高溫環(huán)境下超寬魚尾形高鐵箱梁防裂技術(shù)探微

劉 偉

(中鐵十八局集團天津國際工程分公司，天津 300222)

混凝土是公路橋梁、港口隧道等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的建材之一。隨著大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的飛速發(fā)展，大體積混凝土在橋梁工程中的應(yīng)用也日益普及。預(yù)防混凝土箱梁開裂是橋梁工程質(zhì)量控制和評價標準之一，但由于工程的繁雜性，加上混凝土現(xiàn)澆箱梁裂縫成因復(fù)雜，尤其是施工中存在高溫、骨料質(zhì)量、施工人員澆筑作業(yè)水平等各種不確定因素，均易導(dǎo)致現(xiàn)澆箱梁在施工和運營階段出現(xiàn)裂縫。在高溫地區(qū)通過科學(xué)的施工工藝和有效的溫控措施，防止大體積箱梁出現(xiàn)裂縫，對確?；炷翗蛄耗途眯跃哂兄匾饬x[1-3]。

中國企業(yè)參建的沙特麥麥高鐵麥加車站特大橋是世界超寬橋梁之一，也是“一帶一路”的代表性工程。現(xiàn)澆梁在漸變段由兩室向單箱六室的漸變在設(shè)計和施工中十分少見。麥麥高速鐵路位于沙特阿拉伯沙漠地區(qū)，全年氣溫高，混凝土質(zhì)量要求高，施工難度大。因此麥加車站特大橋箱梁大體積混凝土溫控的關(guān)鍵是根據(jù)氣候條件、水溫、建筑結(jié)構(gòu)尺寸、混凝土試驗參數(shù)、化學(xué)性能指標、配合比等因素，確定混凝土施工最佳方案。

本文通過建模對溫度場進行研究分析，采取混凝土溫控措施，降低入模溫度，輔以加配筋、設(shè)置后澆帶、加強養(yǎng)護、避免高溫澆筑、分層澆筑，并在梁外涂防碳化涂層等舉措減少混凝土致裂因素。采取系列措施后，經(jīng)過試驗檢測，混凝土的強度、密實度等關(guān)鍵質(zhì)量指標都符合設(shè)計要求，外觀裂縫數(shù)量也在合理范圍內(nèi)。證明高溫環(huán)境下超寬魚尾形高鐵箱梁預(yù)防裂縫施工技術(shù)和溫控舉措是可行的，也為類似環(huán)境下的大體積混凝土澆筑施工、溫度控制及裂縫預(yù)防提供了實例參考。

1 項目概況

麥麥高鐵是連接麥加和麥地那之間的高鐵，總長約450.19 km，設(shè)計最高時速360 km/h，其中麥加站特大橋全長約1 574.9 m（見圖1）。麥加站特大橋超寬魚尾形段現(xiàn)澆箱梁共14 聯(lián)40 跨，梁高4 m，漸變橋面最窄處為P6 橋墩處，斷面寬20.3 m，漸變橋面最寬處為A1 橋臺處，斷面寬67.3 m，超寬魚尾形段現(xiàn)澆箱梁結(jié)構(gòu)形式見圖2～3。

圖1 麥加站特大橋全景

2 產(chǎn)生裂紋的原因分析

高溫環(huán)境下如何避免產(chǎn)生裂縫是大體積箱梁特別是超寬魚尾形現(xiàn)澆箱梁的施工難點。為確保箱梁工程質(zhì)量，在施工前對施工環(huán)境展開分析，并通過有限元建模進行溫度場分析、混凝土配合比試驗、施工工藝研究等詳細分析致裂原因。

（1）施工環(huán)境氣溫偏高。由于麥加站特大橋魚尾型漸變段箱梁施工時間約為2015 年1～8 月，整體澆筑集中在夏季5～8 月，該時段麥加區(qū)域最高氣溫在49℃以上，混凝土水分蒸發(fā)快。

圖3 麥加站特大橋超寬魚尾形段橫斷面（單位：m）

（2）內(nèi)部應(yīng)力過于集中。通過MIdas/civil 模擬構(gòu)建實體單元模型，對混凝土澆筑過程展開模擬分析。由圖4 分析可得，箱梁第二段底板部分最大拉應(yīng)力達3.33 MPa，該區(qū)域必須重點加強養(yǎng)護，通過改善配合比，最大程度避免開裂。

圖4 水化熱引起的應(yīng)力分析單元模型

（3）配合比設(shè)計不科學(xué)。麥加站特大橋現(xiàn)澆箱梁采用C50 高強度混凝土，原設(shè)計水灰比為0.32（見表1）。由于水灰比偏高，早期強度發(fā)展較快，如果水泥、骨料等原材不是最佳配合比，在混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)過程中會導(dǎo)致更多裂縫出現(xiàn)。

（4）施工工藝缺陷。由于箱梁箱室頂板和底面不便灑水養(yǎng)護，而如果養(yǎng)護不到位，混凝進行水化熱反應(yīng)時會出現(xiàn)內(nèi)外溫差，不同區(qū)域混凝土表面收縮幅度不一致，若遇暴雨天氣，氣溫劇降，內(nèi)外溫差徒增，可使混凝土構(gòu)件加劇產(chǎn)生裂縫。

3 裂縫防范舉措

為避免超寬多箱室現(xiàn)澆箱梁產(chǎn)生裂紋，優(yōu)化施工工藝，可從涂抹防碳涂料保護層等多方面著手預(yù)防開裂問題。

3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)

由于該橋橋面超寬，經(jīng)建模分析，箱梁剪力滯效應(yīng)較為顯著，箱梁底板和頂板存在剛度不足現(xiàn)象。另外麥加站特大橋地處地震帶，為防止開裂，在接縫面設(shè)置剪力鍵，在箱梁底板和頂板分別增設(shè)一層Φ16@15 cm 縱向鋼筋。另外為削弱頂板縱向約束，可增設(shè)后澆帶。

3.2 優(yōu)化混凝土配合比

由于麥加站特大橋橋梁配筋率較高，鋼筋較密，導(dǎo)致振搗難度大。經(jīng)過反復(fù)試驗研究，為確保梁體質(zhì)量，最終采用自密實混凝土進行澆筑?；炷撂砑庸杌摇tructuro507M 聚羧酸高效減水劑、POZZOLITH LD-10 緩凝劑，通過5 組不同配合比混凝土性能對比試驗，選擇最佳配合比。

（1）設(shè)計配合比。該自密實混凝土設(shè)計強度等級C50，設(shè)計5 組不同水膠比的混凝土配合比及其初拌合溫度（見表1）。

（2）試驗分析。對5 組配合比進行試驗，依據(jù)最終試驗結(jié)果（見表2）選擇最佳的混凝土配合比進行施工。

由表1、表2 可知，試驗5 配合比初拌和溫度最低，水量和砂子用量最少，其配合比為：水泥449 kg、水135 kg（含冰）、硅灰34.9 kg、 Structuro 507M11 kg，混凝土7 d 強度為58.59 MPa，符合規(guī)范要求。另外，試驗5 配合比坍落擴展度651 mm與最佳參考值650 mm 最為接近，且含氣量最小、粘聚性最好，7 d、28 d 抗壓強度最大，無泌水，內(nèi)部孔隙率最低，不易產(chǎn)生裂縫，所以最終選擇試驗5 配合比進行施工。

表1 不同水膠比的自密實混凝土配合比及其初拌合溫度

表2 自密實混凝土性能試驗結(jié)果

3.3 原材料和環(huán)境溫度降溫舉措

3.3.1 控制混凝土入模前溫度

攪拌時向混凝土中添加冰塊。受配合比限制，需要對冰塊進行合理配置。美國ACI305 委員會報告提出了混凝土最終拌和溫度的計算公式：

式中：T 為混凝土最終拌和溫度；Tc 為水泥初始溫度；Wc 為水泥質(zhì)量； Ww 為冷水重量；Tw 為加入混凝土的冷水初始溫度；Wx 為含有水分骨料（外加劑）重量； Wz 為冰重量；Wa 為干骨料重量；Ta 為外加劑初始溫度；Tz 為冰的原始溫度。材料重量單位均為Kg，溫度單位均為℃。通過公式驗算當拌合站室內(nèi)氣溫分別為50℃、40℃、35℃、30℃時，拌和26℃混凝土所需的原始水溫分別為1℃、4℃、7℃和10℃左右。按照計算結(jié)果以及實際溫度記錄，得出夏季22:00～6:00 較為適合澆筑混凝土[4-6]。

3.3.2 嚴控混凝土罐車運輸時間

由于沙特夏季室外氣溫超過35℃，通常避開中午高溫時段錯峰施工，安排混凝土罐車運輸時間為15:00 以后。罐車數(shù)量根據(jù)科學(xué)計算合理安排，本工程考慮配置20 臺混凝土罐車，每車裝載量為7 m3；考慮澆筑安全因素，混凝土輸出量需控制在40 m3/h 左右。

3.4 箱梁養(yǎng)護

噴淋降溫是夏季高溫環(huán)境下箱梁施工的重要質(zhì)量保障措施。當氣溫很高時模板澆筑前應(yīng)灑水降溫，減少裂縫出現(xiàn)概率，提高混凝土質(zhì)量。此外，還需做好以下幾點養(yǎng)護：

（1）蓄水養(yǎng)護。箱梁澆筑完混凝土后，用泡沫膠條封閉頂板頂面四周及各種預(yù)留孔洞，確保密貼不出現(xiàn)滲水。澆筑完成3～5 小時混凝土初凝后開始蓄水，深度至少70 mm。梁體內(nèi)腔標準段通過泡沫膠條封閉泄水孔底板表面，澆筑完混凝土初凝后進行蓄水，深度至少30 mm，端頭加厚段通過鋪設(shè)一層塑料薄膜及一層土工布進行養(yǎng)護。

（2）噴淋養(yǎng)護。箱梁其他部位如底板、腹板、翼緣板外側(cè)、每兩聯(lián)箱梁之間的伸縮縫處要定期噴淋養(yǎng)護，做好降溫保濕[7]。養(yǎng)護時間間隔按照環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié)，高溫時每20～30 分鐘至少噴灑一次，確保梁體混凝土充分濕潤。初張拉完成后，箱梁混凝土養(yǎng)生時間至少14 d。

（3）芯室保濕。將噴霧保濕裝置（即霧炮）加裝到每片箱梁的梁端，霧炮機射程確保有30 m，該裝置與芯室梁端距離小于1.5 m，噴霧出口面向芯室范圍。噴霧保濕器通過噴射水霧對箱梁芯室保濕養(yǎng)護，確保其有效濕度，同時能避免浪費用水。

3.5 增加防碳化涂層保護措施

麥加站特大橋設(shè)計使用年限為100 年，沙特區(qū)域全年干旱高溫、日照時間長、晝夜溫差大，混凝土表面堪稱“混凝土面膜”的防碳化涂料保護層顯得尤為重要。箱梁底板、腹板、翼緣板外側(cè)、每兩聯(lián)箱梁間的伸縮縫處等均需進行防碳化涂層施工（見圖5）。其施工工藝流程為：施工準備→混凝土表面處理→用FC 修復(fù)及找平→涂刷底漆→涂刷防碳化面層涂料→涂層厚度檢測。

圖5 噴涂防碳化涂層后的箱梁混凝土

施工時需注意以下事項：混凝土結(jié)構(gòu)物表面用FC 砂漿找平時，其厚度不能超過3 mm，超過部分用砂紙打磨掉，否則易導(dǎo)致防碳化涂層脫落；底漆ConcureA 涂刷完畢并形成薄膜層后，需盡快涂刷防碳化面層涂料，避免薄膜積灰導(dǎo)致粘結(jié)性下降；當溫度低于5℃或下雨天時，均不能進行涂抹FC、涂刷底漆及防碳化面層涂料的施工；結(jié)構(gòu)物防水和防碳化涂層的交界處施工時，提前用透明膠帶貼于防水頂部標高線處，防碳化涂料施工完成后移除膠帶，使交界處整齊美觀；為防止施工人員皮膚直接接觸底漆ConcureA，工作區(qū)域應(yīng)保證良好通風(fēng)，并避免在封閉空間內(nèi)使用該材料。

4 結(jié)語

以沙特麥麥高鐵麥加車站特大橋超寬魚尾形現(xiàn)澆箱梁為研究對象，從設(shè)計、施工工藝等分析產(chǎn)生裂縫原因，通過控溫、加大配筋、設(shè)置后澆帶、優(yōu)化自密實混凝土配合比、優(yōu)化模板施工工藝以及混凝土入模工藝、梁體外部涂上防碳化涂料保護層等措施有效減少裂縫。本文高溫環(huán)境下超寬魚尾形高鐵箱梁預(yù)防裂縫施工技術(shù)可為國內(nèi)外類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程施工提供借鑒。