【摘 要】: 武漢天興洲公鐵兩用長江大橋3#主塔墩承臺(tái)長69.5 m, 寬39.8 m, 高6 m, 混凝土方量15 550 m3 ,屬超大體積混凝土施工。本文主要介紹了在大體積混凝土施工實(shí)踐中, 為降低水泥水化熱, 控制混凝土的內(nèi)、表溫差, 避免混凝土產(chǎn)生裂紋, 而在混凝土原材料選擇、設(shè)計(jì)和優(yōu)化施工配合比、冷卻水管及測溫元件布置、溫度監(jiān)控及砼表面保溫、通水養(yǎng)護(hù)等方面采用的施工方法。
【關(guān)鍵詞】: 超大體積; 混凝土; 水化熱; 裂紋控制
【中圖分類號(hào)】: U445.55 + 9 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】: B
【文章編號(hào)】: 1672 - 4011 (2008) 01 - 0148 - 04
1 引言
武漢天興洲公鐵兩用長江大橋總長度為9.3 km, 其中主橋長4 657 m, 主跨504 m, 是世界上最大跨度的公鐵兩用斜拉橋。該橋上層為6車道公路, 設(shè)計(jì)時(shí)速80公里, 下層為可并列四列火車的鐵道, 設(shè)計(jì)時(shí)速200公里。天興洲公鐵兩用長江大橋主橋?yàn)殡p塔三索面三主桁斜拉橋, 主橋橋式布置為(98 + 196 + 504 + 196 + 98) m。3#墩為天興洲大橋主塔墩, 位于長江天興洲南汊主河槽中, 基礎(chǔ)為40根<3.40 m大直徑鉆孔灌注樁, 樁頂設(shè)置承臺(tái), 承臺(tái)長65.3m, 寬39.8 m, 高6.0 m, 其平面設(shè)計(jì)為帶圓角的矩形, 四角的圓弧半徑為R = 2.9 m。承臺(tái)底標(biāo)高+ 4 m, 承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30, 混凝土方量15 550 m3 , 鋼筋1 604.2 t。
3#墩承臺(tái)在2005年底至2006年初的長江枯水位期間施工, 橋位處枯水期水位約+ 10 m。承臺(tái)采用雙壁鋼吊箱圍堰法施工, 圍堰平面為矩形, 輪廓尺寸為69.5 m ×44 m ×15 m, 壁厚2 m。圍堰在鉆孔樁施工期間作為鉆孔平臺(tái), 承臺(tái)施工時(shí)將圍堰下放, 封底后作為擋水結(jié)構(gòu)?？紤]到封底混凝土的承載能力, 承臺(tái)施工分兩次進(jìn)行, 第一次澆注2m, 混凝土方量5 183 m3 , 第二次澆注4 m, 混凝土方量10 367 m3。
2 承臺(tái)大體積混凝土施工的特點(diǎn)及難點(diǎn)
3#主塔墩為天興洲長江大橋的控制性工程, 承臺(tái)施工位于水面以下, 施工技術(shù)復(fù)雜, 更是3#主塔墩施工的重中之重。長江水位落差大, 水位上漲快, 故要求承臺(tái)施工必須在枯水期完成, 施工工期緊, 工序轉(zhuǎn)換快。
武漢天興洲長江大橋跨度大、承載重, 設(shè)計(jì)使用年限為100年, 質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高, 對(duì)混凝土的耐久性要求非常高,承臺(tái)混凝土內(nèi)、表均不允許出現(xiàn)裂紋, 而承臺(tái)混凝土體積超大, 故對(duì)水泥水化熱的控制, 即對(duì)混凝土內(nèi)、表溫差的控制, 防止混凝土表面出現(xiàn)裂紋是本工程最大的難點(diǎn)。
3 承臺(tái)施工前的準(zhǔn)備工作
3.1 混凝土原材料和配合比的選擇
混凝土原材料選用原則: 優(yōu)選材質(zhì), 提高普通混凝土的抗拉性能; 應(yīng)用微膨脹外加劑, 改善混凝土的收縮性質(zhì);選用有效的緩凝高效減水劑和粉煤灰, 提高混凝土的和易性, 減少水化熱。
(1) 水泥: 考慮普通水泥水化熱較高, 特別是應(yīng)用到大體積混凝土中, 大量水泥水化熱不易散發(fā), 在混凝土內(nèi)部溫度過高, 與混凝土表面產(chǎn)生較大的溫度差, 使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力, 表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)表面拉應(yīng)力超過早期混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫, 因此本工程采用水化熱比較低的華新P.O32.5礦渣硅酸鹽水泥, 通過摻加合適的外加劑可以改善混凝土的性能, 提高混凝土的抗?jié)B能力。
(2) 粗骨料: 骨料在大體積混凝土中所占的比例一般為混凝土絕對(duì)體積的80% ～83% , 應(yīng)選用膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級(jí)配良好的骨料。本工程采用陽新碎石, 粒徑5 mm～26.5 mm, 含泥量不大于0.7%。選用粒徑較大、級(jí)配良好的石子配制的混凝土, 和易性較好, 抗壓強(qiáng)度較高, 同時(shí)可以減少用水量及水泥用量, 從而使水泥水化熱減少, 降低混凝土溫升。
(3) 細(xì)骨料: 宜選用顆粒堅(jiān)硬、級(jí)配良好、粒徑小于5 mm的天然潔凈中砂, 其細(xì)度模數(shù)2.3～3.0, 含泥量≤2.0% , 其中泥塊含量≤0.5%。本工程采用洞庭湖中砂,平均粒徑大于0.5 mm, 含泥量不大于2% , 選用平均粒徑較大的中砂拌制的混凝土比采用細(xì)砂拌制的混凝土可減少用水量10%左右, 同時(shí)相應(yīng)減少水泥用量, 使水泥水化熱減少, 降低混凝土溫升, 并可減少混凝土收縮。
(4) 粉煤灰: 由于混凝土的澆筑方式為泵送, 且泵送距離約300 m, 為了改善混凝土的和易性便于泵送, 考慮摻加適量的粉煤灰。粉煤灰對(duì)降低水化熱、改善混凝土和易性有利, 本工程選用青源熱電優(yōu)質(zhì)的Ⅱ級(jí)粉煤灰。
(5) 外加劑: 在混凝土中摻用高效減水劑, 既減少水泥用量、降低水化熱, 又延緩混凝土初凝時(shí)間, 延緩水泥水化熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間。本工程混凝土施工面積巨大, 對(duì)混凝土的初凝時(shí)間要求長, 選用平頂山神翔FDN - 800型緩凝高效減水劑, 外加劑的緩凝時(shí)間能滿足施工的要求,使混凝土拌合物的初凝時(shí)間達(dá)到20 h～30 h, 其減水率在15%以上, 且能良好地改善混凝土的和易性和工作性。
(6) 拌和用水采用長江水, 水質(zhì)應(yīng)符合TB10210 -2001的規(guī)定。
我們通過試配, 在9組配合比試驗(yàn)中, 篩選出最優(yōu)配合比如下表1, 配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表2。
注: 參照《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與施工規(guī)范(討論稿) 》, 做混凝土抗裂性能對(duì)比試驗(yàn), 未發(fā)現(xiàn)裂紋,因此可判定該配合比的混凝土抗裂性能良好。
3.2 混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸方案的選定
承臺(tái)體積龐大, 因此我們盡最大可能組織足夠資源進(jìn)行混凝土施工, 施工采用灘地、水上混凝土兩個(gè)混凝土攪拌站同時(shí)泵送混凝土, 灘地混凝土工廠配備2 套獨(dú)立的HZS - 90型強(qiáng)制式混凝土生產(chǎn)設(shè)備, 實(shí)行全自動(dòng)化生產(chǎn),其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 m3 /h, 生產(chǎn)的混凝土通過2臺(tái)HBT- 60C混凝土泵輸送到現(xiàn)場, 泵送距離約300 m; 水上混凝土工廠配備2套獨(dú)立的HZS - 90型強(qiáng)制式混凝土生產(chǎn)設(shè)備,實(shí)行全自動(dòng)化生產(chǎn), 其設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為120 m3 /h, 生產(chǎn)的混凝土通過2臺(tái)HBT - 80C混凝土泵輸送到現(xiàn)場, 泵送距離約80 m。本工程在冬季施工, 混凝土攪拌時(shí)間比在常溫時(shí)施工延長50%。
3.3 現(xiàn)場施工準(zhǔn)備情況
(1) 基坑內(nèi)積水、建筑垃圾已排除干凈。
(2) 承臺(tái)模板、鋼筋及預(yù)埋件施工完畢, 并報(bào)驗(yàn)檢查合格。
(3) 管理人員、施工人員、后勤人員、保衛(wèi)人員等晝夜排班, 堅(jiān)守崗位, 各負(fù)其責(zé), 混凝土灌注、養(yǎng)護(hù)所需的機(jī)具設(shè)備配備齊全, 保證混凝土連續(xù)澆灌的順利進(jìn)行。
4 冷卻水管、測溫元件安裝
鑒于3#主塔墩承臺(tái)體積龐大, 為確保降溫措施切實(shí)有效, 我們委托湖北工業(yè)大學(xué)針對(duì)3#墩大體積混凝土水化熱進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算, 并根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行冷卻水管的布置。
4.1 冷卻水管布置方法如下:
(1) 為減少混凝土內(nèi)部水化熱, 降低混凝土內(nèi)外溫差,避免混凝土開裂, 采取在混凝土內(nèi)設(shè)冷卻水管通水降溫的措施。
(2) 冷卻水管網(wǎng)按照冷卻水由熱中心區(qū)域(承臺(tái)中間部位) 流向邊緣區(qū)的原則分層分區(qū)布置, 每層冷卻管的進(jìn)、出水口相互錯(cuò)開; 由于承臺(tái)混凝土規(guī)模龐大, 根據(jù)混凝土澆筑的施工順序, 冷卻管布置分為4段8個(gè)區(qū)域: 沿承臺(tái)長度方向分為4段, 每一段均分為2個(gè)區(qū)域, 每個(gè)區(qū)域內(nèi)布置1套獨(dú)立的冷卻水管。
(3) 冷卻水管采用壁厚2.5 mm、直徑<42 mm的圓鋼管。承臺(tái)厚6 m, 沿承臺(tái)豎向布置6層水平冷卻水管網(wǎng), 管網(wǎng)間垂直間距為1.0 m和0.75 m兩種, 頂層管網(wǎng)至承臺(tái)頂面距離為0.5 m, 底層管網(wǎng)至承臺(tái)底距離為0.75 m; 同一管網(wǎng)內(nèi)水管間的水平間距為1.0 m, 最外層水管距離混凝土最近邊緣1.0 m左右; 管網(wǎng)的進(jìn)出水口需垂直引出混凝土頂面0.5 m以上, 且出水口裝有調(diào)節(jié)流量的閥門和測流量裝置。同一層水管網(wǎng)的垂直進(jìn)出水口要相互錯(cuò)開至少1.0 ,不同層水管網(wǎng)的進(jìn)出水口也應(yīng)相互錯(cuò)開至少1.0 m, 以便進(jìn)行區(qū)分。
(4) 冷卻水管安裝時(shí), 冷卻水管應(yīng)與承臺(tái)主筋錯(cuò)開,若錯(cuò)開有困難, 可適當(dāng)移動(dòng)水管位置; 冷卻管應(yīng)與鋼筋骨架或架立鋼筋綁扎牢靠, 以防水管在混凝土振搗過程中變形或接頭脫落。
(5) 冷卻管網(wǎng)安裝完成后, 冷卻管網(wǎng)應(yīng)分區(qū)分層編號(hào),每一層管網(wǎng)的進(jìn)出水管均應(yīng)編號(hào)登記; 將進(jìn)出水管與總管、水泵接通, 每層每區(qū)域冷卻水管各自獨(dú)立供水, 進(jìn)行通水試驗(yàn), 對(duì)接頭縫隙進(jìn)行處理, 保證密封、通暢。
(6) 冷卻水管布置見圖1。
4.2 測溫元件布置
對(duì)大體積混凝土施工進(jìn)行溫度測試和監(jiān)控, 是為了掌握混凝土內(nèi)部的最高溫升及中心部位與表面部位的溫度差,以便采取內(nèi)部降溫、外部保溫蓄熱的技術(shù)措施, 降低并控制混凝土的內(nèi)外溫差, 防止混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋。
(1) 為準(zhǔn)確測量、監(jiān)控混凝土的內(nèi)部溫度, 指導(dǎo)混凝土的通水養(yǎng)護(hù), 確保大體積混凝土的施工質(zhì)量, 我們在承臺(tái)混凝土內(nèi)布置了溫度測量裝置。
(2) 混凝土的溫度測試是采用熱電偶作溫度傳感器,將其密封并牢固綁扎在承臺(tái)水平鋼筋上, 用電纜連接到多點(diǎn)數(shù)字顯示巡檢儀上, 逐次顯示各測點(diǎn)的溫度, 從而達(dá)到對(duì)混凝土進(jìn)行溫度測試和監(jiān)控的目的。
(3) 由于承臺(tái)的平面形狀是雙向?qū)ΨQ的, 冷卻水管也是對(duì)稱布置的, 考慮材料的節(jié)約和數(shù)據(jù)的可靠性、代表性,混凝土的溫度測試監(jiān)控在1 /4平面內(nèi)進(jìn)行。
(4) 3#墩承臺(tái)測溫元件沿豎向布置2層, 第一層布置在標(biāo)高+ 5.25 m平面處, 用于監(jiān)測第一次承臺(tái)混凝土溫度,第二層布置在標(biāo)高+ 8 m平面處, 用于監(jiān)測第二次承臺(tái)混凝土溫度, 測溫元件的安裝一定要位于兩層冷卻水管之間的中部位置; 每一層布置13個(gè)測點(diǎn), 分別位于縱橫2個(gè)方向的1 /8、1 /4、3 /8、1 /2這4個(gè)斷面上及承臺(tái)長邊1 /2斷面的側(cè)面, 大氣中布置一個(gè)測點(diǎn), 并對(duì)測溫元件進(jìn)行編號(hào)、登記, 測溫元件平面布置見圖2。
5 混凝土施工
5.1 3#墩承臺(tái)體積龐大, 澆筑前必須做好充分的準(zhǔn)備工作。
(1) 混凝土澆筑前, 首先將基坑內(nèi)的雜物、積水和鋼筋上的污垢清理干凈; 對(duì)模板、鋼筋、預(yù)埋件、冷卻水管網(wǎng)和測溫管進(jìn)行詳細(xì)的檢查, 并作好記錄, 符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求后方可澆筑混凝土。
(2) 由于混凝土在低溫季節(jié)澆筑, 為減少混凝土輸送過程中的溫度損失, 混凝土輸送泵管全部用干草袋包裹保溫。
(3) 混凝土灌注時(shí), 灘地、岸上共四臺(tái)泵向基坑輸送混凝土, 每臺(tái)泵在圍堰施工平臺(tái)上配置一臺(tái)HG15型手動(dòng)布料機(jī), 布料機(jī)設(shè)置在圍堰內(nèi)支架頂面, 內(nèi)支架頂距承臺(tái)基坑底高度11.7 m, 每臺(tái)布料機(jī)配置5套串筒, 每套串筒高度10 m。
(4) 混凝土澆筑采用從中間向上、下游方向全斷面逐步推進(jìn)的方法, 因此, 在布料機(jī)輸送管出口處配置了8 m的軟管, 以方便移動(dòng)。并將串筒按灌注順序擺放好, 在灌注混凝土的過程中依次倒用。
5.2 混凝土灌注
(1) 試驗(yàn)員對(duì)生產(chǎn)出來的混凝土進(jìn)行檢查監(jiān)控, 按規(guī)范的要求進(jìn)行坍落度試驗(yàn)、制作混凝土試件, 并觀察混凝土的和易性, 符合要求才能使用。
(2) 混凝土澆筑采用斜向分層、從中間向兩邊全斷面逐步推進(jìn)的方法進(jìn)行施工, 澆筑過程中提前倒用串筒, 并盡可能加快混凝土的澆筑速度; 在澆筑混凝土?xí)r, 同步抽出圍堰相應(yīng)位置雙壁隔艙內(nèi)相應(yīng)重量的水, 以減少圍堰的荷載, 確保圍堰的安全。
(3) 混凝土振搗采用B50振動(dòng)棒和B70振動(dòng)棒配合使用, 澆筑時(shí)應(yīng)準(zhǔn)備足夠數(shù)量的B50 振動(dòng)棒和B70振動(dòng)棒。承臺(tái)的水平鋼筋網(wǎng)尤其是底部水平鋼筋網(wǎng)鋼筋密集、鋼筋之間的空隙小, 混凝土不易流動(dòng)、大的振搗棒插搗困難,在該部分振搗時(shí)采用B50振動(dòng)棒; 水平鋼筋網(wǎng)之間的部分,鋼筋數(shù)量很少, 采用B70振動(dòng)棒插搗。在振搗時(shí), 要特別防止振動(dòng)棒碰到冷卻水管, 以免冷卻水管變形或因接頭脫落而堵塞。
(4) 某一區(qū)域的冷卻水管被混凝土完全覆蓋后, 立刻將該區(qū)域的冷卻水管通水, 從而盡量減少新老混凝土的溫差, 防止混凝土開裂。
6 混凝土的養(yǎng)護(hù)與溫度控制
6.1 混凝土養(yǎng)護(hù)
混凝土澆筑完畢終凝后即開始養(yǎng)護(hù)。混凝土養(yǎng)護(hù)采用保溫蓄熱法: 由于氣溫低, 混凝土終凝后, 我們在混凝土表面覆蓋2層麻袋、2層塑料薄膜, 上下兩層麻袋相互錯(cuò)開, 麻袋之間相互搭接, 這樣就隔絕了大氣與混凝土表面的直接接觸, 形成良好的保溫層, 并保持混凝土表面濕潤。
6.2 通水冷卻
(1) 某一區(qū)域內(nèi)的冷卻水管被澆筑混凝土完全覆蓋并振搗完畢后, 立刻在該區(qū)域的冷卻水管中通水, 對(duì)混凝土進(jìn)行降溫; 承臺(tái)混凝土通水冷卻時(shí), 冷卻管排出的水全部引至圍堰外, 以保證圍堰的安全。
(2) 控制冷卻水的流量, 使進(jìn)、出口水的溫差不大于6 ℃, 一般可控制在1.2 m3 /h～1.5 m3 /h。
6.3 測溫監(jiān)控
(1) 測溫時(shí)間: 混凝土覆蓋某測溫點(diǎn)后該點(diǎn)即開始測溫, 承臺(tái)兩次混凝土測溫均為18天, 第18天時(shí)混凝土內(nèi)、表溫度基本一致。
(2) 測溫頻率: 在溫度上升階段每2小時(shí)測一次, 溫度下降階段每4小時(shí)測一次, 溫度穩(wěn)定階段每4小時(shí)測一次; 大氣溫度、進(jìn)出冷卻水溫同時(shí)測量。
(3) 通過對(duì)測定的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析, 及時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場混凝土養(yǎng)護(hù)。一般通過調(diào)節(jié)冷卻水流量等方法來調(diào)控混凝土內(nèi)部溫度, 特別是在降溫階段, 為防止混凝土降溫太快, 我們在溫度監(jiān)測的過程中不定時(shí)地隔層停止冷卻水管的通水, 盡量使混凝土溫度降溫一天不超過2 ℃。
(4) 測定混凝土溫度上升的峰值及達(dá)到峰值所需的時(shí)間, 定期記錄冷卻水管進(jìn)、出水口的水 溫, 繪制混凝土內(nèi)部溫度變化曲線。我們對(duì)承臺(tái)大體積混凝土不同齡期的計(jì)算溫度(峰值) 和實(shí)測溫度(承臺(tái)中心測溫點(diǎn)) 進(jìn)行了對(duì)比, 見圖3。從圖中可以看出承臺(tái)兩次澆注的混凝土內(nèi)部實(shí)測溫度均低于計(jì)算值, 且根據(jù)實(shí)測溫度記錄, 承臺(tái)混凝土內(nèi)、表溫差最大值為9℃, 冷卻水管進(jìn)出水溫差最大值為6 ℃; 從上述可知,我們對(duì)承臺(tái)大體積混凝土的水化熱控制非常理想, 有效地防止了裂紋的產(chǎn)生。
7 結(jié)束語
武漢天興洲長江大橋3#主塔墩承臺(tái)施工, 在混凝土終凝、拆模、養(yǎng)護(hù)期結(jié)束及砼28天齡期等不同階段, 通過仔細(xì)檢查, 混凝土表面均未出現(xiàn)裂紋, 質(zhì)量優(yōu)良。通過武漢天興洲長江大橋3#主塔墩承臺(tái)施工實(shí)踐證明, 在超大體積混凝土施工過程中, 優(yōu)選混凝土原材料, 科學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化混凝土配合比, 依據(jù)計(jì)算的理論水化熱來合理布置冷卻水管、測溫元件, 施工時(shí)合理組織, 提高砼澆灌速度, 認(rèn)真做好溫度監(jiān)控及砼表面覆蓋、通水養(yǎng)護(hù)工作, 對(duì)控制大體積混凝土的內(nèi)、表溫差, 避免混凝土裂紋的產(chǎn)生是行之有效的施工方法。
