虎門二橋大沙水道橋主塔承臺大體積混凝土裂縫控制

朱鵬

（廣東省公路建設有限公司，廣東廣州510623）

虎門二橋大沙水道橋主塔承臺大體積混凝土裂縫控制

朱鵬

（廣東省公路建設有限公司，廣東廣州510623）

大跨徑懸索橋主塔承臺因施工難度高、混凝土體積大，歷來是裂縫控制的重點。大體積混凝土水化熱的溫度控制是施工階段裂縫控制的關鍵。文中詳細介紹了虎門二橋主塔承臺裂縫控制的技術措施，為同類型承臺施工提供了經(jīng)驗參考。

大體積混凝土；裂縫；溫度控制

1　引言

大體積混凝土施工最常見的質(zhì)量問題是混凝土溫度裂縫。混凝土溫度變化產(chǎn)生的變形受到混凝土內(nèi)部外部的約束，產(chǎn)生較大的應力，是混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。

（1）水泥水化熱是大體積混凝土開裂的主要因素?；炷猎谟不^程中，由于水泥的水化作用，在初始的幾天產(chǎn)生大量的水化熱，形成熱量的聚集，使混凝土溫度升高。在大體積混凝土中，內(nèi)部散熱較慢，外部散熱較快，從而造成混凝土內(nèi)外的溫度差，使混凝土表面產(chǎn)生裂縫。在溫升階段，混凝土未充分硬化，彈性模量較小，只是表面出現(xiàn)微小裂縫。在降溫階段，混凝土內(nèi)部和外部冷卻程度不同，在內(nèi)部混凝土收縮形成較高拉應力區(qū)，極易產(chǎn)生貫穿裂縫。

（2）外界氣溫變化的影響。大體積混凝土在施工階段，外界溫度越高，混凝土的澆筑溫度越高，外界溫度的下降，又增加了混凝土的降溫幅度，大大增加了混凝土的內(nèi)外部溫度差。

（3）原材料及混凝土配合比。水泥、粉煤灰等原材料的選擇及優(yōu)化混凝土配合比，是控制混凝土水化熱反應的重要措施。

本文以大沙水道橋為例介紹虎門二橋項目大跨徑懸索橋主塔承臺大體積混凝土裂縫控制技術。

2　工程概況

本項目起點位于廣州市南沙區(qū)，跨越珠江大沙水道，項目包括兩座懸索橋：主跨1 200 m的大沙水道橋和主跨1 688 m的坭洲水道橋。大沙水道橋主塔承臺呈啞鈴型，尺寸為82.55 m×25.0 m×6.0 m，總方量為9 273.7 m3；采用3.0+3.0 m分兩層澆筑，中間設置2 m寬的后澆帶。其中承臺第一層（厚3 m）及邊部（厚2 m）摻加疏水孔栓物，承臺內(nèi)部為普通海工混凝土。

3　本項目裂縫控制措施

3.1承臺大體積混凝土配合比優(yōu)化

承臺大體積混凝土對水泥的要求是既要保證混凝土的強度，又要盡可能減少水化熱反應。研究表明，提高水泥熟料中C2S含量，減少C3S的含量可大幅降低水化熱，然而也會造成強度降低。核電工程專用水泥對熟料有著極其嚴格的要求，相較于普通水泥有強度高、水化熱低的優(yōu)點。因而本項目選用了廣州珠江水泥廠生產(chǎn)的粵秀牌核電水泥（PⅡ水泥）。

粉煤灰和礦渣粉有著比水泥更小的表觀密度和更高的活性，而且含有大量的玻璃微珠，對水泥顆粒有較好的物理分散作用，可顯著延緩水泥水化速度，減小混凝土因水化熱引起的溫升。而且隨著粉煤灰和礦渣粉摻量的增加，膠凝材料水化熱的降低幅度越大，粉煤灰對膠凝材料水化熱的降低效果尤其顯著。

本項目在滿足混凝土工作性和強度條件下，最大限度地減少膠凝材料用量及漿體率，這是提高混凝土體積穩(wěn)定性和抗裂性的一條重要措施。在膠材總量確定的情況下，采用密實骨架堆積設計方法，盡量減小水泥用量，使用大摻量礦物摻合料，實現(xiàn)混凝土的高性能化。

本項目使用緩凝型聚羧酸類高效減水劑，可有效降低單方混凝土用水量，延緩溫峰出現(xiàn)時間，提高混凝土和易性和抗裂性能。礦物摻和料與高效減水劑的疊加效應可達到減少水泥用量和用水量、密實混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的，使混凝土強度、耐久性得以改善。本項目承臺配合比如表1所示。

表1　大沙水道橋西塔承臺配合比　單位：kg

工程材料：

水泥：廣州越秀PⅡ42.5水泥，水化熱3 d≤275 kJ/kg；

粉煤灰：F類Ⅱ級灰，需水比96%，燒失量4.04%；

礦粉：S95級，比表面積＞400 m2/kg；

細骨料：中砂，細度模數(shù)207；

粗骨料5～16mm、10～25mm兩級配碎石；

外加劑：緩凝型聚羧酸減水劑，減水率28%。

3.2材料及外界溫度控制

大沙水道橋承臺大體積混凝土澆筑時間為2015年9月～10月，室外大氣溫度為28～38℃。為保證混凝土入模溫度，項目采取了大量措施，確保混凝土入模溫度控制在28℃以下。

粉料溫度控制：水泥入罐溫度不超過60℃，粉煤灰和礦粉的入罐溫度不超過50℃。在粉料罐體外包裹遮陽網(wǎng)，避免太陽直射粉料罐（圖1）。

砂石料溫度控制：料倉設計通風，加蓋料棚，避免陽光直曬砂石料，同時加裝霧化風扇對砂石料進行降溫。

水溫控制：配備制冰機、碎冰機（圖2）。

圖1　粉料罐防日曬措施

圖2　配備制冰機

混凝土出機溫度控制：在混凝土澆筑前，根據(jù)大氣溫度、粉料溫度、砂石料溫度、運輸過程中的溫升，多次試驗實測混凝土出機溫度和入模溫度，精確計算加冰量。

施工環(huán)境溫度控制：在承臺施工平臺設置噴霧設備，增加大氣濕度，降低混凝土澆筑時的大氣溫度。

3.3大體積混凝土溫度監(jiān)控

3.3.1溫度控制要求（表2）

表2　溫度控制要求

3.3.2冷卻水管布置

主塔承臺共設置6層冷卻水管，垂直間距90 cm，水平間距為100 cm，距混凝土構(gòu)件外表面及側(cè)面60～100 cm。

3.3.3抗裂安全系數(shù)取值

大體積混凝土溫控抗裂安全系數(shù)是指在標準養(yǎng)護條件下的混凝土抗裂抗拉強度試驗值與對應齡期溫度應力計算最大值之比。根據(jù)《水運工程大體積混凝土溫度裂縫控制技術規(guī)程》（JTS 202-1-2010），大體積混凝土的溫度應力抗裂安全系數(shù)應不小于1.4。

4　仿真計算及實測結(jié)果

4.1仿真模型的建立

根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性，取主塔承臺混凝土1/4采用Midas FEA仿真計算軟件進行溫度應力計算，模型網(wǎng)格劃分見圖3?；炷廖锢頍釋W參數(shù)見表3。

表3　混凝土物理熱學參數(shù)

圖3　主塔承臺1/4網(wǎng)格劃分

4.2溫度計算結(jié)果

在以上設定條件下，主塔承臺內(nèi)部最高溫度及最大內(nèi)表溫差結(jié)果見表4；承臺溫度時程件圖4、圖5所示。

表4　主塔承臺溫度仿真計算結(jié)果

圖4　承臺第一層中心、表面點溫度時程

圖5　承臺第二層中心、表面點溫度時程

根據(jù)仿真計算溫度場和應力場分析可知溫度場發(fā)展規(guī)律為：①先升后降，構(gòu)件中心溫度最高；②構(gòu)件中心約第3 d達到溫度峰值；③隨著內(nèi)部溫度升高，內(nèi)表溫差增大，中心部位溫峰出現(xiàn)時，內(nèi)表溫差達到最大，之后逐漸降低。

4.3應力計算結(jié)果

在以上設定條件下，主塔承臺溫度應力計算結(jié)果見表5；承臺第一層混凝土中心點、表面點應力時程圖如圖6、圖7所示。

表5　主塔承臺應力仿真計算結(jié)果

圖6　承臺第一層中心、表層應力時程

圖7　承臺第二層中心、表層應力時程

應力場發(fā)展規(guī)律為：①早期應力集中于表面，主要由內(nèi)表溫差引起，早期需要注意內(nèi)表溫差的控制，并降低內(nèi)部最高溫度；②后期應力集中于中心，由混凝土降溫和干縮引起，隨著齡期增長逐漸增大，后期需要注意養(yǎng)護減少干縮；③應力集中部位包括第一層承臺與封底交界處、系梁變截面處。

由計算結(jié)果可以看出，承臺各澆筑層混凝土早期膨脹，3 d應力發(fā)展較快，集中于構(gòu)件上表面及側(cè)面，為內(nèi)表溫差引起的拉應力；混凝土后期收縮，3 d后有部分應力向構(gòu)件內(nèi)部轉(zhuǎn)移并逐漸發(fā)展至穩(wěn)定水平。中后期于第一層承臺與封底交界處、系梁變截面處產(chǎn)生一定應力集中。承臺各齡期最小抗裂安全系數(shù)為1.57（≥1.4）。

4.4通水冷卻要求

根據(jù)仿真計算結(jié)果，項目采用直取淡水做冷卻水，配備5臺10 kW水泵用分水器將各層各套水管集中分出，分水器設置相應數(shù)量的獨立水閥及流量計以控制各套水管冷卻水流量，并設置一定數(shù)量的減壓閥以控制后期通水速率（圖8）；可通過設計并聯(lián)水閥實現(xiàn)冷卻水的定時換向。

圖8　冷卻水流量控制器

混凝土通水要求見表6。采用Φ40×2.5mm型冷卻水管，待水管停止循環(huán)水冷卻并養(yǎng)護完成后，先用空壓機將水管內(nèi)殘余水壓出并吹干冷卻水管，然后用壓漿機向水管壓注水泥漿，以封閉管路。

表6　混凝土通水要求

4.5溫控監(jiān)測結(jié)果

表7中溫度檢測結(jié)果表明，實際溫度的情況與仿真計算基本趨于一致，內(nèi)部最高溫度、最高內(nèi)表溫差等指標均滿足要求。

表7　溫控監(jiān)測結(jié)果

5　結(jié)語

經(jīng)后期第三方檢測，主塔承臺出現(xiàn)較少豎向裂縫，無較大有害裂縫，裂縫控制情況較為理想。虎門二橋項目有兩座懸索橋，4座主塔承臺，通過采取以上措施，有效控制了承臺裂縫，為主塔施工奠定了良好的基礎。

大體積混凝土承臺裂縫產(chǎn)生的原因很多，控制措施也較為復雜，應根據(jù)實際的施工外界條件進行溫控方案設計，并在施工過程中不斷進行調(diào)整。在大沙水道橋西塔承臺的施工中，通過優(yōu)化混凝土配合比、采取大量措施控制混凝土入模溫度、采用仿真溫控計算等措施，最大可能地減小出現(xiàn)裂縫的各種因素影響。

［1］胡曙光，呂林女，丁慶軍，等.低水膠比下粉煤灰對水泥早期水化的影響［J］.武漢理工大學學報，2004，（7）.

［2］彭艷周，陳 凱，丁慶軍.大摻量礦物摻和料活性粉末混凝土的水化與微觀結(jié)構(gòu).混凝土低碳技術國際學術研討會暨第九屆全國高性能混凝土學術研討會論文選編［C］.2010.

［3］鄧玉蓮，蔣杉平，劉品洪，等.核電專用水泥生產(chǎn)的技術難關探討［J］.大眾科技，2011，（6）：61-62.

［4］阮靜，葉見曙，謝發(fā)祥，等.高強度混凝土水化熱的研究［J］.東南大學學報（自然科學版）.2001，31（3）.

［5］中華人民共和國國家標準.GB50496-2009.大體積混凝土施工規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2009.

Cracks Control for Mass Concrete of Main Cushion Caps of Dasha Suspension Bridge

ZHU Peng
（Guangdong Provincial Highway Construction Group Co.Ltd.，Guangzhou 510623，China）

Because of the high construction difficulty and the large volume of concrete，the main tower of long span suspension bridge has always been the focus of crack control.The temperature control of mass concrete hydration heat is the key to the control of cracks in construction stage.This paper mainly introduces the control measures for main tower abutment crack，providing some reference for the same type of cap construction.

mass concrete；cracks；temperature control

U441.5

A

1671-8496-（2016）-03-0047-05

2016-03-17

朱 鵬（1984-），男，工程師，碩士

研究方向：橋梁結(jié)構(gòu)分析