某大桥承台大体积混凝土施工方案secretDOC.docx
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某大桥承台大体积混凝土施工方案secretDOC
邯郸市光太公路工程有限公司
京港澳高速公路永年连接线改建项目
大体积混凝土施工方案
编制：
＿＿＿＿＿＿
审核：
＿＿＿＿＿＿
审批：
＿＿＿＿＿＿
邯郸市光太公路工程有限公司
京港澳高速公路永年连接线改建项目部
二0一四年七月二十三日
1、工程概况
京港澳高速公路永年连接线改建工程大体积混凝土施工项目中，普通圆墩温度控制采用常规控制措施，施工完成后及时覆盖、洒水养生，其中较大体积混凝土施工项目为北谭桥承台施工，其余各桥桥台项目，此项目施工中需进行特殊养生措施。
2、大体积混凝土理论
大体积混凝土是指最小断面尺寸大于1m以上的混凝土结构，混凝土内部及表面的裂缝是影响结构内在及外观质量的最主要的原因，混凝土裂缝的产生主要有以下几个方面：
2.1温度应力产生的裂缝
大体积混凝土结构在浇筑初期,由于水泥水化过程中发出的热量,升温速度很快,混凝土内部升温值一般在5～7d内产生,5d内温度可达到或接近最大温升,此后趋于稳定并开始降温。
但由于混凝土导热性能差,混凝土内部温度聚集在结构物内长期不易散失,在早期水化热温度迅速升高阶段,由于混凝土内、外散热条件不同,形成温度梯度,表面受拉,内部受压,当应力超过混凝土抗拉强度时,混凝土表面就产生裂缝;在混凝土降温阶段,混凝土的温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形,受到外界条件的约束时,在结构体中央断面产生内部拉应力,当该拉应力超过混凝土的抗拉强度时,整个混凝土截面就会产生贯穿裂缝,这种裂缝对混凝土质量、耐久性都将造成不良影响。
2.2干缩应力引起的裂缝
在结构物混凝土拆模之后,由于结构物表面失水造成温度变化,
而温度变化引起混凝土内部各单元体之间相互约束,产生的应力为干缩应力。
因为湿度传导速率远小于热度传导速率,所以它主要集中在混凝土的表面附近。
另外,如果混凝土不覆盖,空气中游离的CO2会很容易与混凝土表面附近的Ca（OH）2发生碳化反应而形成碳酸氢物。
这两种因素引起的裂缝虽然不深不宽,对混凝土的内在质量不产生影响,但裂纹纵横交错,影响混凝土结构外观。
2.3钢筋施工技术不当引起的裂缝
混凝土沿钢筋方向出现剥落和细小裂缝,这种情况虽然不是温度
和温差造成的,但同样会在结构物表面出现。
首先是浇筑混凝土时无工作平台,施工人员直接触动钢筋,造成钢筋局部变形,形成素混凝土,混凝土的抗拉能力下降,于是很容易出现无规则交叉混凝土裂纹;其次是钢筋保护层偏小,混凝土极易被碳化,从而引起钢筋被锈蚀,而钢筋生锈是一个体积增大的过程,这种效应使钢筋外围混凝土产生相当大的拉应力,诱发了沿钢筋方向的裂缝;第三是钢筋间距对裂缝的影响,钢筋间距偏大,使得钢筋与混凝土粘结力过小,不能通过粘结力将拉力扩散到混凝土中去,不能有效地约束混凝土的回缩或体积变化。
根据施工实践,上述三种因素引起的裂缝均有不同程度的发生,其中温差造成的裂缝危害最大。
3、大体积混凝土施工质量控制措施
北谭桥承台及桥台实体均属大体积混凝土结构。
因此，必须采取相应的技术措施妥善处理温度差值，合理解决温度应力，避免出现裂缝。
3.1降低水泥水化热
3.1.1水泥品种选定。
水泥水化热主要取决于水泥的矿物组成、用量和放热速率,因此应选择低中热水泥。
水泥水化热主要来自水泥矿物中的C3S和C3A,在大体积混凝土中,应优先考虑采用C3S和C3A含量低的水泥。
3.1.2减少水泥的用量。
在确定混凝土强度及坍落度的情况下,宜用大粒径骨料、合理的集料级配,通过掺粉煤灰、减水剂来减少水泥用量。
3.2降低入模温度
入模温度是指混凝土从拌和、运输至入模时的温度,降低入模温度的措施主要是对原材料进行预冷。
可采用冷却拌和水如深井水或掺加冰屑直接对混凝土进行降温,但由于水在混凝土中所占热容量的百分比不大,因此单凭冷却水不能完全有效地降低混凝土的入模温度,还需对粗骨料、水泥进行处理。
夏季施工时,应对粗细骨料进行搭棚遮阳,防止阳光直射而引起温升,水泥一般不作预冷,尽量不要使用刚出厂的水泥。
此外,环境气温对混凝土的预冷效果影响较大,入模温度应控制在比环境温度高约5℃左右。
夏季最好选择在夜间施工。
3.3其它骨料及添加剂的选用
3.3.1粗骨料：
采用碎石，粒径5～25mm，严格控制含泥量。
选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。
3.3.2细骨料：
采用中砂，平均粒径大于0.5mm，含泥量不大于5％。
选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。
3.3粉煤灰：
由于混凝土的浇筑方式为泵送，为了改善混凝土的和易性便于泵送，考虑掺加适量的粉煤灰。
粉煤灰对水化热、改善混凝土和易性有利，但掺加粉煤灰的混凝土早期极限抗拉值均有所降低，对混凝土抗渗抗裂不利，因此粉煤灰的掺量控制在20％以内。
3.3.4外加剂：
采用减水剂，减水剂可降低水化热峰值，对混凝土收缩有补偿功能，可提高混凝土的抗裂性。
3.4适量填充毛石降低水化热
3.4.1降热理论
水化热是水泥在水化过程中放出来的热，减少水泥用量就可以降低水化热。
水泥是混凝土中的胶凝材料，将骨料胶结形成整体。
在大体积混凝土中填充毛石，增大了骨料所占体积，同时也增大了骨料粒径，使骨料表面积减小，因此保证一定厚度润滑层所需的水泥浆数量也相应减少，从而使水泥用量相应减少了，因此水化热也相应降低了。
此外，毛石温度与大气温度相近，根据热平衡原理，毛石本身也可吸收一部分热量，对降低水化热也是有利的。
3.4.2填充毛石对混凝土强度的影响
混凝土强度受水泥的影响主要是水泥标号和水灰比这两个因素。
虽然，在大体积混凝土中填充毛石减少了水泥用量，但对混凝土中水灰比的影响却是很小。
填充毛石数量控制在10％体积比之内，对底板混凝土中水灰比的影响很小，因此不会使混凝土的强度有所降低。
毛石强度大于C20混凝土强度的3倍，保证了混凝土的强度。
而且，由于混凝土中水泥砂浆的弹性模量一般在E=（1.5～1.6）×106MPa，而毛石则为E=（8～10）×106MPa。
由此可见，在水泥标号一定、水灰比基本不变的前提下，增加混凝土内粗骨料（毛石）含量可提高混凝土的弹性模量。
不可否认，粗骨料中常含有一些有害杂质，如粘土、淤泥、细屑、硫化物和有机杂质。
但在混凝土浇注过程中，只要严格把好质量关，不让这些杂质混入混凝土内，即可保证混凝土的强度不会因此受到影响。
3.5控制钢筋施工不当引起的裂缝
在施工时,一定要搭设工作平台,避免人员、机械对钢筋的扰动;要在钢筋网之间增加横向、竖向支撑,焊接成钢筋骨架,增加钢筋骨架的刚度和稳定性,以保证钢筋位置的准确。
3.6拆模时间的控制
新浇混凝土在早期温度上升时,产生的膨胀变形受到约束而形成压应力,此时混凝土弹性模量小,徐变和应力松弛度大,使混凝土与下层连接不牢固,因而压应力较小;当温度下降时,则产生较大的拉应力,若超过混凝土的抗拉强度,所浇混凝土会出现垂直裂缝。
因温升达到最大值一般在3d以上,故拆模时间要控制在3d以内,以防拆模时降温
造成更大的温度应力。
3.7养护方法
对于大体积混凝土,一般采用通水冷却、蓄水养生、保温养护等措施,对于承台结构较易实现，但由于桥台较高,前两种养护均比较困难,因此墩身应采用表面全保温养护法,即利用保温材料提高新浇筑的混凝土表面和四周温度,减少混凝土的内外温差。
在进入4月份后,早晚环境温差较大,而钢模板导热系数较大,加上钢模的厚度薄,温差超过了临界值,应根据测温情况在模板四周包覆篷布,以保证混凝土内外温差,将混凝土表面和模板外侧温差控制10℃左右。
拆模后,先在混凝土表面铺一层塑料薄膜,外面再包一层棚布,通过温度监测,混凝土内外温差均控制在25℃范围之内,在混凝土后期拆除保温材料后,还应对混凝土表面覆盖塑料薄膜,防止因干缩、碳化等原因引起混凝土开裂。
4、大体积混凝土施工
4.1现场准备工作
⑴、基础清理完毕，底层钢筋施工完毕，并进行隐蔽工程验收。
⑵、模板支立拼装完毕，验收合格。
⑶、将混凝土表面标高抄测在模板上，并作明显标记，供浇筑混凝土时找平用。
⑷、浇筑混凝土时预埋的换热管、操作平台及保温所需的麻片等应提前搭设或准备好。
⑸、项目经理部应与供电单位联系好施工用电，并事先铺设线路，
以保证用电机械及施工照明用。
⑹、管理人员、施工人员、后勤人员等昼夜排班，坚守岗位，各负其责，保证混凝土连续浇灌的顺利进行。
4.2施工机械配置
大体积混凝土施工机具配置表
序号
机具名称
型号
数量
备注
1
搅拌站
2000型
2
2
罐车
10m3
5
3
混凝土输送泵
1
备用
4
振动棒
50mm
6
备用2台
5
铁锹
8
4.3施工人员配备
大体积混凝土每班施工人员配置表
序号
工种
人数
备注
1
混凝土工
12
混凝土振捣、摊铺
2
管路工
8
混凝土输送管路改移
3
罐车司机
2
4
搅拌站司机
2
5
投料手
6
水泥、外加剂投放
6
地泵司机
2
7
生产副经理
1
班组协调
8
领工员
2
9
技术员
1
10
安质检员
1
合计
37
4.4混凝土浇筑
混凝土浇筑采用薄层连续浇筑，每层浇筑厚度不应超过500mm，
浇筑完一层后再返进行下一层的浇筑，在混凝土不初凝的前提下，尽量延长每层混凝土的表面与大气的接触时间，使混凝土的水化热在浇筑时散发。
⑴、混凝土采用集中搅拌站所产混凝土用混凝土运输车运到现场浇筑。
⑵、混凝土浇筑应连续进行，间歇时间不得超过4h，如遇特殊情况，混凝土在4h仍不能连续浇筑时，需采取应急措施。
即在己浇筑的混凝土表面上插短插筋，长度0.5米，间距0.5m，呈梅花形布置。
⑶、由于混凝土坍落度比较大，会在表面钢筋下部产生水分，或在表层钢筋上部的混凝土产生细小裂缝。
为了防止出现这种裂缝，在混凝土初凝前和混凝土预沉后采取二次抹面压实措施。
⑷、混凝土振捣
①、振捣时间要正确把握，时间过短，混凝土难以密实，时间过长，影响生产效率并容易出现离析、分层现象。
在一个部位不应少于10s，一般由以下现象判断：
a、粗细骨料不再下沉；
b、水泥浆已翻上表面；
c、被振部位已大致水平；
d、混凝土中气泡不再上冒。
②、振捣棒振捣时要快插慢抽，两次插入间距控制在50cm左右，插入深度在1.25倍棒长。
③、振捣时避免直接振动钢筋、模板、预埋件。
④、混凝土坍落度大时，采用高频振动棒（10000次/min）；石子粒径大时，采用低频振动棒（3000次/min）。
4.5混凝土养护
⑴、混凝土灌注完成后，立即将散热管里注满水；
⑵、混凝土灌注完10小时后，承台立即拆除模板加固支撑，并用厚薄膜将补块侧面包起来，墩身模板不拆除，但需用厚篷布包裹，做好保温；
⑶、混凝土初凝后（3小时左右），必须对混凝土表面进行洒水湿润，以防止混凝土干裂，模板拆除后，为保证蓄水，采用粘土将混凝土顶面四周沿边垒起30cm高；
⑷、及时用草袋对混凝土表面进行覆盖；
⑸、覆盖草袋后，在混凝土表面蓄水25cm，并用水管插入散热管底部，对散热管进行换水。
⑹、为保证混凝土顶面上蓄水温度尽量高，除孔内换水外，禁止将凉水直接放入；
⑺、混凝土养护必须定每班2人24小时不间断养护；
⑻、养护时间不少于12天；
⑼、技术对养护温度跟班进行测量，并做好详细记录。
5、降温工艺选择（按双层冷却管进行简算）
5.1水平循环冷却水管降温法
北谭桥左4#墩承台拟采用循环散热法，采用双循环散热体系，两个出水口、两个进水孔，采用双层冷却管进行降温，冷却管间距1.2m。
5.1.1温升计算依据
温升是指在块体四周没有任何散热条件，没有任何热耗的情况
下，水泥与水化合后的水化热全部转化为温升后的最高温度为混凝土的最终绝热温升，应按下列公式计算：
WQ
Tn=----
Cγ
式中Tn-----混凝土的最终绝热温升值
W-----每m3混凝土的水泥用量（Kg/m3），取347Kg/m3
Q-----每Kg水泥的水化热量（KJ/Kg），取377KJ/Kg
C-----混凝土比热（KJ/Kg·K），取0.96KJ/（Kg·K）
γ----混凝土的容重（Kg/m3），取2390Kg/m3
影响混凝土内部温度因素很多，一般以混凝土的浇筑温度、水泥水化热的温升、自然散热的降温三者因素综合考虑求得内部温度。
在
假定没有散热的情况下，混凝土绝热温升与时间（d）的关系可按下列经验公式计算：
WQ
T（t）=——（1-e-mt）=Tn（1-e-mt）
Cγ
式中T（t）---在t龄期时混凝土的绝热温升（℃）
e---常数，为2.718
t---龄期（d）
m---随混凝土浇筑温度而异，按表1选用。
计算水泥水化热温升时的m值表1
混凝土浇筑温度（℃）
5
10
15
20
25
30
m值（1/d）
0.295
0.318
0.340
0.362
0.384
0.406
混凝土结构的厚度愈厚，水化热温升阶段就愈长，并和外界气温有关。
混凝土内部温度，应按下式计算：
Tmax=Tj+T（t）£
式中Tmax---混凝土内部中心温度（℃）
Tj---混凝土浇筑温度（℃）取25℃
£---混凝土结构的温降系数，按表2选用。
温降系数£值表2
龄期（d）
1
3
6
9
12
15
18
21
24
27
£值
0.60
0.79
0.78
0.77
0.70
0.60
0.51
0.42
0.35
0.30
5.1.2具体计算
龄期分别取1、3、6、9、12、15天：
WQ347×377
（1）T
（1）=——（1-e-mt）=—————×（1-2.718-0.384×1）=18.17（℃）
Cγ0.96×2390
Tmax
（1）=Tj+T
（1）£
（1）=25+18.17×0.60=35.90（℃）
WQ347×377
（2）T（3）=———（1-e-mt）=—————×（1-2.718-0.384×3）=39.00（℃）
Cγ0.96×2390
Tmax（3）=Tj+T（3）£（3）=25+39.0×0.79=55.812（℃）
WQ347×377
（3）T（6）=———（1-e-mt）=—————×（1-2.718-0.384×6）=51.33（℃）
Cγ0.96×2390
Tmax（6）=Tj+T（6）£（6）=25+51.33×0.78=65.04（℃）
WQ347×377
（4）T（9）=———（1-e-mt）=—————×（1-2.718-0.384×9）=55.23（℃）
Cγ0.96×2390
Tmax（9）=Tj+T（9）£（9）=25+55.23×0.77=67.53（℃）
WQ347×377
（5）T（12）=———（1-e-mt）=—————×（1-2.718-0.384×12）=56.46℃）
Cγ0.96×2390
Tmax（12）=Tj+T（12）£（12）=25+56.46×0.70=64.52（℃）
WQ347×377
（6）T（15）=———（1-e-mt）=—————×（1-2.718-0.384×15）=56.83（℃）
Cγ0.96×2390
Tmax（15）=Tj+T（15）£15）=25+56.83×0.60=59.10（℃）
以上结果可以看出：
混凝土内部最高温度出现在第9天左右，之前为温度上升阶段，之后为温度下降阶段。
实际混凝土自身还会散热，计算偏于安全。
5.1.3水平循环换热水管降温法的应用
⑴、水平循环换热水管的制作和安装
取普通薄壁钢管（Φ48×0.35mm），按1.2m间距（大于混凝土厚度0.2m）平行布置2层，每层冷却管相邻管之间间距1.0米。
管体绑扎在钢筋片上。
浇筑前，为防止混凝土等异物进入水管，在管的进、出水口加上管帽。
冷却管布置见附图：
⑵、降温方法
两个进水口用两个水泵循环送入河水，通过水循环带走承台内部混凝土水化热，循环水保持15天。
4、水平循环换热水管降温法的热工计算
由于混凝土水化热升温根据龄期不同，温度变化大多在60～70℃之间，因此按平均水温65℃计算。
本承台循环水采用抽自冲沟流水，水温较低，因此估算冷却水管进水平均水温15℃，在热交换过程中设水管全长L范围内混凝土平均温度一至，其计算公式如下：
θ'm=θw+X（θp-QW）+X1θm
θ'm：
水管全长L范围内混凝土平均温度；
θw：
冷却水初温取12℃；
θp：
混凝土的浇注温度取25℃；
θm：
混凝土的最升温值；
X：
各龄期水管冷却系数；
2、估算3d，6d，9d，15d混凝土平均温升和冷却水管出口水温。
混凝土导热系数 λ=7.7456kJ/m·h·℃
混凝土比热 c=0.96kJ/m·kg·℃
水的比热 cw=0.96kJ/m·kg·℃
水的单位体积重 ρw=1000kg/m3
冷却水的流量（每根冷却管） qw=1.6m3/h （暂定）
冷却水管平面平行布置，冷却水管采用内径44.5mm的镀锌钢管，单层冷却管长度L=90m ，采用2层布置
经计算混凝土绝热温升 θ0=67.53℃
水泥水化热 m=0.384（L/d）=0.016（L/h）
ε=λ·L/（Cw·ρw·qw）=7.7456×90/（4.19×1000×1.6）=0.104
αf=a·log100/log（b/c）
式中a------导温系数 0.0035m2/h
B/C=1.2/0.0445×0.5=53.93
B：
水管层距
C：
水管半径
循环水等效导温系数：
αf=a·log100/log（B/C）=0.0035×log100/log（53.93）=0.004（m2/h）
b=0.922
查表
τ（d） αf×τ×24/b2 b=0.9
X Y
6 2.71 0.52 0.425
9 4.06 0.35 0.308
21 9.47 0.07 0.05
3、计算混凝土升温
θm=θw+X（θp-QW）+X1θ0
根据公式X=0，X1按上表，θ0混凝土最终绝热升温值，分别计算不同龄期冷却水管冷却后混凝土温度及水管内水上升温度。
所以当τ=6天:
混凝土平均温度上升值为67.53×0.52=35.12℃ （相当于降温67.53-35.12=32.41℃，此时内外温差=35.12℃）;
冷却水平均温度上升值为：
67.53×0.425=28.7℃。
τ=9天:
混凝土平均温度上升值为67.53×0.35=23.63℃ （相当于降温67.53-23.63=43.9℃，此时内外温差=23.63℃;
冷却水平均温度上升值为：
67.53×0.308=20.80℃
因此在冷却水循环9天后即可不进行循环了。
同理，三层冷却管肯定满足现场施工需要
5.2垂直降温法（备选施工工艺）
在大体积混凝土施工中，垂直换热水管降温法是控制混凝土内外
温差的一项有效的施工措施，相比照预埋循环冷却水管的方法存在诸多优点：
循环冷却水管降温不均匀，且在进口与出口效果相差较大；循环冷却水管无法灌入细石混凝土；另外，垂直换热水管还可以起到架立钢筋的作用；换出的热水可以用做混凝土养生，并能提高混凝土外部温度。
5.2.1温升计算依据（同5.1.1计算）
5.2.2具体计算（同5.1.2计算）
5.2.3垂直换热水管降温法的应用
⑴垂直换热水管的制作和安装
取普通薄壁钢管（Φ100×5mm），按3.7m长度（大于混凝土厚度0.2m）截断，断面磨光，下端用砂浆封闭。
按间距2米梅花形布置。
下端置于底层混凝土顶面，管体焊接在钢筋网片上。
浇筑前，为防止混凝土等异物进入水管，在管的上口加上管帽。
以承台为例，水管布置见附图：
⑵、降温方法
用胶皮管伸入管底，缓缓注入常温水，将管内热水换出，待管内水温稳定在30℃左右时，停止换水。
前3天平均每隔1h置换一次；第4～12天，2h置换一次；第13～18天，6h置换一次。
5.2.4垂直换热水管降温法的热工计算
由于混凝土水化热升温根据龄期不同，温度变化大多在60～70℃之间，因此按平均水温65℃计算。
⑴、每根水管置换热量：
Q=nCmΔt=204×4186.8×25.13×35=751230kJ
式中：
n——水管换热次数；
C——水的比热（J/kg.℃）；
m——置换水的质量，m=πr2hγ（kg）；
Δt——换热前后水的温差，Δt=65-30=35（℃）。
⑵、每根水管换热体积：
V1＝V/n＝12.3×12.4×3÷27=16.95m3
⑶、每m3混凝土置换热量：
Q1＝Q/V1＝751230÷16.95=44320kJ
⑷、混凝土内部温度降低：
ΔT＝Q1/（C·ρ）＝44320÷（0.96×2400）＝19℃
即该换热水管可直接降低混凝土内部温度约19℃，使混凝土内部温度将至46℃以下，并且置换水提高混凝土表面温度恒定在30℃左右，内外温差为16℃左右，完全可以满足混凝土内外温差25℃的要求。
5.2.5提高混凝土表面温度
换热管置换水可保证混凝土表面温度恒定在30℃左右，并能够保持湿度。
6、温度测量
在混凝土终凝后（浇筑完毕10h），开始派专人进行测温，并作好记录，两次测温时间间隔为：
温度上升阶段1h，温度下降阶段2h，水管内水温与外界气温差大于25℃时，应采用置换管中水的方法降低混凝土内部温度，直至混凝土内外温度差控制在25℃以内。
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