拱座大體積混凝土施工技術交流

拱座大體積混凝土施工技術交流第1頁/共51頁主要內(nèi)容技術交流材料

四、液化氮降溫技術五、砼運輸、澆注措施

八、無線測溫技術

一、工程概況六、冷卻水自動循環(huán)系統(tǒng)設計與應用七、邁達斯軟件仿真模擬

九、實施效果三、原材料及配合比優(yōu)化二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化第2頁/共51頁2023/4/10102m102m416m南盤江特大橋位于云南省紅河州與文山州交界的南盤江上，橋梁全長852.43m。主橋采用單跨416m上承式勁性骨架鋼筋混凝土拱橋。南寧2×852.43m43.7m3-42m8-39.5m2-60.9m60.9-104-60.9m昆明5#墩6#墩一、工程概況第3頁/共51頁

南盤江大橋橋址處于高山峽谷地區(qū)，地形陡峻，坡面植被茂密、灌木叢生。拱座處地質(zhì)為灰?guī)r及泥灰?guī)r，基巖節(jié)理較為發(fā)育，發(fā)育呈現(xiàn)兩個不同方向，上部覆粉質(zhì)粘土覆蓋層；年平均氣溫17.1℃。一、工程概況拱座工程概況第4頁/共51頁

拱座形式:

5號拱座設計為臺階基礎，平面尺寸為48×32m,高度為24m，拱座底部呈臺階狀，拱座分為C30底層混凝土和C40核心受力混凝土兩部分，共分19次澆注，澆注混凝土數(shù)量為3.2萬方。一、工程概況拱座工程概況第5頁/共51頁

6號拱座設計為臺階基礎，平面尺寸為48×26m,高度為24m，6號拱座在上游側(cè)因地形地質(zhì)原因設置5m深5×5m混凝土加強塊，基礎為明挖擴大基礎，拱座與5號拱座同樣分為C30底層混凝土和C40核心受力混凝土兩部分，共分20次澆注（混凝土加強塊一次），澆注混凝土方量為2.6萬方。一、工程概況拱座工程概況第6頁/共51頁7拱座混凝土分次澆注其中C30部分分左右幅澆注，共14次，C40部分5次，每個拱座19次澆注第7頁/共51頁工程難點：1、南盤江大橋拱座施工周期長達6個月，難以避免在夏季高溫季度施工大體積混凝土，要滿足施工規(guī)范規(guī)定混凝土入模溫度不大于30℃要求，難度大。2、拱座位于陡坡地形處，場地狹小，無法布置大容量冷卻水水池。拱座結(jié)構規(guī)模大，高度達24m，冷卻水水位高差大，冷卻系統(tǒng)要同時對四次澆注（上下層入左右幅）的混凝土進行降溫，系統(tǒng)設計難度大。一、工程概況第8頁/共51頁工程難點：3、兩個拱座共分39次澆注，施工工期長達6個月，測溫數(shù)據(jù)工作量巨大。傳統(tǒng)的人工測溫難以滿足要求。4、拱座混凝土施工溫控防裂措施和環(huán)節(jié)有多種，如何對這些溫控措施在施工前進行綜合評估，并將可能采用的方法及參數(shù)進行優(yōu)化優(yōu)選，十分必要。一、工程概況第9頁/共51頁針對工程難點的應對措施（技術創(chuàng)新）1、采用液化氮降溫技術對拌合站進行改裝，保證混凝土入模溫度小于30℃；2、設計大流量、小容量、自動控制的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，滿足現(xiàn)場場地狹小狀況；3、引入遠程無線自動測溫技術，將測溫主機設在項目分部，及時對大體積混凝土進行自動測溫，技術人員可隨時進行溫控評估；4、應用邁達斯軟件對所采用溫控措施進行模擬評估、優(yōu)化。一、工程概況第10頁/共51頁二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化拱座結(jié)構設計可以分成與交界墩及拱圈相接的核心受力部分，C40鋼筋混凝土結(jié)構，和與地基相接部分的相對低配筋率和低強度的C30混凝土部分。在收到設計院拱座結(jié)構咨詢圖后，我們按照混凝土防裂通常采用的加強約束防裂與通過釋放約束防裂原則對結(jié)構設計進行了相應的優(yōu)化。第11頁/共51頁二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化1、釋放約束防裂優(yōu)化根據(jù)拱座C30與C40不同混凝土部分受力狀況的不同，C30起著將C40混凝土的整體受力與地基相傳遞的作用，考慮到此部分結(jié)構橫橋向長48米，鋼筋配筋率為10.33kg/m3，鋼筋數(shù)量難以約束混凝土收縮應力，為防止拱座砼橫橋向收縮開裂，提請設計在結(jié)構中部設置斷逢，起到釋放混凝土結(jié)構應力，有效防止混凝土不規(guī)則裂縫。建議設計取消拱座核心受力C40混凝土部分與下部C30混凝土部分接碴鋼筋，有利于C40混凝土整體相對自由收縮變形。第12頁/共51頁二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化拱座c30砼部分鋼板斷縫設計情況示意圖第13頁/共51頁二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化拱座c30砼部分鋼板斷縫現(xiàn)場施工圖片第14頁/共51頁二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化拱座c40第一層砼與下層沒有接楂鋼筋第15頁/共51頁二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化2、加強約束防裂優(yōu)化拱座C40混凝土部分長邊達到40米，為防止后期混凝土收縮及混凝土因徐變在長邊方向產(chǎn)生的變形，防止混凝土后期裂縫。建議設計院在沿拱座最長邊設置橫橋向預應力，預應力在拱座混凝土澆注完成后集中張拉，設計院同意在拱座設置143束300T的橫向預應力，預應力張拉后能引起拱座C40混凝土部分1.8mm的收縮變形，可以有效防止混凝土后期裂縫的產(chǎn)生。第16頁/共51頁二、拱座防裂結(jié)構優(yōu)化拱座C40砼部分橫向預應力設置圖第17頁/共51頁三、原材料及混凝土配合比優(yōu)化水泥：通過多廠家比選，采用云南省壯山實業(yè)股份有限公司P.O42.5水泥。主要比選指標有：水泥的水化熱、水泥的比表面積。水泥的比表面積越大，水泥與水的水化反應速度就越快，導致水化放熱快、使溫控困難，混凝土收縮增大，裂縫危險性增大。粗骨料：采用反擊破工藝生產(chǎn)的碎石，顆粒形狀好，配合比采用三級配組合。第18頁/共51頁三、原材料及混凝土配合比優(yōu)化細骨料：細度模數(shù)為2.9，粒徑在0.315以下的所占的比例為17%。配合比：采用雙摻技術，即在混凝土中摻入粉煤灰和聚羧酸高效減水劑。摻入粉煤灰可以降低水泥用量，減少水化熱，還能改善混凝土的粘塑性和保水性，同時改善泌水性和離析現(xiàn)象，并提高混凝土抗?jié)B能力和混凝土的后期強度。第19頁/共51頁三、原材料及混凝土配合比優(yōu)化高效減水劑，能顯著改善新拌混凝土的工作性能；提高混凝土拌合物的流動性；減少水泥用量；保持不泌水、不離析、不分層；提高混凝土的勻質(zhì)性、可泵性；調(diào)節(jié)混凝土初、終凝時間。減少膠凝材料用量尤其是水泥用量，相應降低混凝土水化熱。聚羧酸獨特的優(yōu)點：低摻量、高減水率，強分散性，與不同的水泥具有相對較好的適應性，低坍落度損失，更好地解決混凝土的引氣、緩凝、泌水等問題，混凝土后期強度較高等?，F(xiàn)在有一種觀點認為，有機高效減水劑在混凝土硬化過程中形成高分子鏈，有提高混凝土強度的功效第20頁/共51頁（6）確定配合比如下:強度等級C30混凝土配合比（水膠比0.46）

水泥粉煤灰細骨料粗骨料減水劑水25911183510214.071701.000.433.223.940.0160.66第21頁/共51頁強度等級C40混凝土配合比（水膠比0.41）水泥粉煤灰細骨料粗骨料減水劑水2901258159964.571701.000.432.813.430.0160.66第22頁/共51頁四、液化氮降溫技術南盤江大橋地處南亞熱帶或中亞熱帶氣候，夏季氣溫高達35℃以上，加之高原日照強烈，混凝土入模溫度難以保證在30℃以內(nèi)；為此技術人員經(jīng)過反得研究，在對比了冰塊降低拌合用水，和液化氮對骨料進行降溫的試驗后；為保證混凝土入模溫度控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內(nèi)。技術人員研究決定采用液化氮對拌合站進行改裝。第23頁/共51頁四、液化氮降溫技術在拌合機攪拌罐內(nèi)安裝液化氮供應管道，在管道上安裝噴頭，將液化氮供應管道與現(xiàn)場的小型液氮供氣站相連，在混凝土拌合過程中利用液化氮供氣站連續(xù)向拌合機攪拌罐內(nèi)注入低溫氮氣，利用低溫氮氣對攪拌過程中的混凝土進行降溫，根據(jù)降溫幅度需要，可以通過調(diào)節(jié)液化氮的供氣量來調(diào)節(jié)混凝土的出倉溫度。第24頁/共51頁現(xiàn)場液化氮供氣站液化氮改裝混凝土拌和站原理圖第25頁/共51頁四、液化氮降溫技術根據(jù)現(xiàn)場兩臺攪拌機的混凝土生產(chǎn)能力每小時能生產(chǎn)70m3/h，白天7.5小時混凝土的生產(chǎn)量為525m3，折算一臺YDZ-1000（即1m3）自增壓液氮氣罐可以將白天生產(chǎn)的525m3混凝土降低混凝土溫度為5.2℃可以滿足夏季白天氣溫高和日照強烈條件下將混凝土出倉溫度降至30℃以內(nèi)的要求。根據(jù)南盤江特大橋拱座混凝土施工的實際情況，經(jīng)過反復比選，最終確定選擇2臺YDZ-1000自增壓液氮氣罐組成供氣站，一臺施用，一臺用于運輸、充氣備用。第26頁/共51頁四、液化氮降溫技術有資料報道美國陸軍工程師團曾于上世紀40年代發(fā)展了預冷骨料的大體積混凝土施工方法，提出了混凝土出機溫度應控制在10℃以內(nèi)時，可有效防止了大體積混凝土裂縫的發(fā)生。據(jù)了解，一套每天生產(chǎn)能力為5m3的液化氮設備價格約在180萬元左右，如水利工程等其他累計更大體量大體積混凝土結(jié)構施工中，建議使用配套液化氮生產(chǎn)設備，可以進一步考慮應用液化氮對水泥、混凝土骨料及拌合用水進行預降溫，可以縮短因降溫所需的拌合時間，完全可以滿足混凝土出機溫度控制在10℃以內(nèi)的要求。第27頁/共51頁五、混凝土運輸、澆注措施在混凝土運輸罐體外側(cè)加裝棉氈，在拌合站及混凝土澆注場地，不斷對棉氈進行澆水，防止陽光直射引起罐體升溫而至致期中混凝土升溫。第28頁/共51頁五、混凝土運輸、澆注措施在擬澆注混凝土現(xiàn)場上方搭設防雨遮陽棚，既可以防止雨天雨水流入混凝土，影響混凝土質(zhì)量，又可以防止強烈的陽光照射引起混凝土升溫和混凝土性能。第29頁/共51頁五、混凝土運輸、澆注措施二次振搗混凝土在澆注振搗后至初凝之前的靜停過程中，粗細顆粒上下分布不均勻,形成混凝土的外分層；隨著外分層的發(fā)展，粗內(nèi)料周圍區(qū)域密實度發(fā)展不均勻，形成上部區(qū)域密實度最大，側(cè)面區(qū)域中等，下部區(qū)域密實度最?。ǔ渌畢^(qū)）的內(nèi)分層，內(nèi)外分層的作用結(jié)果是在粗骨料下部形成充水區(qū)，充水區(qū)中含有一部分氣體，隨著時間增長水分蒸發(fā)，就會形成空穴，會嚴重降低混凝土的強度。第30頁/共51頁五、混凝土運輸、澆注措施間隔一定時間進行的二次振搗，將由于內(nèi)分層被封閉在粗骨料下部的水囊內(nèi)的水和氣泡釋放出來，使得這個充水區(qū)重新被水泥漿體所填塞，加之二次振搗后混凝土會很快凝結(jié)，形成的結(jié)構可以達到一種比較理想的狀態(tài)?？梢栽龃蠡炷恋拿軐嵍群途鶆蛐院蛷姸取６握駬v間隔時間由試驗人員配合現(xiàn)場簡易測試為主，一般應按初凝時間稍有提前為宜，以保證混凝土不致于在初凝后再進行二次振搗而受到干擾。第31頁/共51頁五、混凝土運輸、澆注措施二次收面一次提漿后，如再次提漿會對混凝土內(nèi)部造成擾動，嚴重影響混凝土強度；為了保證混凝土工作性，混凝土必須具備一定的流動性，這樣混凝土內(nèi)的水分要遠遠超出混凝土硬化所需水分，提漿后混凝土表面水分較多，第一收面是為了將混凝土表面整平或達到結(jié)構要求的形狀，第二次收面基本是在初凝時，主要是保證混凝土表面光潔及防止在表面水分蒸發(fā)后防止混凝土表面產(chǎn)生干縮裂縫。第32頁/共51頁五、混凝土運輸、澆注措施塑料薄膜及時覆蓋塑料薄膜密封，既可有效阻止水泥漿體水分繼續(xù)蒸發(fā)，又可減少水泥石內(nèi)部與外部的溫差。需要注意的是，薄膜材料的周邊及材料接頭重疊處須用砂等能密封的重物壓實，薄膜材料接頭須有不小于5厘米的重疊量，在覆蓋后的檢查中，薄膜內(nèi)表面應能看到附著有飽和水珠，否則應對薄膜的周邊、接頭及薄膜是否破損進行檢查。第33頁/共51頁五、混凝土運輸、澆注措施在混凝土表面采取保溫措施，控制混凝土內(nèi)外溫差及表面與環(huán)境溫差，避免出現(xiàn)深層裂縫和表面裂縫?；炷帘砀采w草簾和薄膜第34頁/共51頁六、冷卻水自動循環(huán)設計與應用由于拱座位于陡坡地形處，無法布置大容量水池，拱座結(jié)構體量大，分次澆注次數(shù)多，每個拱座最大需要同時對四塊先后澆注的混凝土進行降溫，按暖通專業(yè)計算，要求冷卻水流量不能小于32方。且冷卻系統(tǒng)要能夠適應拱座結(jié)構達26m高差的使用。第35頁/共51頁六、冷卻水自動循環(huán)設計與應用為此我們在大體積混凝土結(jié)構上方設置高位水池，在混凝土構件附近設置低位水池，利用高、低位水池的壓力差，將冷卻水壓入混凝土構件內(nèi)的冷卻水管，采用管道離心泵，將冷卻水從低位水池壓入高位水池，管道離心泵采用水位感應自動開關，實現(xiàn)了小容量小池，大流量的循環(huán)；通過閥門調(diào)節(jié)循環(huán)水量與水泵額定流量相等，即可實現(xiàn)冷卻水自動循環(huán)。有效克服了人工值守循環(huán)系統(tǒng)的不可靠性。第36頁/共51頁六、冷卻水自動循環(huán)設計與應用第37頁/共51頁六、冷卻水自動循環(huán)設計與應用大體積混凝土分層施工，每層結(jié)構不一，澆注上層混凝土時，下層混凝土仍需進行冷卻水散熱，在C30混凝土澆注過程中，通常需要對4塊混凝土進行降溫，混凝土構件散熱系統(tǒng)在施工過程中不斷變化，相應的管道阻力也在變化；考慮到水泵運行需要在一人額定的工作狀態(tài)下進行，在系統(tǒng)中將水泵設置成由低位水池向高位水池供水的形式，保證循環(huán)水泵在一個穩(wěn)定的工作條件下運行，有利于保證循環(huán)水泵長時間有效運行。第38頁/共51頁六、冷卻水自動循環(huán)設計與應用測溫顯示，高、低位水池水溫差在1℃左右，主要原因為水循環(huán)太快，熱量難以在短時間內(nèi)散發(fā)，對應的措施。第39頁/共51頁七、邁達斯模擬分析采用midas軟件對混凝土施工過程和環(huán)境進行仿真模擬，根據(jù)仿真結(jié)果制定合理的施工方案，主要仿真模擬優(yōu)化的方面有：混凝土分次澆注厚度，模擬發(fā)現(xiàn)初次澆注時，由于沒有下層混凝土的熱效應影響，混凝土芯部溫度較低，遂將首次澆注厚度定為4m，其他分次澆注厚度不宜大于3m，結(jié)合拱座結(jié)構形式進行分次厚度的確定。分次澆注的間隔時間，分次澆注的時間間隔對比了5天、7天、9天，發(fā)現(xiàn)間隔7天與間隔9天對混凝土溫升影響不大，決定混凝土上、下分次澆注時間不小于7天。第40頁/共51頁七、邁達斯模擬分析模擬冷卻管的布置方案，冷卻水管直徑的確定，對比模擬了冷卻管間距在80×100cm、100×120cm、100×100cm，從最終形成的降溫圖形看，100×100cm的效果較好，又便于施工控制。冷卻水管直徑對比了?25、?32、?48等三種直徑，結(jié)合以往經(jīng)驗最終選定?32鋼管作為冷卻水管。冷卻水流量對冷卻效果的影響；對比冷卻水管內(nèi)水流量發(fā)現(xiàn)，當水管中水流量低于2倍紊流流量時，冷卻水帶走熱量的效果較差，為保證降溫效果，選取每根鋼管流量不小于1.5m3/h計算，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)設計按20根冷卻管同時工作設計，即循環(huán)水量不小于30m3/h配置。第41頁/共51頁七、邁達斯模擬分析總體而言，由于水泥的絕熱溫升和邊界條件、氣溫、濕度等難以精確確定，所以邁達斯對施工進行定量分析結(jié)果不是很準確，但可以用來作為方案中各種參數(shù)的優(yōu)化的定性分析，進行方案優(yōu)化是一種很好的選擇。第42頁/共51頁七、邁達斯模擬分析第43頁/共51頁八、無線測溫大體積混凝土施工，溫度測量工作是進行溫控的基礎工作，也是對方案中制作的各項溫控方案效果評判的依據(jù)，所以溫度測量工作十分重要；南盤江拱座共分39次澆注，測溫點按三維坐標中心軸半軸布設，每個澆注塊測點基本為15個，每個點測溫時間為14天，約有9.83萬個測溫數(shù)據(jù)。工作量巨大，采用傳統(tǒng)的采用人工進行溫度測量會使得測量的數(shù)據(jù)不能及時真實地反映施工的實際情況，在