承台大体积砼施工前的温度应力估算及采取的裂缝控制技术措施
2009-09-28
1 引言
白果渡嘉陵江大桥是国道212线四川武胜至重庆合川高速公路横跨嘉陵江的一座特大桥，全桥长1433米，主桥为（130+230+130）m预应力砼连续刚构，单箱单室，下部结构为16根24米长Ф230cm的群桩基础，上接大体积分离式承台。单幅承台结构尺寸为18.7mx10.2mx5m，单幅承台砼方量为953.7m3，一次浇注完成。
2 简述
2.1 温度应力的主要成因：2.1.1 大体积砼在硬化期间，水泥水化后释放大量的热量，使砼中心区域温度升高，而砼表面和边界由于受气温影响温度较低，从而在断面上形成较大的温差，使砼的内部产生压应力，表面产生拉应力（称为内部约束应力）。 2.1.2 当砼的水化热发展到3～7d达到温度最高点，由于散热逐渐产生降温产生收缩，且由于水分的散失，使收缩加剧，这种收缩在受到基岩等约束后产生拉应力（称为外部约束应力）。2.2 温度应力在承台砼内的分布如下图所示：
综上所述，在承台大体积砼施工前，必须进行砼的温度变化，应力变化的估算，以确定养护措施、分层厚度、浇筑温度等施工措施，并以此来指导施工。
3 C30承台大体积砼砼裂缝控制的施工计算
3.1相关资料：
3.1.1 配合比 水泥：粉煤灰：砂子：碎石：水：NNO -Ⅱ减水剂 369： 50 ：677 ：1148：176：3.66 1： 0.136：1.835：3.111：0.48：1%
3.1.2 材料：水泥：腾辉F.032.5级水泥碎石：草街连续级配碎石（5~31.5mm）混合中砂：机制砂40%，渠河细砂60%粉煤灰：硌黄华能电厂Ⅱ级粉煤灰外加剂：达华NNO-Ⅱ型缓凝减水剂3.1.3 气象资料 相对湿度80~82%；年平均气温17.5~17.6℃，最高气温40.5℃，夏热期（5~9月份）平均气温20℃。
3.1.4采用自动配料机送料，装载机加料，拌和站集中拌和，混凝土泵输送砼至模内。
3.2 砼最高水化热温度及3d 、7d的水化热绝热温度
C=369kg/m3；粉煤灰32.5水泥：水化热Q7d=257J/kg，Q28d=222J/kg（腾辉水泥厂提供的数据）；c=0.96 J/kg.k；ρ=2400 kg/m3。
3.2.1 砼最高水化热绝热温升
Tmax=CQ/cρ=(366*257)/(0.96*2400)=40.83℃
3.2.2 3d的绝热温升
T（3）=40.83*(1-e-0.3*3)=24.23℃
ΔT（3）=24.23-0=24.23 ℃
3.2.3 7d的绝热温升
T（7）=40.83*(1-e-0.3*7)=35.83℃
ΔT（7）=35.83-24.23=11.6 ℃
(4)15d的绝热温升
T（15）=40.83*(1-e-0.3*15)=40.38℃
T（15）=40.38-35.83=4.55 ℃
3.3 砼各龄期收缩变形值计算
εy（t）=εy0（1-e-0.01t）*M1*M2*…*M10
查表得：M1=1.10，M2=1.0，M3=1.0，M4=1.21，M5=1.2，M6=1.11(1d)、1.09(3d)、1.0(7d)、0.93(15d) ， M7=0.7， M8=1.4，M9=1.0，M10=0.895
则有：M1M2M3M4M5M7M8M9M10
=1.10*1.0*1.0*1.21*1.2*0.7*1.4*1.0*0.895=1.401
3.3.1 3d收缩变形值
εy（3）=εy0*（1-e-0..03）*1.401*M6
=3.24*10-4*（1-e-0..03）*1.401*1.09=0.146*10-4
3.3.2 7d收缩变形值
εy（7）=εy0*（1-e-0..07）*1.401*M6
=3.24*10-4*（1-e-0..07）*1.401*1.0=0.307*10-4
3.3.3 15d收缩变形值
εy（15）=εy0*（1-e-0.15）*1.401*M6
=3.24*10-4*（1-e-0..15）*1.401*0.93=0.588*10-4
3.4 砼收缩变形换算成当量温差
3.4.1 3d
T（y）（3）=-εy（3）/α=(-0.146*10-4)/(1.0*10-5)=-1.46℃
3.4.2 7d
T（y）（7）=-εy（7）/α=(-0.307*10-4)/(1.0*10-5)=-3.07℃
3.4.3 15d
T（y）（15）=-εy（15）/α=(-0.588*10-4)/(1.0*10-5)=-5.88℃
3.5 各龄期砼模量计算E（t）=Ec*（1-e-0..09t）
3.5.1 3d龄期
E（3）=3.0*104*（1-e-0..09*3）
=7.1*103N/mm2
3.5.2 7d龄期
E（7）=3.0*104*（1-e-0..09*7）
=1.40*104N/mm2
3.5.3 15d龄期
E（15）=3.0*104*（1-e-0..09*15）
=2.22*104N/mm2
3.6 砼的温度收缩应力计算
砼强度换算f（n）=f（28）*lgn/lg28，砼抗拉强度ft=0.23*f2/3cu 对于C30砼f（28）=15 N/mm2
3d龄期: f（3）=f（28）*lg3/lg28=15* lg3/lg28=8.76 N/mm2
ft=0.23f2/3(3)=0.23*4.952/3=0.668 N/mm2
7d龄期: f（7）=f（28）*lg7/lg28=15* lg7/lg28=8.76 N/mm2
ft=0.23f2/3(7)=0.23*8.762/3=0.98 N/mm2
由于在七月份浇注承台砼，气温较高，假设入模温度To=30℃，Th=25℃
3.6.1 3d龄期 H（t）=0.57,R=0.35,V=0.15
ΔT= To+2/3T(t)+Ty(t)-Th=30+2/3*24.23+1.46-25=22.61 ℃
σ=-(7.1*103*10*10-6*22.61*0.57*0.35)/(1-0.15)
=0.377 N/mm2＜(0.668/1.15)=0.581 N/mm2 可
3.6.2 7d龄期 H（t）=0.502,R=0.35,V=0.15
ΔT= 30+2/3*35.83+3.07-25=31.96 ℃
σ=-(1.4*104*10*10-6*31.96*0.502*0.35)/(1-0.15)
=0.93 N/mm2＜0.98N/mm2
抗裂安全系数：K=0.98/0.93=1.05%26lt;1.15
4 裂缝控制的施工技术措施
通过以上分析可知，承台基础在露天养护期间，7d龄期时，抗裂安全系数K值稍小于1.15，此时砼有可能出现裂缝，因此，在设计配合比、砼施工过程及养护期间应采取一定措施，以减小砼表面与内部温差值，使得砼表面与砼内部温差小于25℃，σ/（1.15）＜ft，则可控制裂缝的不出现。采取如下措施：
4.1 采用双掺技术，掺入粉煤灰和NNO-II型缓凝减水剂，粉煤灰掺入采用超量代换法，减水剂的缓凝时间15个小时（通过实验室测定结果表明），延缓砼的初凝时间，延缓砼水化热峰值的出现。
4.2 通过技术性能比较，石灰岩碎石的线膨胀系数较小，弹模低，极限拉伸值大，据相关资料表明，在相同温差下，温度应力可减小50%，能提高砼的抗拉强度，因此，选用石灰岩碎石作为粗骨料；控制骨料（砂、石）的含泥量，以减小砼的收缩，提高极限拉伸。
4.3 严格控制砼的入模温度在30℃左右。选择在傍晚开始浇注承台砼，对粗骨料进行喷水和护盖；施工现场设置遮阳设施，搭设彩条布棚，避免阳光直晒；在水箱中加入冰块，降低拌和水的温度；在基坑内设一大功率的鼓风机进行通风散热。
4.4 埋设6层冷却管，每层冷却管配一潜水泵，在第一批开始砼初凝时由专人负责往冷却管内注入凉水降温，冷却水流速应大于15L/min，冷却水采用嘉陵江水，持续养生7天。通过冷却排水，带走砼体内的热量，许多工程实践表明，此方法可使大体积砼体内的温度降低3~4摄氏度。
4.5 浇注砼时，采用薄层浇注，控制砼在浇注过程中均匀上升，避免砼拌和物堆积过大高差，砼的分层厚度控制在20~30cm。
4.6 设10台插入式振捣器，加强振捣，以期获得密实的砼，提高密实度和抗拉强度，浇注后，及时排除表面积水，进行二次抹面，防止早期收缩裂缝的出现。
4.7 砼浇注后，搭设遮阳布棚，避免阳光曝晒承台表面。
4.8 砼浇注后，砼表面用土工布覆盖保温，并洒水养生，使砼缓慢降温、缓慢干燥，减少砼内外温差。
4.9 砼浇筑后，每2小时量测冷却管出口的水温和砼表面温度，若温差大于20℃时，及时调整养护措施，如加快冷却水的流通速度等措施，以控制温差小于25℃。
5 温度监测
承台砼入模温度为30℃～34℃，1.5d后中心温度最高达50℃，温升达20℃，3d后中心温度达57℃～60℃，温升27℃～30℃，经过10～12d降温阶段后，中心温度基本稳定。
承台中心与侧面中心温度的最大温差为10℃，与承台表面的最大温差为17℃左右，因此，在养护阶段必须做好承台表面的保温措施，延缓承台表面的降温速度，减小温差。
6 结束语
通过事先裂缝控制的验算及裂缝控制方案的周密考虑，成功地控制了承台裂缝的产生，施工后检查承台砼各表面整体光滑，未见收缩裂缝。从本工程的裂缝控制得出：裂缝控制应以合理的结构设计为基础，具体施工中从合理选材入手，加以事先裂缝控制验算并采取适当的控制措施，全方位、多层次地进行裂缝控制，才能做到真正意义上的裂缝控制。
