高大塔柱墩柱混凝土的養(yǎng)護

楊義文

(中鐵武漢大橋工程咨詢監(jiān)理有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

武漢楊泗港長江大橋(以下稱大橋)主橋為雙層公路懸索橋，跨度465 m+1 700 m+465 m。主塔采用鋼筋混凝土門式框架結(jié)構(gòu)，漢陽側(cè)主塔全高228.8 m，武昌側(cè)塔柱全高240.8 m(見圖1)。

塔柱采用液壓爬模施工，分節(jié)高度為6 m，為減輕爬架自重，采用木制工字梁膠合板模板。漢陽側(cè)主塔高228.8 m，分39個節(jié)段，液壓爬模施工38個節(jié)段；武昌側(cè)主塔高240.8 m，分41個節(jié)段，液壓爬模施工40個節(jié)段(見圖2)。塔柱壁厚1.4 m～4.0 m，塔柱鞍座下5.9 m高節(jié)段為實心段，塔柱、橫梁均采用C60高性能混凝土，均為高標號大體積混凝土，60 d配制強度70 MPa，基準配合比見表1。

表1 塔柱混凝土配合比

為控制主塔各節(jié)段混凝土出現(xiàn)危害性裂縫，對主塔各節(jié)段混凝土從混凝土配合比、入模溫度、表面保濕保溫養(yǎng)護、埋設(shè)冷卻水管等幾個方面按規(guī)范要求采取了措施。其中，針對高空高強大體積混凝土的水化熱升溫降溫與拆模時間的關(guān)系特點，對平常容易被忽視和極易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，塔柱節(jié)段混凝土保濕保溫養(yǎng)護措施進行了分析和總結(jié)。

2 現(xiàn)行高大塔柱、墩柱節(jié)段混凝土的養(yǎng)護措施分析

塔柱、墩柱由于其獨特的豎向、立式結(jié)構(gòu)，能夠采取濕養(yǎng)護的面積相對較小，不像混凝土箱梁、路面那樣直觀明了，采取的養(yǎng)護工藝不盡一致，效果千差萬別，養(yǎng)護工藝是否恰當關(guān)系到塔、墩柱施工期裂縫的產(chǎn)生。目前常見的混凝土養(yǎng)護方法有：蓄水養(yǎng)護、連續(xù)噴霧、濕覆蓋養(yǎng)護、塑料布養(yǎng)護、噴涂養(yǎng)護劑，基本都是對敞露在外的混凝土面進行養(yǎng)護。塔柱由于其敞露在外的混凝土面在養(yǎng)護最關(guān)鍵的前7 天只有相對面積很小的節(jié)段頂面，其他側(cè)面都被模板包裹，此時只能對其頂面進行濕覆蓋養(yǎng)護或者蓄水養(yǎng)護；在側(cè)模拆除前要不要對占塔柱節(jié)段主要面積的側(cè)面進行養(yǎng)護，如何養(yǎng)護沒有統(tǒng)一的看法，在側(cè)模拆除后的養(yǎng)護措施主要有兩種：一種是噴涂養(yǎng)護劑，第二種是噴淋水養(yǎng)護。有的用水泥對表面缺陷進行修補后什么也不做，對于塔柱這樣的結(jié)構(gòu)如何養(yǎng)護沒有統(tǒng)一的養(yǎng)護方案、措施，也缺少相關(guān)文獻的理論指導(dǎo)，因而塔柱混凝土在施工期因養(yǎng)護方法不恰當而產(chǎn)生裂縫的情況不在少數(shù)。

3 大橋主塔節(jié)段混凝土養(yǎng)護措施

3.1 主塔節(jié)段混凝土水化熱溫度變化時間與拆模時間

采用半導(dǎo)體智能溫度數(shù)字傳感器,結(jié)合應(yīng)用軟件和檢測模塊進行溫度測量。本次在壁厚2.4 m～3.0 m的第六個空心澆筑段沿塔柱截面厚度方向均勻布置了6個溫度測點，塔柱表面溫度實測表面內(nèi)10 cm處的水化熱溫度；中心點取塔壁的實際中心(距表面1.5 m)。水化熱溫度在混凝土入模后即進行監(jiān)測,之后每隔1 h電腦自動采集一次數(shù)據(jù),結(jié)果見表2,溫度變化曲線見圖3。

表2 水化熱溫度實測值

從圖3可看出,水化熱溫度隨時間發(fā)展曲線分為4個階段：急劇上升段、緩慢上升段、緩慢下降段和較快下降段。水化熱溫升在早期變化很快,之后進入緩慢上升階段直到最高溫度。從表2可知塔柱混凝土表面點在入模后40 h便到達了最高溫度58.14 ℃,而中心點在入模后100 h才達到最高溫度72.31 ℃。為避免塔柱早期開裂采用晚拆模的施工方法,即混凝土澆筑完成至拆模最少100 h。

從圖3曲線可看出,混凝土水化熱溫度發(fā)展曲線是一條依賴于齡期的復(fù)合指數(shù)曲線。溫度上升段曲線很陡,而在溫度下降段卻很平緩,這樣的溫度變化便會在塔柱表面留下殘余溫度拉應(yīng)力。降低水化熱溫度可以有效減少塔柱早期開裂[1]。降低水化熱溫度的措施在前期控制方面主要有：選用最優(yōu)配合比、選用低熱水泥、采用最優(yōu)的骨料級配、冷水拌和設(shè)置冷卻管等，為了防止內(nèi)外過大溫差引起的表面裂縫,混凝土澆筑完成后可以采用的措施有:加強墩身的養(yǎng)護、合理控制拆模時間等。

3.2 塔柱節(jié)段頂面混凝土的養(yǎng)護

主塔一個節(jié)段混凝土澆筑完畢，在節(jié)段頂面混凝土收漿后盡快采用麻袋或者土工布覆蓋后再對其進行灑水濕潤，后續(xù)灑水過程中在頂面形成蓄水養(yǎng)護，混凝土水化熱開始時就蓄水完成，確保蓄水水溫與混凝土溫度同時增長，過程中及時緩慢小流量補充水量，在下節(jié)節(jié)段混凝土澆筑前使混凝土表面仍是濕潤狀態(tài)。由于塔柱頂面豎向鋼筋和勁性骨架的影響，頂面混凝土要做到完全覆蓋幾乎不可能，塔柱節(jié)段在混凝土灌注后至拆模前采用頂面蓄水的方法是最好的養(yǎng)護方法(見圖4)。

3.3 塔柱節(jié)段側(cè)面混凝土的養(yǎng)護

3.3.1 拆模前的養(yǎng)護

塔柱側(cè)模給混凝土的澆筑成型和強度增長提供支撐，也給混凝土養(yǎng)護提供了條件，即平常說的帶模養(yǎng)護。大橋南北兩岸塔柱均采用木模，減輕了爬架自重也給混凝土的保溫保濕養(yǎng)護帶來益處，塔柱的內(nèi)外模板和頂面的蓄水層共同為新澆混凝土打造出一個相對密閉的養(yǎng)護空間。內(nèi)外模板的材質(zhì)、厚度、整體完整性、安裝的緊密性、孔洞的多少大小及脫模劑的質(zhì)量和涂刷質(zhì)量等直接關(guān)系到空間的密閉程度，防止混凝土水分蒸發(fā)的快慢程度，保水效果的好壞。塔柱側(cè)面模板越密實、安裝越緊密，對新澆混凝土的保水保溫效果越好，養(yǎng)護效果就越好。此時因養(yǎng)護不當或模板選擇不當使混凝土的內(nèi)外產(chǎn)生大的溫度梯度，混凝土即會因溫度應(yīng)力而產(chǎn)生表面裂縫。采取保溫性好熱導(dǎo)系數(shù)低的木模能顯著降低混凝土的內(nèi)外溫差，減少表面裂縫的產(chǎn)生。采用鋼模對保溫不利，應(yīng)根據(jù)保溫養(yǎng)護的需要再增加保溫措施；采用木模時，保溫性能較好，可將其直接作為保溫材料考慮[2]。

3.3.2 拆模后的養(yǎng)護

大橋南岸主塔施工周期：上游塔柱從2017年2月24日開 始施工第一節(jié)到2017年12月27日完成塔頂段，下游塔柱從2017年3月1日開始施工第一節(jié)到2017年12月23日完成塔頂段。平均7.5 d一個節(jié)段，拆模時間基本在4 d～5 d時間段。在塔柱混凝土澆后的3 d內(nèi)嚴禁拆模，一是從混凝土的強度考慮確保施工、結(jié)構(gòu)的安全；二是混凝土水化熱正處于相對高峰期，此時拆模側(cè)面混凝土失去保護屏障失水加速，造成混凝土干縮裂縫的出現(xiàn)，同時混凝土表面散熱急劇加速造成混凝土內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生過高的溫度應(yīng)力造成溫度裂縫。拆模后采取的養(yǎng)護措施是塔柱、高大墩柱是否產(chǎn)生早期裂縫或者已有表層裂縫是否發(fā)展成深層裂縫的關(guān)鍵。目前主要有兩種養(yǎng)護措施：

第一種是拆模后噴涂養(yǎng)護劑,也是大橋南北兩塔采取的養(yǎng)護工藝。養(yǎng)護劑是一種噴灑或涂刷于混凝土表面，能在混凝土表面形成一層連續(xù)不透水的密閉養(yǎng)護薄膜的乳液或高分子溶液。養(yǎng)護劑具備養(yǎng)護保水功能，且不影響混凝土的各項物理力學性能，其自身水分蒸發(fā)后，能防止混凝土硬化早期的水分蒸發(fā)，不但可用于新澆混凝土的養(yǎng)護，也可用來繼續(xù)養(yǎng)護脫模后的混凝土以及經(jīng)過早期濕養(yǎng)的混凝土[3]。大橋塔柱節(jié)段拆模后立即在塔柱側(cè)面噴涂養(yǎng)護劑兩道，確保能在混凝土表面形成一層連續(xù)不透水的密閉養(yǎng)護薄膜。盡可能的減少側(cè)面混凝土水分的散失，同時利用養(yǎng)護劑形成的養(yǎng)護薄膜給混凝土表面保溫。爬架的多層工作平臺給養(yǎng)護劑的涂刷創(chuàng)造了良好的工作環(huán)境(見圖5)。噴涂養(yǎng)護劑同樣要講究及時，成立了專門的班組在拆模后及時在每個側(cè)面同時噴涂，最大限度的縮短拆模后的養(yǎng)護間斷時間。在現(xiàn)代的混凝土施工中噴刷養(yǎng)護劑已成為混凝土養(yǎng)護的重要措施。養(yǎng)護劑在水泥混凝土路面、滑膜施工的高聳建筑物上使用比較多(混凝土澆筑后立即使用，通過養(yǎng)護劑的成膜密封保水進行養(yǎng)護)；在橋梁塔柱上也有使用,如金塘大橋、武漢二七長江大橋、鄂東長江公路大橋等(塔柱側(cè)模拆除后使用，通過養(yǎng)護劑的成膜密封保水繼續(xù)進行養(yǎng)護)。通過相關(guān)試驗研究表明，對混凝土表面涂刷養(yǎng)護劑，可以增強混凝土早期的保水能力，與不涂刷養(yǎng)護劑的混凝土相比抗壓強度有一定程度的增長，降低混凝土的干縮率，并可改善混凝土的抗開裂性能[4]。

第二種是拆模后噴水或者淋水養(yǎng)護，此種養(yǎng)護方式風險較大，實際操作過程中極易造成塔柱表面產(chǎn)生裂縫，或者使拆模后的表面裂縫發(fā)展成深層裂縫。以大橋南岸主塔拆模后的混凝土表面溫度實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以看出在拆模的一般時間段80 h～120 h此時塔柱混凝土表面溫度在52 ℃～56 ℃左右，這時在混凝土表面澆以環(huán)境溫度溫差太大的冷水，則可能會使混凝土表面溫度急速冷卻而造成混凝土斷面上的溫度梯度驟升，從而引起混凝土的“熱震”[5]。JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范第6.13.2條第6款：利用冷卻水管中排出的降溫用水，在混凝土頂面蓄水保溫養(yǎng)護時，養(yǎng)護水溫度與混凝土表面溫度的差值應(yīng)不大于15 ℃[6]。這是能在規(guī)范里找到的唯一關(guān)于養(yǎng)護水溫度的要求，雖然是對混凝土水化熱開始時頂面蓄水保溫養(yǎng)護時的要求，但對養(yǎng)護水溫度與混凝土表面溫度的差值應(yīng)不大于15 ℃的規(guī)定仍然有意義，目的是防止混凝土內(nèi)外溫差過大而產(chǎn)生裂縫?！朵摻罨炷两Y(jié)構(gòu)裂縫控制指南》提出：表面淋水及拆模引起的瞬時溫差不宜超過15 ℃[7]。以塔柱拆模時混凝土表面溫度55 ℃計算，向塔柱側(cè)面噴淋水的水溫需達到40 ℃以上，這在施工現(xiàn)場較難實現(xiàn)，施工用水、養(yǎng)護用水都是自然溫度，基本都在30 ℃以下。較冷的養(yǎng)護用水直接噴淋在拆模后的高溫混凝土表面，使混凝土表面溫度快速下降，而混凝土內(nèi)部溫度下降慢，從而加大了混凝土的內(nèi)外溫度梯度，溫度應(yīng)力加大，塔柱、墩柱施工期柱壁裂縫由此產(chǎn)生。裂縫產(chǎn)生的大小、深度與側(cè)面噴淋水溫、現(xiàn)場水管流量大小及持續(xù)時間有關(guān)，也就是冷卻的速度相關(guān)。拆模后對高溫的塔壁噴淋冷水，看似在對塔壁進行養(yǎng)護，其實加速了塔壁表面混凝土的冷卻，是人為的環(huán)境降溫，也是塔柱、墩柱一直存在的養(yǎng)護誤區(qū)。塔壁在水化熱單獨作用下不會發(fā)生開裂[8]，但若疊合環(huán)境降溫作用，或者是人為降溫，塔壁表面應(yīng)力將超出混凝土在該時刻的抗拉強度，導(dǎo)致混凝土開裂。

4 塔柱橫梁混凝土養(yǎng)護

橫梁在澆筑完后其敞露在外的混凝土面相對塔柱一個節(jié)段多，能采取濕養(yǎng)護的面積大，相當于一段高截面的現(xiàn)澆混凝土單室箱梁，采取濕覆蓋養(yǎng)護是通常的做法。楊泗港長江大橋中橫梁梁高10 m，上橫梁梁高11 m，均分兩次澆筑，為減輕托架荷載采用膠合板模板。中橫梁第一次澆筑底板和5.5 m高腹板，澆筑完成，混凝土收漿后立即對水平混凝土敞露面進行濕覆蓋養(yǎng)護。養(yǎng)護至混凝土強度達到設(shè)計強度的90%后張拉部分底板索，張拉完成后安裝模板進行剩余4.5 m高腹板、頂板混凝土的澆筑。第二次澆筑完成只剩下頂板混凝土敞露在外，一個大面積的水平面相當好進行濕覆蓋養(yǎng)護。橫梁模板拆除時間比塔柱側(cè)模晚，提供保溫養(yǎng)護的時間長，很少出現(xiàn)表面裂縫。橫梁養(yǎng)護參照現(xiàn)澆箱梁的做法,養(yǎng)護在混凝土澆筑至頂板時即可開始，收光一段用塑料薄膜覆蓋一段，前段還在澆筑，后段已經(jīng)覆蓋，至澆筑完成，覆蓋也跟隨完成。真正做到了混凝土開始養(yǎng)護的時間應(yīng)盡早及時。待頂面混凝土可以上人踩不出腳印再覆蓋土工布、灑水養(yǎng)護。箱梁養(yǎng)護還有一個優(yōu)點：養(yǎng)護水濕潤整個頂面覆蓋的土工布過程中自然通過箱梁人孔流入箱梁內(nèi)室，在內(nèi)室形成蓄水養(yǎng)護。此時箱梁頂面有塑料薄膜和濕潤的土工布覆蓋層防止混凝土的水分蒸發(fā)，箱梁內(nèi)室有30 cm左右蓄水層與混凝土溫度一同升高，在箱梁內(nèi)室形成一個相對濕度很高的環(huán)境，箱梁底部有底板、翼板木模板的保溫養(yǎng)護，且拆模時間長達一個月左右，經(jīng)此養(yǎng)護箱梁很少有表面裂縫，底板光潔有鏡面效果。

5 結(jié)語

1)對采用爬模施工的塔柱或墩柱的養(yǎng)護，提倡柱壁混凝土養(yǎng)護利用木模板保水保溫養(yǎng)護，拆模后噴涂混凝土養(yǎng)護劑保水保溫養(yǎng)護銜接，塔柱節(jié)段頂面蓄水養(yǎng)生的組合養(yǎng)護工藝。大橋南北兩岸塔柱均采用此種養(yǎng)護工藝，施工期塔柱表面均未見有害裂縫出現(xiàn)。

2)拆模后對塔柱、墩柱側(cè)面噴淋冷水造成混凝土表面溫度應(yīng)力的突然加大是施工期塔柱、墩柱柱壁混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。

3)對采用翻模施工的塔柱或墩柱的養(yǎng)護，節(jié)段頂面蓄水養(yǎng)生，柱壁利用木模板或者經(jīng)加保溫層處理的鋼模保溫養(yǎng)護至少7 d后可拆模，此時最低要求的養(yǎng)護期已完成，沒有工作平臺的可以不涂刷養(yǎng)護劑，提前拆模或者向柱壁淋水將增大柱壁裂縫產(chǎn)生的風險。