高標(biāo)號超大體積混凝土溫控成套技術(shù)采用了什么技術(shù)

       1 工程概況
       本工程處于近海環(huán)境，白天溫度高、日照強(qiáng)、風(fēng)速大，具有鹽霧腐蝕的特點(diǎn)，某大橋主墩0#塊在盛夏施工，最高溫度≥38℃，0#塊結(jié)構(gòu)尺寸為：長×寬×高=13m×44.5m×6.5m，混凝土方量約2400m3，混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C55。傳統(tǒng)主墩0#塊采用成熟的分層施工工藝，分兩次澆筑時，工期約50天，因難以滿足節(jié)點(diǎn)工期要求，需采用一次性澆筑施工技術(shù)。大橋主墩0#塊為高標(biāo)號超大體積混凝土，一次性澆筑施工時必須采取系統(tǒng)的抗裂技術(shù)措施防止其開裂，在一般抗裂措施的基礎(chǔ)上，為保證工程質(zhì)量，在高標(biāo)號超大體積混凝土的溫控中采用了液氮冷卻技術(shù)。        2 一般控裂措施
       防止大體積混凝土開裂的技術(shù)措施有：①通過優(yōu)選原材料、優(yōu)化配合比提高混凝土本身的抗裂性能；②對非薄壁結(jié)構(gòu)大體積混凝土，影響其開裂的主要因素是大體積混凝土的內(nèi)約束作用，通過采取有效的控溫措施，降低主墩0#塊大體積混凝土的內(nèi)表溫差應(yīng)力及表面與外界環(huán)境溫差應(yīng)力。
       2.1原材料及配合比
       為降低0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土的水化熱溫升與收縮，提高混凝土自身的抗裂能力，通過原材料優(yōu)選及混凝土性能調(diào)試，提出優(yōu)化的大體積混凝土配合比。
      2.1.1原材料
       水泥：塔P·Ⅱ42.5低堿水泥，C3A含量7%，比表面積380m2/kg，出廠溫度68℃；粉煤灰：廈門益材F類Ⅰ級粉煤灰，45μm方孔篩篩余11%，需水量比98%，燒失量4%；礦渣粉：廣東國鑫S95級，比表面積450m2/kg，需水量比96%，28d活性指數(shù)99%；骨料：潮州鳳山5～25mm碎石，細(xì)度模數(shù)2.8韓江中砂；減水劑：武漢港灣新材料聚羧酸減水劑；水：自來水。
       2.1.2配合比
       大體積混凝土澆筑后因工期原因需盡早張拉，對混凝土前期彈性模量和早期抗壓強(qiáng)度有較高的要求，通過原材料的優(yōu)選，使用較低水膠比，雙摻適量的礦物摻合料，經(jīng)過多次優(yōu)化調(diào)試，0#塊大體積混凝土的配比見表1。
       2.2一般控溫措施
       0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土于8月份澆筑施工，因混凝土連續(xù)澆筑，施工時環(huán)境溫度為28～38℃，澆筑溫度約為Tp=34.5℃，混凝土最終絕熱溫升Tα=64.5℃，混凝土內(nèi)部最高溫度為99℃，故必須采取系統(tǒng)的控溫防裂措施。
       2.2.1 制冷水拌合
       大體積混凝土拌合時的制冷水，可采用冷水機(jī)制冷或在蓄水池中投放塊冰的方式來降低拌合水溫度。冷水機(jī)制冷的降溫能力約4℃，但使用專門的冷水機(jī)制冷相對成本較高，往蓄水池中投放塊冰可使現(xiàn)場拌合水溫度降至8℃左右，降溫能力約為2℃。制冷水提供的冷量有限，拌合降溫效果不顯著，尚需補(bǔ)充其他降溫措施。
       2.2.2 碎冰拌合
       用碎冰代替部分冷卻水，利用碎冰相變，可大量提高融解潛熱，碎冰還可以儲存冷量，其既是降低出機(jī)口溫度，削減高峰負(fù)荷的載冷劑，又是大體積混凝土的組成成分，是較有效、靈活、簡易的冷卻方式。1kg碎冰融化為水，大約需要吸收336kJ熱量，根據(jù)工程經(jīng)驗，每加入10kg的碎冰可使新拌混凝土降溫1℃，通常高溫季節(jié)可考慮加冰量40～60kg/m3。
       2.2.3 原材料溫度控制
       澆筑溫度高的大體積混凝土的溫升值遠(yuǎn)超過澆筑溫度低的相同大體積混凝土，在混凝土拌合過程中，需嚴(yán)格控制混凝土原材料溫度。水泥等膠凝材料，通過儲存?zhèn)}轉(zhuǎn)運(yùn)，延長膠凝材料的降溫時間，禁止剛出廠的膠凝材料直接進(jìn)入混凝土攪拌站設(shè)備用于生產(chǎn)；骨料既可搭設(shè)遮陽棚進(jìn)行存儲，又可提前1d采用土工布進(jìn)行覆蓋灑水降溫；拌合用水可在開盤前4～6h向蓄水池中投入塊冰，并保證蓄水池中存有30%～50%容積的塊冰。
       2.2.4 循環(huán)水管布設(shè)
      為加快0#塊大體積混凝土水化熱的擴(kuò)散，在0#塊中共布設(shè)7層冷卻水管，每層1套水管，層水管及第七層水管距0#塊上、下頂面的距離均為0.85m，不同層水管的垂直與水平間距均為1.0m，上下層水管對齊布置?？刂蒲h(huán)水管進(jìn)出水的溫度，冷卻水的進(jìn)水溫度以15～25℃為宜，入水口與出水口水溫之差≤15℃，冷卻水管降溫效果一般可達(dá)5℃左右。
      2.2.5 頂面噴霧
       在頂面上按一定間距均勻布置噴頭及連接水管，將淡水霧化后噴灑到混凝土頂面，能降低頂面溫度，提高混凝土頂面濕度，同時改善施工操作環(huán)境。頂面噴霧系統(tǒng)還有利于混凝土的濕養(yǎng)護(hù)，降低局部環(huán)境溫度4～8℃，提高混凝土的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。
      2.2.6 混凝土養(yǎng)護(hù)
      在大風(fēng)速近海洋環(huán)境條件下，混凝土初凝后立即保溫保濕養(yǎng)護(hù)，灑水時控制表面不出現(xiàn)干濕循環(huán)?；炷羵?cè)面采用透水模板布，上表面覆蓋塑料薄膜及土工布或采用蓄水養(yǎng)護(hù)。保溫保濕養(yǎng)護(hù)時間宜不少于14d，可根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確?；炷羶?nèi)表溫差、表面與外界環(huán)境溫差在控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。
       3液氮冷卻技術(shù)
       墩頂0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土采用制冷水與碎冰拌合、原材料溫度控制措施后，因運(yùn)輸過程中混凝土升溫約3℃，現(xiàn)場混凝土澆筑溫度約為32℃，不滿足《水運(yùn)工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術(shù)規(guī)程》（JTS202-1-2010）規(guī)定的澆筑溫度不高于30℃、不低于5℃的要求。為降低混凝土的最高溫度，減小溫差應(yīng)力，亦應(yīng)降低混凝土的澆筑溫度。
      國內(nèi)液氮冷卻技術(shù)用于混凝土工程，曾在80年代末有部分相關(guān)文獻(xiàn)報道，其主要用于混凝土原材料的冷卻降溫，但對液氮利用比較粗放。當(dāng)混凝土運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)時，能耗損失大，對液氮的利用率低。近30年來，液氮冷卻技術(shù)用于混凝土工程的應(yīng)用案例鮮有報道。2016年汪天詳?shù)葘⒁旱鋮s技術(shù)用于塞爾維亞的澤蒙-博爾察大橋，但液氮仍主要用于混凝土原材料的降溫，特別是對水泥等膠凝材料的降溫，因此其應(yīng)用仍受到較大的局限。
       為進(jìn)一步降低混凝土的澆筑溫度，利用液氮冷卻技術(shù)在混凝土澆筑前5～10min直接冷卻罐車中的混凝土拌合物，不僅能降低混凝土的澆筑溫度，提高液氮冷卻的效率，還降低了利用液氮冷卻技術(shù)的成本。液氮是不可燃、無色、無臭、無腐蝕性的惰性液體，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，對混凝土的含氣量、工作性能及周邊環(huán)境無不利影響。在常壓下，液氮溫度-196℃，汽化潛熱5.56kJ/mol，因冷卻溫差大，熱交換時間短，基本可以做到“即冷即降”。液氮冷卻系統(tǒng)簡單，由液氮罐、噴嘴、連接管道組成，對施工環(huán)境無要求，一人即可操作。
       0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土采用液氮直接冷卻，現(xiàn)場液氮冷卻情況如圖1所示。在距混凝土澆筑地點(diǎn)200～300m處設(shè)置液氮冷卻點(diǎn)，通過特制噴嘴將液氮直接噴入罐車內(nèi)對混凝土進(jìn)行冷卻，噴入一半的液氮后開始攪拌，之后再噴入另一半的液氮。液氮及其冷卻操作均由廣州廣鋼林德有限公司人員負(fù)責(zé)，液氮冷卻操作時壓力維持在0.4～0.6MPa，冷卻時間為10～15min，經(jīng)現(xiàn)場測試，液氮單位消耗量為10kg/（m3·℃），能降低混凝土澆筑溫度約5℃。
       4 實施效果
      經(jīng)過原材料的優(yōu)選和配合比的優(yōu)化設(shè)計，0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土的綜合性能較好，采取一般控裂措施后，其現(xiàn)場澆筑溫度由34.5℃降至約32℃，進(jìn)一步采取液氮冷卻降溫技術(shù)后，混凝土的澆筑溫度降至28℃及以下，連續(xù)澆筑約50h后，0#塊混凝土順利澆筑完畢。
      根據(jù)工程實際及有關(guān)規(guī)范要求，制定了澆筑溫度≤28℃，內(nèi)部最高溫度≤75℃，混凝土最大內(nèi)表溫差≤25℃，表面與外界環(huán)境溫差≤20℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。采用現(xiàn)場定時自動測溫記錄儀TR-SD對0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土進(jìn)行實時溫度監(jiān)控，溫度監(jiān)測結(jié)果如圖2所示。
       溫度為74.8℃，最大內(nèi)表溫差13.5℃，帶模養(yǎng)護(hù)3天，第4天拆模后立即覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)，此后最大表面與外界環(huán)境溫差為22℃，略超出溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)過近一年的觀察，該0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土基本未出現(xiàn)裂縫，溫度控制取得了良好的效果，基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
       5 結(jié)論
      ⑴為防止高標(biāo)號超大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，采取了系統(tǒng)的溫控措施，包括原材料優(yōu)選、配合比優(yōu)化設(shè)計、制冷水拌合、碎冰拌合、原材料溫度控制、液氮冷卻、埋設(shè)冷卻水管、頂面噴霧、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)等一系列超大體積混凝土工程的全過程控制，合理控制了超大體積混凝土的澆筑溫度及養(yǎng)護(hù)過程中的溫度場。
       ⑵液氮直接冷卻混凝土技術(shù)在國內(nèi)橋梁工程中應(yīng)用較少，液氮冷卻系統(tǒng)簡單，占地小，操作簡便，對施工環(huán)境無要求，可迅速降低混凝土的澆筑溫度約5℃，消耗液氮10kg/（m3·℃）。
       ⑶通過科學(xué)系統(tǒng)的溫控措施，并實時監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度及冷卻水管進(jìn)出水溫度，動態(tài)調(diào)整進(jìn)出水流速，順利完成了0#塊高標(biāo)號超大體積混凝土的一次性澆筑。此項溫控成套技術(shù)的應(yīng)用推廣，可保證橋梁工程高標(biāo)號超大體積混凝土的抗裂性能，為類似工程在原材料選擇、溫控措施等方面提供參考。