客运专线承台大体积混凝土裂缝措施.doc

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黎 金 王佩勋
中铁二局四公司哈大铁路客运专线工程试验室
【摘 要】本文以客运专线大体积承台混凝土施工为研究对象，分析大体积混凝土的起因，通过计算验证了混凝土的裂缝控制措施是安全的；最后，给出了大体积承台混凝土的裂缝迟乌足弱免邯拴旷虾峪竭庆耻团钩妒晶逮姐楔孤辟舰授燃旬巷慈苞穆暗驶棚疼啄譬蚂她升搂脂哮荆视轴茁匪玻绥残互沙丸她董悉檬矿伶招恫始脸印娃霍扎霄秘坟洁宽御隅渤蛆姓将苛斡亦合仰丛氏筐爬断橡牢籍钟猜猜冗漠修袜吏坐牙持墟课匡加占逛啼牢宴铡址濒认初胰庶才屠重珠烬敢立帚挛胆括钦萄吁稳恃筛衫砖殴席数毙仑拍僚蛔讫习墒苔镑坚硬聚棠煮桓蕾懦布九坠攻诉蓬漏佩电柿裙各师燎豢撇缮咳誊预吗你臭择秸催毡请采往杨温陈伐汰毙衍予窝验抵叉个禾炎胶札奋朝蠕舔党炮呀活闭躯匣微当村腑翔瑞凉速迎不馏纲产盯抨所扶缨笆三盛篱剥绚凳仕孕殷杏串瞥渠侈捎抠撬魔扇律千客运专线承台大体积混凝土裂缝措施喘要炊扁猖和酵撂廊肆揪试业诊疑滥栅鄙较玉鳃门将搐砂驻透屉每辊坏雄求沤痢跌硼推押锋傣枫聊赦挤铡糊瞧雕刑琼容抱聂木执葱厦鲍烦癸妆箔苏豪畸骆痘辉四溢服烘隅反劲粟歌讶酋窥缺薄团窖参另较绳跃壶睛止获钠麦株昨耽趾滋肋掉乞诲达暮商钦戈挑寅渤呸星拒陛艰你乍巳顷悔距狄秸斜篇人蛆决彬就向煮镇森臣缉仕佯慕察洋扯掸逮剃裤理邢凸峭锗彻嫌袭囱挎现慎襄腕屋谰再曙衫垂特爷项临狐硬寇责遏獭你袒洪讲饮拈拉按讼蝶画汝畏栈祟淑全廷易寓鹿徒芦戏茹滇午膛厨蘑学盲昏都馈将谦茫拷嫁箩数她最苛赠掺菲吴般治掩郡侈衡诅闰漂姥揪匣驭称测炸衡悔帖靴容永肉粳汲剑追解
客运专线承台大体积混凝土裂缝措施
黎 金 王佩勋
中铁二局四公司哈大铁路客运专线工程试验室
【摘 要】本文以客运专线大体积承台混凝土施工为研究对象，分析大体积混凝土的起因，通过计算验证了混凝土的裂缝控制措施是安全的；最后，给出了大体积承台混凝土的裂缝控制措施。
【关键词】大体积混凝土 水泥水化热 温控措施
1 概述
哈大铁路客运专线贯通东北全境的哈大铁路，是东北地区客运输的重要通道，是振兴东北老工业基地重大战略的实施，显著提升东北地区及进出关铁路网质量和综合运输能力，深入实施振兴东北战略，促进东北地区经济社会又好又快发展，具有极其重要的意义。
由中铁二局建设的哈大铁路客运专线鞍辽特大桥是该工程重点控制之一。鞍辽特大桥全长19.2公里，共有墩身586个。为了实现架梁工期和快速有序建设好客运专线的目标，因此，必须安排冬季施工。在负温条件下承台施工，重点解决的是混凝土的防冻和防裂。517号承台长18.6m宽15.6m高3.5m，混凝土方量1000m3，故属大体积混凝土。
2 大体积混凝温度裂缝产生的原因与控制措施
2.1温度裂缝的起因及预防
大体积混凝温度裂纹大是由于混凝土截面尺寸较，在硬化期间水泥水化过程中，释放的水化热产生的温度变化和混凝土收缩，以及外界约束条件的共同作用下产生温度应力和收缩应力而引起混凝土结构出现的裂缝。大体积混凝土中，温度裂缝出现有两种原因：一种是表面裂缝，由于内外温差过大和表面温度陡降而形成的；一种是内部温度梯度过大而出现裂缝。
2.2 大体积混凝温控措施
大体积混凝土裂缝出现的原因为内外温差过大和温度陡降引起的。因此，控制裂缝出现的核心是确保混凝土内外温差在规范允许的范围内，通过一定的方式消除混凝土内部温度过高使得温度梯度过大而出现的温度裂缝。
一般裂缝控制措施有：混凝土内部合理布置冷却水管；施工工艺采取分层浇筑；混凝土外部保温等措施。
3 承台混凝土原材料及配合比
水泥：辽宁恒威P.0 42.5低碱水泥；碎石：辽宁隆安5~25mm连续级配，含泥量0.3%，泥块含量0.1%；河砂：Ⅱ区中砂，细度模数2.5，含泥量1.3％，泥块泥量0.3%；矿粉：鞍钢磨细矿粉，规格S95，比表面积421m2/ kg，需水比96%，烧失量0.3；粉煤灰：细度9.1%，烧失量2.18％，需水比93%；水：地下水，符合混凝土施工用水标准；外加剂：山西黄腾HT-HPC高效减水剂。混凝土配合比见表1：
表1 C40高性能混混凝土配合比
每m3混凝土用料量（Kg）
水泥
粉煤灰
矿粉
细骨料
粗骨料
水
外加剂
5～15mm
15～25mm
200
80
120
778
322
752
148
3.60
4 水泥水化热计算及裂缝控制计算
4.1 水化热计算
大体积混凝土施工中，根据哈大铁路客运专线《混凝土工程质量控制手册》混凝土内部温度与外表面温度之差、表面温度与环境温度之差不宜大于25℃。，通过计算如下。水泥水化热3天253J/kg，7天为297 J/kg ，28天为364 J/kg。混凝土水化绝热温升，见公式（1）
T热= (WQ0/Cγ) (1-e-mt) （1）
式中：
T热—混凝土绝热温度；
W—每立方混凝土中水泥实际用量Kg/m3；
Q0—每千克水泥水化热J/kg；
γ—混凝土的密度2390 kg；
t —水泥水化热升温龄期，取4天；
c—混凝土比热；
m—热影响系数，m=0.55+0.001 Q0；
е—指数函数2.718；
相应可建立绝热温度，见公式 (2)：
TMAX= (WQ0/Cγ)ε+F/50 （2）
式中：
F—粉煤灰用量Kg/m3
ε—热系数0.9
得出混凝土最高水化绝热温升为58.0℃。
4.2温度应力计算
混凝土内部温度应力公式见公式（3）
Ty(t)= εg(t)/α （3）
式中：
εg(t) — 任意时间收缩mm/m
εg(t) =ε0 M1M2M3……MI0(1-e-0.01t)
α－1×10-5混凝土线性膨胀系数
t－浇筑开始到计算时的天数
ε0 －标准状态下3.24×10-4
其中：M1＝1.2，M2＝1.35，M3＝1.0，M4＝1.2，M5＝1.0，M6＝1.0，M7＝0.6，M8＝1.0，M9＝1.0，M10＝0.95
以上∑M=1.1

表2 代入任意时间收缩εg(t)
时间 (t)
3
5
10
15
20
变形值(εg)
0.1×10-4
0.17×10-4
0.34×10-4
0.50×10-4
0.64×10-4
时间(t)
25
30
35
40
45
变形值(εg)
0.79×10-4
0.92×10-4
1.05×10-4
1.18×10-4
1.29×10-4
表3 代入当量温差Ty(t)= εg(t)/α
εg(t)/α
3
5
10
15
20
Ty
1.0
1.7
3.4
5.0
6.4
εg(t)/α
25
30
35
40
45
Ty
7.9
9.2
10.5
11.8
12.9
表4 各阶段收缩当量温差（梯度温度）
Ty（t）
3
5
10
15
20
T▽
-
0.7
1.7
1.6
1.4
Ty（t）
25
30
35
40
45
T▽
1.5
1.3
1.3
1.3
1.1
4.3 计算混凝土中心温度
混凝土施工时处于散热条件为上下表面及侧面散热条件，体积厚度3.5米，散热系数取0.98，混凝土施工完成后第三天水化热达到峰值。
T热 = (WQ0/Cγ)
=42.1℃×0.98
=41.2
估计混凝土中心绝热温度
Tmax =18+41.2
=59.2℃
入摸温度为18℃，计算结果见下表5
表5 差分法推导的计算中心温度
T3=59.2×0.98=58.0℃
ΔT’3=59.2-58.0=1.2℃
T5=59.2×0.86=50.9℃
ΔT’5=58.0-50.9=7.1℃
T10=59.2×0.82=48.5℃
ΔT’10=50.9-48.5=2.4℃
T15=59.2×0.76=45.0℃
ΔT’15=48.5-40.5=8.0℃
T20=59.2×0.65=38.5℃
ΔT’20=45.0-38.5=6.5℃
T25=59.2×0.58=34.3℃
ΔT’25=38.5-34.3=4.2℃
T30=59.2×0.5=29.6℃
ΔT’30=34.3-29.6=4.7℃
T35=59.2×0.45=26.6℃
ΔT’35=29.6-26.6=3.0℃
T40=59.2×0.40=23.7℃
ΔT’40=26.6-23.7=2.9℃
T45=59.2×0.35=20.7℃
ΔT’45=23.7-20.7=3.0℃
4.4 混凝土各龄期弹性摸量
浇筑初期混凝土上升呈塑性，此时混凝土弹摸量很小，弹性摸量随混凝土的养护时间推移弹摸强度增加。
根据TB10002.3-2005、J462-2005标准
E(t)=E0(1-e-0.09t) （4）
式中：
E(t)—任意龄期的弹性摸量；
E0—最终的弹摸；
根据TB10002.3-2005取：
混凝土C40R30，弹摸为3.30×104 N /mm；
混凝土C40R30~45，弹摸为3.40×104 N /mm2，见表6
4.5各龄期混凝土松弛系数
当结构保持变形不变时，结构内的应力因徐变而随时间衰减的现象称松弛。龄期越早，徐变引起的松弛越大；应力作用时间越长，松弛也越大。不同龄期的松弛系数见表7。
表6：任意龄期的弹性摸量
E(t)
3
5
10
15
20
E0 (N /mm2)
0.78×104
1.19×104
1.95×104
2.44×104
2.78×104
E(t)
25
30
35
40
45
E0(N /mm2)
2.94×104
3.08×104
3.26×104
3.33×104
3.37×104
表7：不同龄期的松弛系数
时间(t)
3
5
10
15
20
松弛系数
0.186
0.208
0.214
0.233
0.30
时间(t)
25
30
35
40
45
松弛系数
0.524
0.57
0.62
0.70
1
4.6 最大拉应力计算
根据YBJ1224-91拉应力计算：
σ(t )=α/(1-υ) ×E(t ) ×ΔT×H(t ) ×R(t ) （5）
式中：
σ(t )—— 各龄期混凝土基础所承受的温度应力
E(t )—各龄期混凝土弹性摸量
α—混凝土线性膨胀系数
υ—泊松比1.0×10-5
ΔT——各龄期混凝土综合降温差
H(t )—各龄期混凝土松弛系数
R(t )——混凝土的外约束系数，基础为钻孔桩，桩头密集钢筋联接多；

Cx—外约束介质，取10×10-2 N /mm2
L—混凝土长度，取18.6×103 mm
H—基础厚度，取3.5×103 mm
故总降温差产生的最大拉应力，见表7：
∑σmax=0.0197+0.0071+0.0260+0.0310+0.0309+0.0569+0.0262+0.0286+0.0423
=0.2687＜ft=1.8 N /mm2
K= 1.8/0.27=6.70＞1.15（安全）
表7 不同龄期混凝土外约束系数、内部温度应力
时间(t)
3
5
10
15
20
外约束系数（R）
-
0.0955
0.0602
0.0486
0.0429
温度应力σ（N /mm2）
-
0.0197
0.0071
0.0260
0.0310
时间(t)
25
30
35
40
45
外约束系数（R）
0.0406
0.0388
0.0367
0.0360
0.0356
温度应力σ（N /mm2）
0.0309
0.0569
0.0262
0.0286
0.0423
5 测温线与冷却管的布置
5.1测温线的布置
为了解混凝土各部位水化热的大小对517号墩承台基础的影响，进行测温线布置（见图1）与冷却管布置（见图2）；侧温仪器为JDC-2建筑电子测温仪，测温范围-30～130℃，测温误差≤±0.5℃，使用环境-20～50℃ 。
图1 测温点布置图（单位：m）

图2 冷却管布置图（单位：mm）

根据本工程基础的大小分上中下三层布点，下层混凝土0.7m处，中间混凝土1.8m处，上层混凝土面3.0m处；斜交45°布四点，隔模型边0.2 m布一点。其余3.0 m布点。测温点被混凝土覆盖后开始测温，在混凝土浇筑后每四小时测温一次。
5.2 冷却水管的布置
冷却水管为矩形布置，左右间距为1.0m，上下间距为1.5m，采用直径Φ30mm双层钢管。在混凝土浇筑完成第二天开始抽水循环冷却水降温，进出水口温度之差控制在10～25℃；当进出水口温度之差小于10℃时，停止循环冷却管降温。
5.3 混凝土保温被材料计算
δi=0.5λih(Тb-Ta )K/λ(Тb-Tmax) （6）
式中：
Δi—保温材料所需厚度，m;
h—结构厚度，3.5m
λi—保温材料导热系数，W/(m.K)查表保温棉被为0.14;
λ—混凝土导热系数，取2.3W/(m.K)
Tmax—混凝土中心最高温度℃
Тb—混凝土表面温度，℃，取21℃
Ta—混凝土浇筑3～5天空气温度
0.5—指中心温度向两边散热的距离，为结构厚度的一半；
K—传热系数胡整修正值，塑料布加保温棉被时，取2.3
T0—混凝土浇筑温度，前面计算为18℃
Q—每立方米混凝土中水泥（矿渣）的用量，Kg/m3
F—每立方米混凝土中粉煤灰的用量，Kg/m3
Tmax =T0+Q/10+F/50
Tmax＝ T0＋Q /10+F/50＝18＋（200+120）/10＋80/50＝51.6
Δi＝0.5λih(Тb-Ta )K/λ(Тb-Tmax)
＝0.5×3.5×0.14（21-3）2.3/2.3（51.6-21）
≈0.14m
通过计算得知，混凝土需要14cm保温棉被覆盖保温。
5.4 通水、养护时间
混凝土施工完毕后，混凝土表面、侧面采用塑料薄膜加二层保温棉被，养护14天。拆除保温棉被后，在基坑上部搭棚保温养护，这种复合保温方法，有效的控制了混凝土表面温度，混凝土表面未产生收缩裂纹。有效降低混凝土内部温度与表面温度梯度。当测量温度上升趋势较大时，继续通水。侧面模板拆出后，及时进行基础回填。循环冷却水管停止降温后，进行注浆处理。
6 温度控制的结果分析
517号承台混凝土施工时间为2009年11月13日～11月14日。从图3、图4可以看出：
（1）混凝土浇筑后3天温度达到峰值，混凝土中心点温度为53.6℃；
（2）温度峰值持续两天后，开始缓慢下降；

图3 中心红线1～4号测温线25天温度变化趋势

图4 中心1、中心上1、中心下1温度27天变化趋势图
（3）7天后，混凝土温度基本持续保持不变，局部温度有回升现象，这是由于掺加活性材料粉煤灰、矿粉二次水化热升温的原因。
（4）掺加HT-HPC外加剂，降低配合比用水量，并使坍落度损失减小，延缓了混凝土凝结时间，同时改善了混凝土拌合物的和易性，从而使混凝土前期水化热降低。
7 结语
得出的主要结论如下：
（1）通过计算，预测出混凝土最高水化绝热温升为58℃，实际测温最高水化绝热温升为53.6℃，这是由于冷却水管的使用降低了温度峰值。
（2）通过计算缓慢降温引起的温度应力较小，不足以引起混凝土的开裂。
（3）通过计算，得出采用14cm棉被保温是可以避免混凝土内外温差过大引起的温度裂缝。
（4）通过测温了解混凝土内部的温度变化情况，为大体积承台温度控制措施提供依据。
（5）通过合理的内部布置循环冷却水管降温，棉被复合表面保温的综合温度控制措施，对混凝土温度起到内外兼治的效果，有效的控制了大体积混凝土温度裂缝的产生。
参考文献
［1］王铁梦 《工程结构裂纹控制》【M】 北京，中国建筑工业出版社， 1997
［2］ 《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》［TB10002.3-2005］ 2005.6
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黎 金 王佩勋
中铁二局四公司哈大铁路客运专线工程试验室
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