1、牤牛河南支渡槽施工温控防技术及现场监测摘要: 牤牛河南支渡槽采用 C50 高性能混凝土,发热速度快,发热量高。对于槽身底板、侧墙、纵梁和横梁等薄壁结构,在浇筑早期容易出现较大的内外温差,导致表面产生较大拉应力,如果此时再有寒潮出现,极易产生“由外而内”的表面裂缝,并可能进而发展成为贯穿性裂缝。另外,根据此类渡槽的施工工艺,渡槽一般分两层浇筑,下层混凝土浇筑完毕以后,经过一定间歇期再浇筑上层混凝土,这样就存在下层老混凝土对上层新浇混凝土的约束问题,当上层新浇侧墙混凝土温度下降时,受老混凝土约束,容易产生“由内而外”的贯穿性裂缝,因此,必须采取措施控制渡槽混凝土的温度应力,以有效防止裂缝,保证工程
2、质量。为之,对该工程大体积混凝土施工温度控制进行了研究,通过现场温度控制的监测,指导了施工,达到渡槽混凝土施工期防裂的目的。 关键词: 大体积混凝土;温度控制;施工方案;现场监测 中图分类号:TU375 文献标识码:A 1. 工程概况 1.1 南水北调中线一期牤牛河南支渡槽工程概况 1.1.1 牤牛河南支渡槽工程概况 南水北调中线一期总干渠漳河北古运河南中线建管局直管工程牤牛河南支渡槽由退水闸、进口节制闸、渡槽、出口检修闸组成综合枢纽工程,起点桩号 29+304,终点桩号 29+728 其中:槽身段起点桩号29+386m,终点桩号 29+626m,共分 8 跨,单跨长 30m,全长 240m。
3、渡槽上部槽身为三槽一联带拉杆预力钢筋混凝土梁式矩形槽。槽身宽度24.3m,上部翼缘外侧宽度 25.5m。槽身过水断面尺寸 7.0m(宽)6.5m(高)3 槽,槽内设计水深 5.55m,加大水深 6.11m,渡槽纵坡i=1/3550。30m 跨单槽断面尺寸为 7.06.5m,边墙厚 0.6m,顶部设2.7m 宽人行道板;中墙厚 0.7m,顶部设 3.0m 宽的人行道板。后浇带设置在各跨槽身两端,宽 0.58m。槽身现浇混凝土 10586.6m3,钢筋制安906.2t,预力钢筋制安 383.9t,预力钢绞线制安 295.5t。其工程量见表1-1。 表 1. 槽身结构工程量表 序 号 部位 混凝土(
4、m3) 普通钢筋(t) 预力筋 (t) 钢绞线 (t) 备注 一期 二期 后浇带 小计 1 1#槽身 655.5 590 27.6 1273.1 106.1 47.99 36.94 C50 2 2#槽身 655.5 590 55.1 1300.6 106.1 47.99 36.94 C50 3 3#槽身 655.5 590 55.1 1300.6 106.1 47.99 36.94 C50 4 4#槽身 655.5 590 55.1 1300.6 106.1 47.99 36.94 C50 5 5#槽身 655.5 590 55.1 1300.6 106.1 47.99 36.94 C50 6
5、 6#槽身 655.5 590 55.1 1300.6 106.1 47.99 36.94 C50 7 7#槽身 655.5 590 55.1 1300.6 106.1 47.99 36.94 C50 8 8#槽身 655.5 590 27.6 1273.1 106.1 47.99 36.94 C50 9 拉杆 236.8 57.44 C30 10 合计 5244 4720 385.8 10586.6 906.2 383.92 295.52 1.1.2 牤牛河南支渡槽工程气象条件 牤牛河南支渡槽地处暖温带大陆性季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。年平均气温 13.1,年内气温变化明显。一月
6、份多年平均气温-2.3,极端最低气温为-19;七月份多年平均气温 26.5,极端最高气温 42.3。 牤牛河南支渡槽地处暖温带大陆性季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。年平均气温 13.1,年内气温变化明显。一月份多年平均气温-2.3,极端最低气温为-19;七月份多年平均气温 26.5,极端最高气温 42.3。 2 牤牛河南支渡槽施工期温控操作工艺流程 2.1 工艺流程的制定依据 本温控工艺流程是根据“牤牛河南支渡槽施工期温控防裂仿真研究及方案”(以下简称研究及方案)中的成果和要求细化而成,旨在使成果具有更好的操作性,需要说明的是研究及方案所提出的温控措施和温控指标除了控制渡槽槽身混凝土施
7、工期的裂缝问题外,同时还为了能够提高初运行期的抗裂能力,而本工艺流程仅针对施工期的抗裂问题。 2.2 施工混凝土 牤牛河南支渡槽槽身混凝土采用 C50W8F200 高性能混凝土,其试验配合比见表 10-1。根据以往工程经验,这种单掺粉煤灰混凝土的水化热大,绝热温升较高,最终绝热温升值可达 45,其随龄期变化过程见图10-1。由图可知,该混凝土的绝热温升值在龄期 2d 时即完成 90%左右,对混凝土的散热极为不利,在早期易形成很大的内外温差,对早期防裂不利。此外,一期浇筑采用混凝土的干缩大,弹性模量也较大,如 28d弹性模量有 61.2GPa,以及自生体积收缩变形也较大且发生较早等,这些因素对混
8、凝土抗裂性均有不利影响。 表 2.C50 混凝土配合比(单位:kg/m3) 标号 水泥 粉煤灰 砂 石子 水 纤维素纤维 减水剂 GK-3000 (%) 引气剂 GK-9A (%) C50 429 48 628 1106 143 1 1.0 0.001 3.3 气候条件 牤牛河南支渡槽地处暖温带大陆性季风气候区,冬季寒冷干燥,夏季炎热多雨。年平均气温 13.1,年内气温变化明显。一月份多年平均气温-2.3,极端最低气温为-19;七月份多年平均气温 26.5,极端最高气温 42.3。磁县地区不同月份的多年月平均气温见表 10-2。 表 3.牤牛河南支渡槽多年月平均气温统计表 月份 1 2 3 4
9、 5 6 7 8 9 10 11 12 全年 多年 平均气温 -2.3 0.2 7.0 14.4 20.5 25.6 26.5 25.2 20.2 14.3 6.3 -0.2 13.1 3.4 温控材料及用途 2.0cm 厚聚乙烯苯板,外贴于钢模板,用于春、夏、秋、冬季侧面保温;2.5cm 厚毛毡,用于仓面保温或隔热(聚乙烯苯板操作困难时的替代品);遮阳蓬,防止阳光直射混凝土;挡风蓬,减小风速对施工期混凝土的影响。冷却水管:采用内径 48mm、外径 54mm、壁厚 3.00mm 的钢管,用于混凝土内部冷却。试验仪器:温度传感器(图 10-2(a)),读数仪、测量仪器,屏蔽电线(图 10-2(b
10、));其他:制冷机、冷却水箱、水表、水泵等。 3.5 混凝土温控措施 根据工程要求,渡槽混凝土温控仅对槽身混凝土展开,不同结构混凝土施工期温控流程见图 10.5-1。 3.5.1 准备工作 钢模板外贴聚乙烯苯板:为简化工艺流程和经济性的考虑,春夏秋冬季均外贴 2.0cm 厚; 布置冷却管并检查密封性;为了控制新老混凝土结合面附近混凝土和纵梁内的最高温度和内外温差,必须在纵梁和每个隔墙的第二层混凝土中埋设冷却水管通水冷却,从混凝土新老混凝土结合面向上 30cm 布置第一层,再向上每隔 50cm 布置一层。对每个纵梁和隔墙(边墙及中墙)布置一根冷却水管在隔墙的中剖面,采用内径 48mm 钢管,壁厚
11、 3mm。冷却水温度 6、7、8 月份采用 15冷水,其他月份采用 12冷水,冷却通水时间 3 天,每 12h 调换一次通水方向,通水流速不小于 1.20m/s。考虑到在实际施工时,上述冷却水管布置的剖面与预应力管布置的剖面重合,因此可以考虑在隔墙两侧布置两根内径 34mm 钢管,冷却水温度 6、7、8月份采用 15冷水,其他月份采用 12冷水,冷却通水时间 3 天,每12h 调换一次通水方向,通水流速不小于 1.20m/s。通水时,应遵循“先通水后浇筑”的原则。由于 C50 混凝土前期 12 天内发热速度很快,发热量较高,为了充分利用水管通水削峰的效果,应在浇筑混凝土前提前进行通水。 准备好
12、冷却水源、保温材料、水表、水泵等后续温控所需。现场按每个通水冷却工作面配一台 LS100 型的制冷机(41.868104kJ/h),水温按要求控制。拌和用冷却水也采用 LS100 型的制冷机冷却,以满足拌制混凝土冷却水的需求。为了减小施工现场冷却水的“冷损” ,建议采用300m 深井井水,用 100mm 的 PE 管埋入地表大于 30cm 至施工现场,以满足现场冷却水的温度和流量需要。 3.5.2 混凝土入仓前 混凝土入仓温度控制在 26。采用人工制冷水拌制混凝土,有关混凝土入仓前的出机口温度和入仓温度的控制方法请见相关规范。仿真分析显示夏季 30的混凝土入仓温度对温差和应力水平有一定的影响,
13、在特别困难的情况下不得超过此温度。为避免夏季施工时混凝土入仓温度过高,因此需要在砂石骨料仓(含拌和机料仓) 上搭设固定遮阳蓬,并考虑在混凝土浇筑仓面上搭设临时遮阳蓬。 3.5.3 浇筑过程 要尽可能早地开始通冷却水,应采用“边浇筑边通水”的方式,且在开始时要满流量、大流速且低水温的方式通水。同时,在浇筑过程应注意调整好流量、流速和水温。 3.5.4 浇筑完成 (1)仓面保温:混凝土浇筑完成后,应立即对仓面采用聚乙烯苯板覆盖,且覆盖尽量严密,尤其四周不能留有太大空隙,应用重物(如砖头)压密,避免漏风。仓面保温持续 8d 及以上。 (2)初始监测和记录:监测和记录内容包括浇筑完成时间、天气情况、气
14、温、风速、水管流量(流速)、水温、混凝土各测点温度等数据和信息。3.5.5 施工期 适时调整/改变水管通水过程:(1)在正常情况下,不同季节水管通水过程见表 10-2 所示。其中不同季节冷却水温度若采用地下水达不到要求,则应采用制冷水。 (1)与温控指标相比,若超过温控指标,则在适当时刻加大通水力度(如降低冷却水温、增大流量等,以增大流量为主),若低于温控指标,则应适当减小通水力度。 表 3. 通水方案 部位 浇筑季节 高温季节* 春秋季 槽身 纵梁 及 隔墙 持续时间 3.0d 3.0d 水温、流速和流量 流速不小于 1.20m/s,流量为 5.43m3/h,水温为 15,每 12h 调换一
15、次通水方向。 流速不小于 1.20m/s,流量为5.43m3/h,水温为 12,每 12h 调换一次通水方向。 拆模:拆模时间根据施工进度和模板周转需求合理确定,但需注意几点:1)拆模时间不能过短,过短易出现早期的表面裂缝,夏季不少于3d,冬季不少于 6d;2)拆模后应尽快用一层毛毡覆盖,覆盖 7d 以上;3)拆模后及时检查表面是否开裂,做到边拆模边检查边覆盖;4)拆模时机选择在日气温的较高时间段,例如高温天气的下午 14:00 时附近;5)拆模的定义为松模瞬间,考虑松模到拆掉模板需要较长时间,而这段时间的养护非常关键。因而,在松模后,在模板与混凝土接触面及时洒水(接近混凝土表面温度的水)。
16、掀除表面保温:为了便于施工,不同结构采用相同保温力度,具体表面保温方法见 3.4(1)(仓面)和 3.5(4)(拆模)。需要指出,在掀除表面保温后,应每隔一段时间检查表面开裂情况,并及时反馈。 3.温控监测及分析 3.1 温度监测方案 考虑到渡槽截面对称性,故选择半跨渡槽作为温度测试对象。在截面温度最高位置及新老混凝土接触面布设温度传感器,对渡槽施工阶段温度进行实时监控。拟在半跨渡槽上布设 3 个观测截面,1、2 截面119#测点,3 截面布设 116#测点,共计 54 个温度传感器。将测温传感器绑在钢筋上,测试导线引到混凝土表面。测点布置如图 1 所示。具体测量方法如下: 图 1(a) 传感
17、器布设截面图 1(b) 传感器布设截面 根据绝热温升试验曲线,温度场分析结果显示最高温度出现在1.02.0 天的龄期内,因此, 02d,每隔 2h 监测一次,35d,每隔 6h监测一次,610d 每隔 12h 监测一次,1116d 每隔 24h 监测一次,1728d 每隔 48h 监测一次,2960d 每隔 1 周监测一次,60360d 每隔 1月监测一次。其中,0d 表示“混凝土浇筑完成时刻” ,前 28d 为监测重点。监测内容除监测测点温度外,要同时观测及记录气温、风速(或文字描述)、水温(进、出口水温均要测量)、流向、流速或流量等,并详细记录浇筑温度、浇筑时间和过程、模板外侧和仓面保温措
18、施及过程、松模及拆模时间等。若有特殊天气(如寒潮、大风)或温控措施非正常中止情况,还需记录发生时间、持续时间、变化幅度(如寒潮降温幅度、风速大小)等信息,以保证反演结果的可靠性。此外,若试验段出现裂缝,应详细记录裂缝发生的大概时间(如拆模后)、裂缝发生的位置、长度,裂缝类型等信息,以供调整仿真模拟,为后续施工段提供借鉴。第一、二跨渡槽浇筑前,可能的话应埋置部分应力传感器,实时监测槽身混凝土的应力变化情况,以便和仿真成果对比,从而调整仿真参数,为后续施工段提供依据。 3.2 监测成果分析 牤牛河南支渡槽槽身混凝土施工历时一年多,表 4 中按浇筑时间先后顺序列出各跨施工情况。按计划对每一跨每一次混
19、凝土施工温控工作均进行了监控,得到了宝贵的监测数据,并对每一次浇筑混凝土的温度变化进行了分析,分析结果详见各跨温控阶段报告。 表 4. 渡槽槽身混凝土施工历程 槽身下部至侧墙倒角以上 50cm 处 左、右中墙 左、右边墙 第 6 跨 2011 年 8 月 27 日 2011 年 9 月 30 日 右:2011 年 10 月 14日 左:2011 年 10 月 19 日 第 7 跨 2011 年 9 月 7 日 2011 年 11 月 10 日 2011 年 11 月 13 日 第 5 跨 2011 年 10 月 28 日 2011 年 11 月 26 日 2011 年 11 月 30 日 第
20、8 跨 2012 年 3 月 20 日 2012 年 4 月 8 日 2012 年 4 月 11 日 第 1 跨 2012 年 4 月 18 日 2012 年 5 月 8 日 2012 年 5 月 11 日 第 2 跨 2012 年 5 月 21 日 2012 年 6 月 14 日 2012 年 6 月 17 日 第 3 跨 2012 年 6 月 24 日 2012 年 7 月 23 日 2012 年 7 月 27 日 第 4 跨 2012 年 8 月 21 日 2012 年 9 月 13 日 2012 年 9 月 15 日 图 2 给出了 3 号截面温度监测图,从图可以看出:(1)结构下层部分测点温度在浇筑 2030h 后可达到最大值,而表面测点达最高值时间比内部稍早。纵梁内部最高约 65,表面最高约 60,内外温差一般不超过15,在春、秋、冬季节由于环境温度较低而梁内温度略有降低,但在保温措施下最高温度一般也可达 60;混凝土浇筑两天后温度开始明显下降,约在第七天时与环境温度差距可降至 10以下即稳定状态。冷却水温度随混凝土温度变化调整,开始最低为 20,一天后最高控制在
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