天津港大體積墩臺(tái)混凝土施工技術(shù)

大體積墩臺(tái)混凝土施工技術(shù)郭和利摘要：本文結(jié)合天津港地區(qū)數(shù)個(gè)高樁墩臺(tái)碼頭結(jié)構(gòu)型式,就墩臺(tái)混凝土的體積大，水化熱造成溫差大,從而容易產(chǎn)生溫度應(yīng)力，形成裂縫問題，在施工中采取措施如何避免裂縫，提高墩臺(tái)混凝土的質(zhì)量進(jìn)行總結(jié)。關(guān)鍵詞：大體積；墩臺(tái)；混凝土；裂縫。1墩臺(tái)混凝土的抗裂計(jì)算施工溫度，施工平均氣溫20℃，混凝土澆注入模溫度20℃，尺寸長(zhǎng)30米，寬20米，高2米，配筋率EgAg/EcAc1．1配制混凝土的要求墩臺(tái)混凝土的絕熱溫升與水泥的品種、用量和混凝土配合比有密切關(guān)系需滿足低水化熱值和混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40要求。為此做了以下幾點(diǎn)調(diào)整：（1）采用高效減水劑降低混凝土中水的用量；（2）采用UEA（微膨脹劑）增強(qiáng)混凝土的抗裂性能；（3）采用松香熱聚物AE作為防凍劑，增強(qiáng)混凝土的防凍性能;（4）采用二級(jí)以上粉煤灰替代部分水泥來(lái)增強(qiáng)混凝土的和易性;（5）墩臺(tái)混凝土采用的配合比如（如表1.1）。墩臺(tái)混凝土采用配合單位：Kg表1.1普硅水泥425水砂石減水劑AEUEA粉煤灰40016456811006.630.01640401.2混凝土的抗裂計(jì)算(1)混凝土的降溫系數(shù)ξ(t)如（如表1.不同齡期水化熱溫升的ξ值（2.0米厚）表齡期36912151821242730ξ(t)0.570.540.490.390.250.220.180.140.110.10(2)混凝土的溫度計(jì)算①絕對(duì)溫升值計(jì)算T(t)=mcQ(1-e-mt)/（Cρ）(式-1)T(t)——澆完一段時(shí)間t，混凝土的絕熱溫升值(℃);mc——每立方米混凝土水泥用量（kg/m3），取值400kg/m3;Q——每千克水泥水化熱量（J/kg），取377J/kg;C——混凝土的比熱取0.96kJ/kg.K;ρ——混凝土的質(zhì)量密度，到2400kg/m3;e——常數(shù)值，為2.718;t——齡期（天）;m——與水泥品種比表面、振搗時(shí)溫度有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，由下表查得，一般取0.2～0.4，根據(jù)當(dāng)時(shí)施工情況，取m=0.362。1-e-mt值表1澆筑溫度(℃)m齡期（天）123456789200.3620.3040.5150.6620.7650.8360.8860.9210.9450.962澆筑溫度(℃)m齡期（天）101112131415161718200.3620.9730.9810.9870.9910.9940.9960.9970.9980.999不同齡期參數(shù)、絕熱溫升值計(jì)算表1齡期（天）1369121518212427301-e-mt0.3040.6620.8860.9620.9870.9960.9991.001.001.001.00T(t)(℃)19.943.358.063.064.665.265.565.565.565.565.5②調(diào)整溫升值計(jì)算T=T(t)ξ(t)＝mcQ(1-e-mt)/(Cρ)ξ(t)(式-2)T(t)——在t齡期時(shí)混凝土的絕熱溫升(℃);ξ(t)——不同澆筑塊厚度的溫降系數(shù)，ξ＝Tm/Tn;Tn——混凝土的最終絕熱溫升值(℃);Tm——混凝土由水化熱引起的實(shí)際溫升(℃)。不同齡期調(diào)整溫升值計(jì)算結(jié)果表1齡期（天）36912151821242730ξ(t)0.570.540.490.390.250.220.180.140.110.10T(t).ξ(t)37.335.332.125.516.414.411.89.27.26.5注:T(t).ξ(t)——根據(jù)溫降系數(shù)求得不同齡期的水熱溫升值(℃)③中心溫度值計(jì)算 T=To+T(t)ξ(t)（式-3）Tmax=400×377×(1-e-∞)/(0.96×2400)=65.45℃Tmax——混凝土內(nèi)部中心最高溫度(℃);To——混凝土的澆筑入模溫度(℃)，取20℃混凝土內(nèi)部3天的中心溫度為T(3)=20+37.3=57.3℃不同齡期混凝土內(nèi)部中心溫度值結(jié)果表1齡期（天）36912151821242730中心溫度℃57.355.352.145.536.434.431.829.227.226.5混凝土采用草簾袋保溫，根據(jù)混凝土中心溫度的計(jì)算，15天后，室外溫度20℃，不保溫即可滿足內(nèi)外溫差小于25℃的要求，因此在2～15天必須進(jìn)行混凝土④混凝土中心溫度與表面溫度值的差值計(jì)算不同齡期混凝土表面溫度與溫差值計(jì)算表1齡期（天）36912151821242730表面溫度℃49.848.547.345.142.327.625.321.921.821.7溫差絕對(duì)值℃7.56.84.80.45.96.86.57.35.44.8(3)各齡期混凝土收縮變形值εy(t)=εy0(1-e-0.01t)×M1……M10（式-4）εy0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)混凝土最終收縮值(即極限收縮值)，取3.24×10-4;εy(t)——非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土任意齡期（天）的收縮變形值;M1～M10——考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件，與水泥品種細(xì)度、骨料品種、水灰比、水泥漿量、養(yǎng)護(hù)條件、環(huán)境相對(duì)溫度、構(gòu)件尺寸、混凝土搗實(shí)方法、配筋率等有關(guān)的修正系數(shù)。M1～M10取值和對(duì)應(yīng)條件表1M1=1.0普通水泥M6根據(jù)齡期取值M2=1.35水泥細(xì)度(5000)M7=0.88相對(duì)濕度(60%)M3=1.0骨料為花崗巖M8=1.4γ=(2×2+20)/(2×20)=0.6M4=1.0水灰比0.4M9=1.0機(jī)械振搗M5=1.2水泥漿量(25%)M10=0.85[(EaAa/EbAb)]配筋率為0.06注:γ—水力半徑的倒數(shù)m-1，為構(gòu)件截面周長(zhǎng)與截面積之比γ=L/A(Ea=2.0×105Eb=3.25×104)各齡期的M1×……×M10值與εy(t)值表1齡期（天）369121518212427301-e-0.01t0.02960.05820.0860.1130.1390.1650.1890.2130.2370.259M61.091.020.980.950.930.930.930.930.930.93M1×……×M101.851.731.661.611.581.581.581.581.581.58εy(t)×10-40.1770.3260.4620.5900.7130.8430.9691.0901.2131.326εy(3)=0.177×10-4εy(6)=0.326×10-4εy(9)=0.462×10-4εy(12)=0.590×10-4εy(15)=0.713×10-4εy(18)=0.843×10-4εy(21)=0.969×10-4εy(24)=1.090×10-4εy(27)=1.213×10-4εy(30)=1.326×10-4（4）混凝土當(dāng)量溫差計(jì)算Ty(t)=-εy(t)/α（式-5）Ty(t)——各齡期(d)混凝土收縮當(dāng)量溫差，負(fù)號(hào)表示降溫(表1.εy(t)——各齡期(d)混凝土收縮相對(duì)變形值。表1齡期（天）36912151821242730Ty(t)℃-1.77-3.26-4.62-5.90-7.13-8.43-9.69-10.9-12.1-13.3（5）彈性模量計(jì)算E(t)=Ec(1-e-0.09t)（式-6）E(t)——混凝土從澆筑到計(jì)算時(shí)的彈性模量(N/mm2);Ec——混凝土的最終彈性模量(N/mm2)，可近似取28d的混凝土彈性模量，取為3.25×104N/mm2。各齡期彈性模量計(jì)算如下：E(3)=0.77×104E(6)=1.36×104E(9)=1.5×104E(12)=2.15×104E(15)=2.41×104E(18)=2.61×104E(21)=2.76×104E(24)=2.88×104E(27)=2.96×104E(30)=3.03×104（6）自約束裂縫控制計(jì)算①混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算σ(t)=2/3×[E(t)×α×ΔT(t)/(1-ν)]（式-7）σ(t)——混凝土的拉應(yīng)力(N/mm2);E(t)——混凝土從澆筑后至計(jì)算時(shí)的彈性模量(N/mm2)，一般取平均值;ν——混凝土泊松比，取0.15;ΔT(t)——混凝土截面中心與表面之間的溫差（℃）。不同齡期σ(t)計(jì)算表1不同齡期（d）36912151821242730ΔT(t)℃7.56.84.80.45.96.86.57.35.44.8E(t)×1040.771.361.502.152.412.612.762.882.963.03σ(t)0.4530.7250.5650.0671.121.391.411.641.251.14②混凝土抗拉應(yīng)力f(t)（N/mm2）計(jì)算根據(jù)規(guī)范，溫度、齡期對(duì)混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響，按20℃養(yǎng)護(hù)溫度查得各強(qiáng)度增長(zhǎng)率p(t)，p(3)=40%，p(6)=55%，p(7)=70%，p(12)=80%，p(15)=85%，p(18)=90%，p(21)=92%，p(24)=95%，p(27)=97%，p(30)=100%抗拉應(yīng)力f(t)=p(t)×σ(l)=p(t)×2.15③安全系數(shù)計(jì)算K(t)K(t)=f(t)/σ(t)（式-8）表1齡期（天）36912151821242730f(t)(N/mm2)0.861.181.511.721.831.941.982.042.092.15σ(t)(N/mm2)0.4530.7250.5650.0671.121.391.411.641.251.14K(t)1.91.632.6625.671.631.391.41.251.671.89從上表計(jì)算結(jié)果分析，K(t)值均大于安全系數(shù)1.25，滿足混凝土的抗裂要求。但同時(shí)分析得出，在齡期18天、21天、24天的安全系數(shù)接近臨界值，環(huán)境溫度變化極易造成溫度裂縫。建議在以后墩臺(tái)混凝土施工過程中，為有效的防止溫度裂縫，可延長(zhǎng)保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)間。（7）外約束裂縫控制計(jì)算混凝土約束應(yīng)力計(jì)算σ(t)=[E(t)×α×ΔT/(1-ν)]/S(t)R（式-9）ΔT＝T0+2/3T(t)+Ty(t)-Th（式-10）σ——混凝土的溫度（包括收縮）應(yīng)力(N/mm2);E(t)——混凝土從澆筑后至計(jì)算時(shí)的彈性模量(N/mm2);ν——混凝土泊松比，取0.15;ΔT——混凝土的最大綜合溫差絕對(duì)值（℃），如為降溫取負(fù)值;T0——混凝土的澆筑入模溫度（℃），取20℃T(t)——澆筑完一段時(shí)間t，混凝土的絕熱溫升值（℃）;Ty(t)——混凝土的收縮當(dāng)量溫差（℃）;S(t)——考慮徐變影響的松弛系數(shù)，一般取0.3～0.5;Th——混凝土澆筑完后達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的溫度,取20℃R——混凝土的外約束系數(shù),取0.5;不同齡期外約束應(yīng)力抗裂安全系數(shù)計(jì)算表1齡期（天）36912151821242730Ty(3)℃-1.77-3.26-4.62-5.90-7.13-8.43-9.69-10.9-12.1-13.3T(t)(℃)43.358.063.064.665.265.565.565.565.565.5ΔT(t)℃27.135.137.437.236.335.234.032.831.630.4E(t)×1040.771.361.502.152.412.612.762.882.963.03S(t)0.1860.2080.2140.2150.2330.2520.3010.4360.5701.00σ(t)0.2280.5840.7061.0121.1991.3621.6622.4233.1365.418f(t)0.861.181.511.721.831.941.982.042.092.15K(t)3.772.022.141.71.531.421.190.840.670.4墩臺(tái)混凝土拆除側(cè)模后，底模安排在混凝土強(qiáng)度達(dá)到92％（21天）時(shí)拆除最佳，底模拆除后，R值變?yōu)?，相應(yīng)的σ(t)值為零，安全系數(shù)K(21)＝K(24)＝K(27)＝K(30)＝+∞，墩臺(tái)混凝土外部約束滿足混凝土的抗裂要求。2施工溫度的確定根據(jù)以往墩臺(tái)混凝土的施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合天津地區(qū)年平均氣溫情況，選擇在4月中旬和10月初施工為最理想，氣溫在10－25℃之間，平均氣溫16℃左右。否則就要采取保溫或降溫措施,溫度過高或過低都不利于混凝土的施工。3墩臺(tái)混凝土施工材料的確定混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力，氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫?；炷恋膬?nèi)部溫度變化很小或變化較慢，但表面溫度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化，如養(yǎng)護(hù)不周、時(shí)干時(shí)濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也可能導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)?；炷潦且环N脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1／10左右，短期加荷時(shí)的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104，長(zhǎng)期加荷時(shí)的極限位伸變形也只有（1.2～2.0）×104.由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)間短，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。因而在原材選擇上做了如下考慮：3.1選擇普通硅酸鹽水泥。3.2嚴(yán)格控制砂、石的含泥量。砂選用中粗砂，含泥量小于3%，清除泥土和石粉，級(jí)配要好，從而可能提高混凝土自身的強(qiáng)度，相對(duì)可以減少水泥用量，對(duì)克服溫度裂縫有好處。3.3使用減水防裂劑，其作用如下(1)混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。這就是表面張力理論。(2)水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25％。(3)水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15％的水泥用量，其體積用增加骨料用量來(lái)補(bǔ)充。(4)減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水。(5)提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，提高的混凝土抗裂性能。(6)混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)裂縫就會(huì)產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強(qiáng)度，大幅提高混凝土的抗裂性能。(7)摻加外加劑可使混凝土密實(shí)性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。(8)摻減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長(zhǎng)期不凝而帶來(lái)的塑性收縮增加。(9)摻外加劑混凝土和易性好，表面易磨平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮。4墩臺(tái)混凝土的施工過程控制4.1模板支設(shè)側(cè)模板加工制作，按要求加工定型鋼模板，采用型鋼吊底，上鋪木板作底模，確保其具有足夠的剛度與強(qiáng)度。涂脫模劑，采用BMTM-1脫模劑或機(jī)油，涂刷前要徹底清理底胎、側(cè)模混凝土渣等雜物。脫模劑涂刷均勻，且避免涂刷層過厚，污染鋼筋。使用吊車將模板吊至現(xiàn)場(chǎng)，人工輔助完成。模板清理及檢測(cè)。4.2鋼筋綁扎鋼筋密度較大，重量較大，采用了可靠的支撐系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)采用40×40×4角鋼與8＃槽鋼結(jié)合的Y型支架，間距3m×2m來(lái)支撐上部鋼筋和施工荷載，收到了很好的效果。施工過程未出現(xiàn)上部鋼筋下沉及傾斜現(xiàn)象，上部和下部鋼筋同方向重疊綁扎，確保混凝土施工中，混凝土可以順利流淌入鋼筋間隙。為防止墩臺(tái)混凝土表面開裂，在混凝土上表面即上層鋼筋的上面增設(shè)雙向15