[ 摘要] 在特高壓1 000 kV 黃河大跨越施工中, 跨越塔N3 基礎設4 個承臺基礎及連梁, 混凝土方量大。為滿足高標準的要求, 決定采取不設施工縫、一次性澆注成形的方案。在施工中, 為避免水泥水化熱、溫度應力和混凝土的收縮變形產生有害裂縫, 制定了詳細的技術措施和施工方案, 在原材料選用與配合比設計、混凝土供應與澆筑、混凝土內部溫度檢測與表面養護等方面采取了有效的措施, 取得了滿意的效果。
[ 關鍵詞] 特高壓; 黃河大跨越塔; 大體積混凝土施工
中圖分類號: TM835 文獻標志碼: B 文章編號: 1000- 7229 ( 2008) 01- 0009- 04
1 工程概況
黃河大跨越是1 000 kV 晉東南—南陽—荊門輸電線路工程的重要組成部分, 采用耐- 直- 直- 直-耐方式跨越黃河, 主跨檔1 220 m, 跨越段線路3.651km, 單回路架設。跨越塔呼高112 m, 全高122.8 m。
1 000 kV 黃河大跨越跨工程跨越塔N3 基礎工程共4 個承臺基礎及連梁, 單基跨越塔承臺混凝土體積為1 900 m3, 連梁混凝土體積為60 m3; 混凝土設計強度等級C30。基礎施工中地腳螺栓為高強度螺栓M76 mm×2 400 mm ( 42CrMo) , 隨承臺一起澆筑。承臺長15 m, 寬15m, 高2.1 m; 連梁寬1.6 m, 高1.6 m, 長5.88 m, 連接4 個承臺, 單個承臺混凝土方量為475 m3, 4 個承臺及連梁混凝土總方量1 960m3。為了滿足特高壓工程高標準的特殊性要求, 我們在傳統施工技術上進行創新, 決定不設施工縫, 一次性澆注。同時為了達到鏡面混凝土的要求, 與有關廠家合作攻關特制了承臺鋼模板, 并在陽拐處倒角, 避免因應力集中而損壞混凝土邊角。
2 大體積混凝土裂縫成因分析
大體積混凝土裂縫一般在混凝土澆注后短期內形成, 主要是因為水泥的水化作用是放熱反應, 大體積混凝土自身又具有一定的保溫性能, 在混凝土升溫至峰值后的降溫過程中, 內部降溫速度比表層慢得多, 各部分的溫度變形產生的相互約束及外界約束的共同作用, 使得混凝土內產生的溫度應力相當復雜; 同時氣溫變化和澆注后的養護方式對混凝土裂縫的產生有一定影響。一旦溫度應力超過混凝土所能承受的拉力極限值, 混凝土就會出現裂縫。
大體積混凝土結構裂縫的發生是由多種因素引起的。在施工過程中考慮了下述因素, 并采取了相應的措施。
2.1 水泥水化熱
水泥在水化過程中要釋放出一定的熱量, 而大體積混凝土結構斷面較厚, 表面系數相對較小, 所以水泥發生的熱量聚集在結構內部不易散失。這樣混凝土內部的水化熱無法及時散發出去, 以至于越積越高, 使內外溫差增大。由于混凝土結構表面可以自然散熱, 內部的最高溫度多數發生在澆筑后最初的3~5 天。
2.2 溫度應力
溫度應力是由于溫差引起的變形造成的, 溫差愈大, 溫度應力也愈大。同時, 在高溫條件下, 大體積混凝土內部的最高溫度一般可達60~70 ℃, 并且有較長的延續時間。
2.3 混凝土的收縮變形
混凝土在空氣中硬結時體積減小的現象稱為混凝土收縮。當混凝土這種自發變形受到外部約束時( 支承條件、鋼筋等) , 將在混凝土內部產生拉應力,使得混凝土開裂。
3 大體積混凝土施工熱工計算
黃河大跨越承臺施工時間在5 月下旬, 需全面考慮施工溫度對混凝土質量的影響。判斷混凝土施工溫度對混凝土質量的影響有2 個主要指標, 即混凝土中心最高溫度與表面溫度的差、表面溫度與大氣溫度的差均不應大于25 ℃。超過25 ℃需對混凝土原材料及施工溫度、水化溫度采取控制措施。
在制定方案初期, 項目部做了混凝土配比單, 普通硅酸鹽水泥P.S42.5: 380 kg; 中砂: 707 kg; 10～25mm 石子: 1 153 kg; 水: 188 kg; 水灰比0.50; 外加劑( 緩凝高效減水劑建3B 型) : 3.9 kg。
3.1 混凝土溫度的計算
先求混凝土的最終絕熱溫升:
Th=WQ/(Cρ)=380×377/( 0.96×2 400) =62.2( ℃)
式中W———單位體積混凝土水泥用量, 取380kg/m3;
Q———水化熱, 取377 kJ/kg;
C———混凝土比熱, 取0.96 kJ/( kg·℃) ;
ρ———混凝土密度, 取2 400 kg/ m3。
查降溫系數ξ值, 可求出不同齡期的水化熱溫升( ξTh) , 不同齡期的混凝土溫度值見表1。
3.2 溫度應力計算[1]
σ=E( t)×α×ΔT×S( t)×R/( 1- Vc) =2.55×104×1.0×10- 5×14.4×0.57×0.44/( 1- 0.15) =
1.08 N/mm2<1.1 N/mm2
式中σ———混凝土的溫度應力, N/mm2;
E(t)———混凝土從澆筑后至計算時的彈性模量,N/mm2;
α———混凝土的線膨脹系數, 取1.0×10- 5;
ΔT———混凝土的最大綜合溫差絕對值;
S( t)———考慮徐變影響的松弛系數, 按混凝土松馳系數表選用;
R———混凝土的外約束系數, 一般地基取0.25～0.50;
Vc———混凝土的泊松比。
由計算可知, 不會因降溫時混凝土收縮引起收縮裂縫。
4 混凝土裂縫的預防措施
4.1 精心設計配合比
精心設計混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性能的情況下, 應盡可能地降低混凝土的單位用水量, 采用“三低( 低砂率、低坍落度、低水膠比)二摻( 摻高效減水劑和高性能引氣劑) ”的設計準則,生產出高強、高韌性、中彈、低熱和高極拉值的抗裂混凝土。
4.2 正確選用水泥
工程中選用水化熱較低的建筑牌P.S42.5 礦渣硅酸鹽水泥。同時在配合比中注意盡量降低混凝土中的水泥用量, 以降低混凝土的溫升, 提高硬化后體積的穩定性。
4.3 正確選用粗細骨料
在選擇粗骨料時, 工程中選用了10～25 mm 石子, 既可以減少用水量, 也可以相應減少水泥用量,還可以減小混凝土的收縮和泌水現象。
在選擇細骨料時, 選擇平均粒徑較大的中粗砂,細度模數為2.8, 從而降低混凝土的干縮, 減少水化熱量, 對混凝土的裂縫控制有重要作用。
4.4 合理摻加外加劑
工程中選用了緩凝減水劑建3B 型, 可減少拌和用水10%左右, 相應地也減少了水泥用量, 降低了混凝土水化熱; 并且使混凝土緩凝, 保證混凝土初凝時間大于6 h, 以推遲水泥水化熱峰值的出現, 使混凝土表面溫度梯度減少, 可使混凝土抗裂性能提高。
5 施工過程控制措施
5.1 控制混凝土入模溫度
入模溫度的高低, 與出機溫度密切相關, 另外還與運輸工具、運距、轉運次數、施工氣候等有關。
在施工現場對堆在露天的砂石用布覆蓋, 以減少陽光的輻射, 同時對澆筑前的砂石用冷水降溫, 拌合站用水采用地下井水, 溫度在4 ℃左右。采用多存放幾天的水泥, 施工時進行通風, 降低水泥存放溫度, 使入模混凝土溫度控制在28 ℃以下。
混凝土拌合采用2 套JS750 及JS500 強制式混凝土攪拌站, 每小時生產能力30 m3, 2 臺生產能力為60 m3; 8 臺8 m3 的混凝土輸送車送料, 平均每小時入倉能力達40 m3。N3 承臺混凝土1 960 m3 總澆筑時間控制在60 h 之內。
采用2 臺混凝土泵車布料, 嚴格控制混凝土的澆筑速度, 一次澆注的混凝土不可過高、過厚, 以保證混凝土溫度均勻上升。保證振搗密實, 嚴格控制振搗時間、移動距離和插入深度, 嚴防漏振及過振。
5.2 采用科學澆注流程
澆注流程: 混凝土澆筑采用“分段定點, 薄層澆筑; 斜面分層、循序推進; 一次到頂、最后合攏”的方法。每個澆筑薄層澆筑長度按2 m 控制, 具體澆筑分層見圖1 所示。
澆注方向為從A 腿承臺分斜層澆筑。A 腿澆完后通過兩邊的連梁, 分別向B、D 腿澆筑, B、D 腿的承臺澆完后, 通過連梁分別向C 腿澆筑, 最后將C 腿承臺澆筑完成, 不留任何施工冷縫。澆注順序見圖2。
為了緊密配合施工進度, 確保混凝土的連續均勻供應, 經過周密的計算和準備, 配備了8 輛8 m3攪拌車和2 輛三菱泵車, 始終保持了穩定的供應, 基本上做到了泵車不等攪拌車, 攪拌車不等泵車, 未發生堵泵現象。
5.3 加強澆注后混凝土養護[2]
傳熱系數計算式:
β=1/( Σδi/λi+1/βq)
式中δi———各種保溫材料的厚度, m;
λi———各種保溫材料的導熱系數, 詳見導熱系數表, W/(m·K) ;
βq———空氣層傳熱系數, 取23 W/(m2·K) 。
混凝土虛設厚度計算式:
h′=K×λ混凝土/β
式中λ混凝土———混凝土的導熱系數, 此處可取2.33 W/(m·K) ;
β———混凝土模板及保溫層的傳熱系數W/(m2·K) ;
K———計算折減系數, 根據試驗資料可取0.666。
溫度計算中采用的計算厚度為:
H=h+2h′
式中H———混凝土的計算厚度;
h———混凝土的實際厚度;
h′———混凝土的虛厚度。
設2 層草袋總厚3 cm, λ草=0.14 W/(m·K) , 其傳熱系數β可按下式求得;
β=1/( Σδi/λi+1/βq) =1/( 0.03/0.14+1/23) =3.88 W/(m2·K)
此時虛設厚度:
h′=K×λ混凝土/β=0.666×2.33/3.88=0.4(m)
H=h+2h′=2.1+2×0.4=2.9(m)
混凝土表層溫度計算:
Tc=Tq+4×h′×(H- h′) ×( Tmax- Tq) /H2=26+4×0.4×( 2.9- 0.4) ×( 66.4- 26) /2.92=
45.2(℃)
式中Tmax———混凝土中心最高溫度, ℃。
因Tmax- Tc=21.2 ℃>20 ℃, 故需要保溫。
混凝土抹壓后, 當人踩在上面無明顯腳印時, 隨即用塑料薄膜覆蓋嚴實, 不使透風漏氣、水分蒸發散失帶走熱量。且在薄膜上蓋2 層草袋保濕保溫養護,以減少混凝土表面的熱擴散, 減少混凝土內外溫差。
經實測混凝土3 天內表面溫度在48～55 ℃之間, 且很少發現混凝土表面有裂縫情況。
5.4 加強澆注后混凝土監控
從混凝土澆筑完成到終凝這段時間的養護對混凝土而言十分重要。混凝土澆筑完畢后, 在其頂面及時加以覆蓋, 要求覆蓋嚴密, 并經常檢查覆蓋保濕效果。其主要作用有二: 一是蓄水保溫, 防止表面水分蒸發和抵抗受太陽輻射與刮風時溫度驟變, 二是保持內外溫差的穩定。
5.4.1 溫度監控的最終目的是為了掌握混凝土內部的實際最高溫升值和混凝土中心至表面的溫度梯度, 保證規范要求的內部與表面的溫差小于25 ℃及降溫速率。
5.4.2 溫度是直接關系整個混凝土基礎質量的關鍵。為了客觀反映混凝土溫度狀況, 對自然溫度、混凝土內部溫度、混凝土表面溫度等3 個項目進行測試, 便于及時調整溫控措施。
5.4.3 每個承臺立柱邊0.5 m 和承臺邊1 m 處位置, 距承臺下底面200 mm 承臺中間和距承臺上表面100 mm 處, 分別各預埋1 個電子測溫線。每基塔共布置24 個測溫線, 由專人負責連續測溫2 周。前1 周每間隔2 h 測1 次, 比規范規定每8 h 測2 次的頻率要大些; 后1 周每間隔4 h 測1 次。
本工程采用DM6801A 便攜式建筑電子測溫儀測溫。實測結果如表2。
6 結語
對于混凝土裂縫, 應以預防為主, 上述各項技術措施是相互聯系、相互制約的。施工中必須結合實際、全面考慮、合理采用, 才能起到良好的效果。
6.1 混凝土強度按《混凝土強度檢驗與評定標準(GBJ107—87)》進行了測試, 屬合格。
6.2 由于采用了“雙摻技術”(緩凝減水劑和高性能引氣劑), 合理選擇原材料, 延緩了凝結時間, 減少了坍落度損失, 改善了混凝土和易性和可泵性。使得混凝土在高溫、遠距離運送條件下仍能順利泵送。
6.3 根據對混凝土裂縫成因的分析以及熱工計算,精心制定大體積混凝土施工方案, 加強養護及監控,混凝土內外溫度連續測2 周, 混凝土中心最高溫度出現在澆注后的3～5 天, 與文獻介紹的一致。內外溫差僅為22 ℃, 且低于規范規定的不得大于25 ℃( 如溫差超過25 ℃, 則需采取降溫措施) 的要求。
6.4 經各有關單位的嚴格檢查, 未發現有害裂縫(僅表面有個別收水裂縫)。混凝土密實平整光潔, 無蜂窩麻面。
7 參考文獻
[1] 江正榮.建筑施工計算手冊.北京: 中國建筑出版社, 2001.
[2] 葉琳昌, 沈義.大體積混凝土施工.北京: 中國建筑出版社, 1987.
