使用P.O32.5R水泥，混凝土的温升是指混凝土成型后由水泥水化引起内部温度的上升。
影响混凝土温升的主要因素是水泥水化热，水泥水化热是水泥水化时固有性质，其中水泥主要成分中C3A的发热速率最快发热量最大，其余成分由大到小排序为C3S、C2S、C4AF。
根据最近几年来的现场实测数据统计常规C30混凝土结构水化热温升值如表2.1所示；据此必须采取调整混凝土配合比，尽量减少水泥用量、延缓水泥的水化时间推迟和降低混凝土内部温度峰值；
3.2混凝土内部降温措施
原设计承台混凝土结构内未考虑安装冷却管，根据历年来类似工程施工经验必须考虑增加冷却管，以混凝土内部冷却管的循环水来有效降低混凝土的水化热；
3.3环境温度控制方案
因施工期在1月份，浇注时环境平均气温为－5.8℃，为最大程度降低混凝土内外温差，并有效防止混凝土边沿部分受冻，必须考虑采用暖棚法施工；
4混凝土配合比设计
4.1原材料选择
4.1.1水泥
水泥选用低水化热的水泥，为降低水化热，提高水泥标号以减少水泥用量，延缓温升峰值，配合比设计时采用P.O42.5R水泥代替常规设计C30混凝土时所用P.O32.5R水泥，以降低混凝土最高温升，降低混凝土所受的拉应力。
所选秦岭牌P.O42.5R水泥物化数据为：
C3S含量平均为48％～52％，C3A含量平均为6％～7％,C2S含量平均为21％～27％。
4.1.2碎石
碎石采用铜川公路管理局石扎碎石厂生产的5～40连续级配的碎石，针片状含量小于10％，含泥量小于1％；碱活性检测试件膨胀率为0.08％，为非活性集料。
4.1.3砂
砂采用灞河中砂，含泥量小于2％，细度模数为2.6。
4.1.4外掺料
掺用粉煤灰，选用陕西蒲城电力发展有限责任公司生产的Ⅰ级粉煤灰；改善和易性、以降低水泥用量，减少水化热，以降低混凝土温升，从而可以降低混凝土所受的拉应力。
4.1.5外加剂
使用缓凝减水剂大幅度降低水胶比，延缓凝结时间，减缓水泥水化热的释放速度，推迟和降低混凝土内部温度峰值。
选用山西黄腾化工有限公司生产的缓凝高效减水剂。
4.2混凝土配合比优化
优化后配合比如表3.2所示：
表3.2基准配合比与优化后大体积混凝土配合比对照表
使用部位
水泥
粉煤灰
中砂
碎石
外加剂
水
水胶比
备注
基准
410
/
606
1229
/
168
0．42
水泥为P.O32.5R
大体积
300
60
747
1121
4．32
151
0．42
水泥为P.O42.5R
5最大温升模拟测定
试验室模拟现场绝热温升设施，采用2m×2m×2m的模拟试件，保温措施为2cm厚的木板内侧加2cm厚的泡沫板密封，环境温度为0℃～－10℃,最高温升发生在第5天达到了52℃。
见图5.1所示：
图5.1模拟现场绝热温升试验图
6冷却管设计方案
为有效控制混凝土内部温度，采用沿竖向交错布置四层铸铁冷却水管，通过循环水降温；循环系统采用2×3×2m自制水箱供水，2台50水泵循环控制循环水流向，冷却水的流量1.2m3/h，每根冷却水管总长L＝90.8m；并在施工过程中严密监控内部温度变化。
详见图5.1所示：
图6.1.1冷却管平面设计图
图6.1.2冷却管立面设计图
7最大温升理论计算
最高温升按照边界散热、设水管冷却的条件进行计算：
1、计算混凝土的导热系数λ=2.51w/（m.℃）
2、计算混凝土的比热C=0.916kj/（kg.℃）
3、混凝土的密度：
ρ=2410kg/m3
4、导温系数计算：
α=0.0982368m2/d.水管冷却范围D1.711m
5、通过表面和冷却水管同时散热后的水化热温升计算如表2所示：
表2混凝土水化热温升计算
τ（d）
1
2
3
4
5
6
7
Tr∑
Tr
16.00
27.92
36.79
43.40
48.31
51.98
54.7
△Tr
16.00
11.92
8.87
6.61
4.91
3.67
2.72
（Ca2）0.5
0.91
0.84
0.78
0.75
0.71
0.69
0.66
X0.5
0.96
0.90
0.83
0.77
0.72
0.67
0.62
（Ca2X）0.5d
0.87
0.76
0.65
0.58
0.51
0.46
0.41
1d
13.92
13.92
2d
12.16
10.37
22.53
3d
10.40
9.06
7.72
27.18
4d
9.28
7.75
6.74
5.75
29.52
5d
8.16
6.91
5.77
5.02
4.27
30.13
6d
7.36
6.08
5.14
4.30
3.73
3.19
29.80
7d
6.56
5.48
4.52
3.83
3.19
2.79
2.37
28.74
从上表可见最高温升发生在第5d，其混凝土最高温度也同样发生在第5d，Tmax=（Tj-Tb）Ca2X/（1-Ca1X）+（Ts-Tb）（1-X）Ca2）/（1-Ca1X）+Tr/（1-Ca1X）+Tb
=41.000℃
8暖棚设计方案
在优化混凝土配合比、增加冷却管的基础上混凝土的最高温升与环境温差仍然达到了46.8℃，所以承台的施工及养护均必须在暖棚内进行，用暖棚保温来达到控制混凝土内外温差的目的。
暖棚主体采用双层碗扣脚手架搭设，外部围护保温采用防雨帆布，往暖棚上悬挂和相互之间的连接均采用铁制带卡，暖棚内部采用蒸汽散热管取暖。
为方便工具、人员进出，在暖棚前后均需预留活动门，其结构尺寸为19m×13m×6m；如图7.1所示。
图8.1承台暖棚施工图
9外部防裂措施
在进行内部温控同时，为消除因大体积混凝土收缩徐变导致表面裂纹，在征得设计部门认可后，在承台外侧四周布置一层φ6冷轧钢筋网片，但保证其外壁4cm保护层厚度，有效分解其表面应力，对局部位置不设置钢筋网片进行了对比，结果显示设置钢筋网片的表面裂纹现象明显减少。
结合承台垫层施工，将承台垫层表面处理光滑，减小对承台混凝土水化收缩的约束作用，减小承台裂纹出现的可能性。
10施工过程
10.1.1基坑施工
一只墩位左右承台基坑同步施工，桩基顶部超灌混凝土采用凿岩机凿除，其余基坑采用挖掘机放坡开挖人工清底，C20防冻混凝土垫层抄平，在基坑四周设砖砌挡水埂，基坑四周挖排水沟。
10.1.2模板
模板采用采用厂制大块钢模，突出整体性，减少接缝。
模板四周主要采用自制轻型桁架加固，加以基坑支撑点放置在桁架间并采用栓接和Φ32拉杆形成整体。
10.1.3钢筋
承台钢筋按按设计图纸集中下料、分型号、规格堆码、编号逐一在加工场加工成型，分类存放，5t运输车运输到现场，模内安装绑扎，并注意预埋墩身钢筋，沉降观测铁件，及温度传感器等其它预埋件，并使位置准确，固定牢靠，防止混凝土浇筑时移动。
10.1.4混凝土
混凝土施工按照冬季施工标准施工。
10.1.4.1混凝土冬季施工的材料储备、保温
（1）、砂石料采取暖棚保温，暖棚主体采用双层碗扣脚手架搭设，外部采用防雨帆布围护火炉加热保温，以此保证砂石料不受冻、温度在0℃以上；并防止出现冰雪、冻块进入搅拌机内，给混凝土温度带来损失；防止过大的冻块堵塞砂石料输送带；防止部分冻块进入搅拌机内会很难被粉碎、融化，严重影响混凝土质量；如图9.1.4.1所示。
图10.1.4.1砂石料场暖棚保温图
（2）、水泥、外加剂在库房或暖棚内进行保温，禁止对其进行直接加温；
（3）、冬季温度过低时易出现河流水源断流、自来水出现冻结情况，提前作好水源贮备并防止被污染。
10.1.4.2混凝土拌和料的加热
在对搅拌站进行搭设暖棚保温、砂石料保持正温的情况下，混凝土拌和料的加热主要考虑对拌和水进行加热，亦是最经济、最有效的加热方式（水的比热是砂石料的5倍）。
拌和水加热温度根据混凝土拌和物混合温度计算控制；
10.1.4.3搅拌站保温措施
搅拌站搭设暖棚保温，暖棚主体采用双层碗扣脚手架搭设，外部围护保温采用防雨帆布和5cm厚石棉保温层制成的保温被，往暖棚上悬挂和相互之间的连接均采用铁制带卡，暖棚内部采用蒸汽散热管取暖。
为方便上料铲运车及混凝土罐车进出，在暖棚前后均需预留活动门，门前悬挂保暖帘子。
搅拌站暖棚的尺寸为20×25×20m（高）；如图10.1.4.3所示.
图10.1.4.3搅拌站保温暖棚图
10.1.4.4混凝土拌和料的投料顺序
第一步：
砂石料进拌和机加80%的水进行搅拌1分钟；
第二步：
水泥、外加剂进拌和机加进行搅拌1.5分钟以上并补充剩余20%的水；
砂石料与水泥、外加剂分开进料斗，必须以此防止水泥、外加剂接触热水发生水泥“假凝”现象以及外加剂失效。
10.1.4.5混凝土拌和时间
拌和时间适当延长至3.5min，按上述规定进行，并必须得到保证，以防止出现：
⑴混凝土颜色不均匀、出现外观质量问题；
⑵防止材料间热交换时间过短，混凝土和易性和施工性能差。
10.1.4.6混凝土的运输
（1）、各种混凝土运输车加上石棉被制成的保温套保温；
（2）、保证运输过程顺畅、运输速度快速；
（3）、混凝土泵：
安装后要加保温采暖棚，管道用棉毡包裹保温；管道在使用前后用热水冲洗干净，防止混凝土残料在管道内冻结、影响畅通。
10.1.4.7混凝土浇注
旧混凝土要冲洗干净，并进行加温，包括模板、钢筋均必须采取有效措施如暖棚进行加温至10℃以上方可进行混凝土浇筑；新混凝土的入模温度控制在10℃左右。
混凝土的浇筑方法可用分层连续浇筑，不得留施工缝，并应符合下列规定：
（1）混凝土的摊铺厚度应根据所用振捣器的作用深度及混凝土的和易性确定，采用非泵送混凝土时，混凝土的摊铺厚度不大于400mm。
（2）分层连续浇筑或推移式连续浇筑，其层间的间隔时间应尽量缩短，必须在前层混凝土初凝之前，将其次层混凝土浇筑完毕。
层间最长的时间间隔不大于混凝土的初凝时间。
当层间间隔时间超过混凝土的初凝时间。
层面应按施工缝处理。
10.1.4.8混凝土保温保湿养护
混凝土浇筑完毕后，应及时按温控技术措施的要求进行保温养护，并应符合下列规定：
⑴保温养护措施，应使混凝土浇筑块体的里外温差及降温速度满足温控指标的要求；
⑵保温养护的持续时间，不得少于15d，保温覆盖层的拆除应分层逐步进行；
⑶在保温养护过程中，应保持混凝土表面的湿润。
保温保湿养护是大体积混凝土施工的关键环节，其目的主要是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力；其次是降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度，充分利用混凝土的抗拉强度，以提高混凝土块体承受外约束廊力的抗裂能力，达到防止或控制温度裂缝的目的。
同时，在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件，使混凝土在良好的环境下养护。
施工人员需根据事先确定的温控指标的要求，来确定大体积混凝土浇筑后的养护措施。
11温度控制
温度裂缝的产生一般是不可避免的，重要的是如何把其控制在规范允许的范围之内，要进行有效的控制，就必须进行科学预测，以保证控制的准确性。
对温度应力的控制现场一般是进行温控。
混凝土升温时间较短，根据以往工程实践，一般在浇筑后的三至四天内，其间混凝土弹性模量低、基本处于塑性与弹塑性状态，约束应力很低，当水化热温升至峰值后，水化热能耗尽，继续散热引起温度下降，随着时间逐渐衰减，延续十余天至三十余天。
混凝土降温阶段，弹性模量迅速增加，约束拉应力也随时间增加，在某时刻如超过混凝土抗拉强度便出现贯穿性裂缝。
因此控制降温曲线对保证大体积混凝土施工质量尤为关键，但该问题属于热传导的混合边值问题，理论求解相当冗繁。
偏于安全地以截面中部最高温度降温曲线代替平均降温曲线，将混凝土降温速率不超过1.5℃/d以及内外温差不超过25℃作为工程预控指标，并借此提出保温与降温措施。
11．1温度控制设计
11.1.1检测仪器
温度计选用数显温度计，探头长度为2.5～5米。
11.1.2测点布置及检测要求
为验证温控计算结果，在混凝土中预埋数显温度计的感温元件测点，成对称性共布设9个测点。
在检测混凝土温度变化的同时，对气温、混凝土的出机温度、入仓温度、浇筑温度等均进行了检测。
温度变化应始终处于受控状态，每次进行测温记录时必须测量测温点位置温差，如混凝土内部温度与混凝土表面温差在25ºC以上时或降温速率超过1.5℃/d时，测温人员及时将测温结果反馈经理部，由经理部对暖棚采取应急措施。
11．2温度监测结果
在浇筑混凝土时，从浇筑开始测温（包括入模温度，环境温度），并及时抹压（特别是初凝前）和保温保湿养护。
浇筑完后根据温控指标，及时调整保温保湿养护条件。
承台混凝土温度监测图如下：
系列1：
混凝土内部温度
系列2：
混凝土外部养护温度（暖棚内温度）
系列3：
混凝土冷却水管出水温度
系列4：
混凝土冷却水管进水温度
12实施效果
根据理论计算及现场温度实测变化情况，在老庄河特大桥承台施工中，混凝土浇筑完毕混凝土内部温度开始升温到25℃左右，内外温差达到7℃，此时启动循环水进行冷却；至第4、5天混凝土内部温度达到最高，约在43℃，内外温差达到21℃；5天之后内部温度开始下降，到20天左右混凝土内部温度降至25℃，内外温差为7℃，与初始升温状态基本相同，此时停止循环水，让其自然冷却，到30天左右温度停止变化，说明水化热基本停止。
拆模后，混凝土整体结构完整，表面无温差裂缝；并对4号墩承台混凝土进行了钻芯取样检查，4m高度范围内的芯样完整，表明混凝土内部未产生温差
裂缝。
如图13.1所示。
图12.1钻孔芯样图
在黄延高速公路老庄河特大桥承台混凝土施工中，从混凝土配合比采用方面尽量降低混凝土的水化热；从温升计算方面加强温度控制，重点从原材料的加温降温入手控制混凝土的入模温度；从混凝土降温速率不超过1.5℃/d以及内外温差不超过25℃方面加强温度监控以及保温降温措施，大体积承台混凝土施工完毕经检测混凝土结构性能良好，混凝土表面、内部未产生温差裂缝，满足设计及规范要求，达到了预期的目标。
参考文献：
［1］大体积混凝土施工xx著
［2］《工程结构裂缝控制》xx著
［3］《现代混凝土配合比设计手册》xx主编人民交通出版社
［4］《混凝土外加剂及其应用技术》机械工业出版社
［5］《高性能混凝土结构》xx编著机械工业出版社
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