天津港大體積墩臺混凝土施工技術

大體積墩臺混凝土施工技術郭和利摘要：本文結合天津港地區(qū)數(shù)個高樁墩臺碼頭結構型式,就墩臺混凝土的體積大，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，提高墩臺混凝土的質量進行總結。關鍵詞：大體積；墩臺；混凝土；裂縫。1墩臺混凝土的抗裂計算施工溫度，施工平均氣溫20℃，混凝土澆注入模溫度20℃，尺寸長30米，寬20米，高2米，配筋率EgAg/EcAc1．1配制混凝土的要求墩臺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系需滿足低水化熱值和混凝土強度等級C40要求。為此做了以下幾點調整：（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）增強混凝土的抗裂性能；（3）采用松香熱聚物AE作為防凍劑，增強混凝土的防凍性能;（4）采用二級以上粉煤灰替代部分水泥來增強混凝土的和易性;（5）墩臺混凝土采用的配合比如（如表1.1）。墩臺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)混凝土的溫度計算①絕對溫升值計算T(t)=mcQ(1-e-mt)/（Cρ）(式-1)T(t)——澆完一段時間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、振搗時溫度有關的經(jīng)驗系數(shù)，由下表查得，一般取0.2～0.4，根據(jù)當時施工情況，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調整溫升值計算T=T(t)ξ(t)＝mcQ(1-e-mt)/(Cρ)ξ(t)(式-2)T(t)——在t齡期時混凝土的絕熱溫升(℃);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際溫升(℃)。不同齡期調整溫升值計算結果表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天必須進行混凝土④混凝土中心溫度與表面溫度值的差值計算不同齡期混凝土表面溫度與溫差值計算表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——標準狀態(tài)混凝土最終收縮值(即極限收縮值)，取3.24×10-4;εy(t)——非標準狀態(tài)下混凝土任意齡期（天）的收縮變形值;M1～M10——考慮各種非標準條件，與水泥品種細度、骨料品種、水灰比、水泥漿量、養(yǎng)護條件、環(huán)境相對溫度、構件尺寸、混凝土搗實方法、配筋率等有關的修正系數(shù)。M1～M10取值和對應條件表1M1=1.0普通水泥M6根據(jù)齡期取值M2=1.35水泥細度(5000)M7=0.88相對濕度(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，為構件截面周長與截面積之比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）混凝土當量溫差計算Ty(t)=-εy(t)/α（式-5）Ty(t)——各齡期(d)混凝土收縮當量溫差，負號表示降溫(表1.εy(t)——各齡期(d)混凝土收縮相對變形值。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）彈性模量計算E(t)=Ec(1-e-0.09t)（式-6）E(t)——混凝土從澆筑到計算時的彈性模量(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）自約束裂縫控制計算①混凝土溫度應力計算σ(t)=2/3×[E(t)×α×ΔT(t)/(1-ν)]（式-7）σ(t)——混凝土的拉應力(N/mm2);E(t)——混凝土從澆筑后至計算時的彈性模量(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混凝土抗拉應力f(t)（N/mm2）計算根據(jù)規(guī)范，溫度、齡期對混凝土強度增長的影響，按20℃養(yǎng)護溫度查得各強度增長率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%抗拉應力f(t)=p(t)×σ(l)=p(t)×2.15③安全系數(shù)計算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從上表計算結果分析，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。建議在以后墩臺混凝土施工過程中，為有效的防止溫度裂縫，可延長保溫養(yǎng)護時間。（7）外約束裂縫控制計算混凝土約束應力計算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）應力(N/mm2);E(t)——混凝土從澆筑后至計算時的彈性模量(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值（℃），如為降溫取負值;T0——混凝土的澆筑入模溫度（℃），取20℃T(t)——澆筑完一段時間t，混凝土的絕熱溫升值（℃）;Ty(t)——混凝土的收縮當量溫差（℃）;S(t)——考慮徐變影響的松弛系數(shù)，一般取0.3～0.5;Th——混凝土澆筑完后達到穩(wěn)定時的溫度,取20℃R——混凝土的外約束系數(shù),取0.5;不同齡期外約束應力抗裂安全系數(shù)計算表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墩臺混凝土拆除側模后，底模安排在混凝土強度達到92％（21天）時拆除最佳，底模拆除后，R值變?yōu)?，相應的σ(t)值為零，安全系數(shù)K(21)＝K(24)＝K(27)＝K(30)＝+∞，墩臺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)以往墩臺混凝土的施工經(jīng)驗，結合天津地區(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，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應力，氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(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)護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也可能導致裂縫出現(xiàn)?；炷潦且环N脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1／10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104，長期加荷時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)定溫度時間短，往往在混凝土內(nèi)部引起相當大的拉應力。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，級配要好，從而可能提高混凝土自身的強度，相對可以減少水泥用量，對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孔道，水蒸發(fā)后毛細管中產(chǎn)生毛細管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力，但會使混凝土強度降低。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補充。(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力，提高的混凝土抗裂性能。(6)混凝土在收縮時受到約束產(chǎn)生拉應力，當拉應力大于混凝土抗拉強度時裂縫就會產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高的混凝土抗拉強度，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間適當，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上，避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。(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墩臺混凝土的施工過程控制4.1模板支設側模板加工制作，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度。涂脫模劑，采用BMTM-1脫模劑或機油，涂刷前要徹底清理底胎、側?；炷猎入s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，人工輔助完成。模板清理及檢測。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)場采用40×40×4角鋼與8＃槽鋼結合的Y型支架，間距3m×2m來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?；炷潦┕ぶ?，混凝土可以順利流淌入鋼筋間隙。為防止墩臺混凝土表面開裂，在混凝土上表面即上層鋼筋的上面增設雙向15