棋盤洲長(zhǎng)江大橋北錨碇大體積混凝土溫控防裂技術(shù)

張 暉

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司 遼寧大連 116033）

1 引言

棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋是一座在湖北黃石和黃岡境內(nèi)跨越長(zhǎng)江的特大型單跨吊鋼箱加勁梁懸索橋，橋跨布置為340m＋1 038 m＋305m。黃岡側(cè)北錨碇為重力式嵌巖錨，由錨塊、散索鞍支墩擴(kuò)大基礎(chǔ)、散索鞍支墩等組成。其中錨塊尺寸為60.0 m×35.357 m×33.064 m，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)為C30P12，為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。大體積混凝土受內(nèi)部水化熱溫度過(guò)高、內(nèi)外溫差過(guò)大、混凝土降溫過(guò)快及內(nèi)外約束作用等多種因素的影響，易出現(xiàn)早期溫度裂縫，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的整體性及耐久性［1-2］。近年來(lái)，隨著我國(guó)大跨徑懸索橋數(shù)量不斷增加，錨碇混凝土澆筑方量也不斷增大，對(duì)錨碇大體積混凝土溫度裂縫的控制也提出了更高要求。

棋盤洲長(zhǎng)江大橋錨塊大體積混凝土施工和溫控的特點(diǎn)：（1）混凝土方量巨大（41 811m3），工期持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，歷經(jīng)一年中的最高溫季節(jié)和低溫季節(jié)。高溫季節(jié)混凝土澆筑溫度控制難，低溫季節(jié)混凝土外表面保溫難且內(nèi)表溫差不易控制。（2）錨塊斷面尺寸巨大，需分成15層進(jìn)行施工，一旦層間澆筑間歇期過(guò)長(zhǎng)，先澆層將對(duì)后澆層產(chǎn)生較大約束。（3）錨塊長(zhǎng)寬比接近2∶1，長(zhǎng)寬方向變形不一致，易于長(zhǎng)邊中間部位開(kāi)裂。為了防止錨塊大體積混凝土的溫度裂縫，有必要對(duì)錨塊大體積混凝土進(jìn)行配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、溫控設(shè)計(jì)和溫度控制，以達(dá)到降低混凝土水化熱溫升，減小混凝土內(nèi)部溫度、內(nèi)表溫差、溫度應(yīng)力及約束條件等作用在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的熱效應(yīng)［3-5］。

2 錨碇大體積混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)于大體積混凝土，若混凝土配合比中水泥用量過(guò)大，則水泥水化產(chǎn)生的水化熱溫升也高，一旦內(nèi)表溫差超過(guò)25℃，則易引起溫度裂縫。因此，合理的配合比設(shè)計(jì)是大體積混凝土溫度控制中非常重要的環(huán)節(jié)［6-7］。北錨塊大體積混凝土配合比按如下原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：

（1）采用大摻量粉煤灰與礦粉兩種礦物摻合料復(fù)摻方式代替水泥。粉煤灰和礦粉的摻入降低了水泥用量，降低了水化熱溫升。粉煤灰的摻入在大幅降低水化熱的同時(shí)也可改善混凝土的可泵性，但摻入過(guò)多會(huì)影響混凝土的早期強(qiáng)度和抗碳化性能。而礦粉較粉煤灰活性高，可以在早期參與水化，提高混凝土的早期強(qiáng)度，對(duì)抗碳化性能的不利影響也小于粉煤灰［8］。所以二者采用一定比例的復(fù)摻方式最為適宜。

（2）控制C30混凝土水膠比不超過(guò)0.40，降低最大用水量，以提高混凝土的抗?jié)B和抗碳化耐久性。

（3）選用級(jí)配與粒形好的砂石集料，獲取最大堆積密度和最小空隙率，達(dá)到減少膠凝材料漿體用量、降低砂率、增加碎石用量從而降低混凝土收縮變形的目的。

（4）摻用超緩凝高性能聚羧酸減水劑，延長(zhǎng)混凝土緩凝時(shí)間以推遲并削弱溫峰。大體積混凝土的初凝時(shí)間在高溫期施工要求為30～35 h，在常溫期要求為25～30 h。

基于上述原則，棋盤洲長(zhǎng)江大橋錨塊大體積混凝土選用的原材料如下：水泥選用P.O42.5水泥；粉煤灰選用F類Ⅰ級(jí)粉煤灰；礦粉選用S95礦粉，比表面積 425 m2/kg，7 d、28 d膠砂活性指數(shù)分別為80%、97%；碎石選用5～31.5 mm三級(jí)配石灰?guī)r碎石，4.75～9.5 mm、9.5～19 mm與19～31.5 mm碎石按2∶5∶3搭配，壓碎值17.9%，針片狀顆粒含量2.7%，含泥量0.6%，泥塊含量0.1%；河砂為Ⅱ區(qū)級(jí)配中砂，細(xì)度模數(shù)2.82，含泥量1.1%，泥塊含量0.2%；減水劑為超緩凝型聚羧酸高性能減水劑，減水率26%。另外，為增強(qiáng)錨塊混凝土的抗?jié)B防水性，在混凝土中還摻用了一種新型材料——抗?jié)B劑（粉劑）；針對(duì)錨塊分層澆筑時(shí)其分層澆筑面和永久暴露面的混凝土更易開(kāi)裂的特點(diǎn)，在分層澆筑面和永久暴露面30 cm厚的混凝土中摻加了聚丙烯單絲纖維，纖維密度0.91 g/cm3，長(zhǎng)度12.3 mm，直徑17.5μm。

錨塊大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，物理力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 錨碇C30大體積混凝土配合比

表2 錨碇C30大體積混凝土性能試驗(yàn)結(jié)果

3 錨碇大體積混凝土溫控設(shè)計(jì)

3.1 仿真計(jì)算

錨塊尺寸為60.0m×35.357m×33.064m，錨塊水平分2塊（中間設(shè)2 m寬后澆帶），豎向分15層，澆筑厚度為2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×8＋2.864 m。冷卻水管按水平管間距×豎直管間距＝100 cm×100 cm布設(shè)。根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，取錨塊混凝土1/2（單幅）進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖見(jiàn)圖1。

圖1 錨塊混凝土內(nèi)部最高溫度包絡(luò)圖（單位：℃）

一般從兩方面對(duì)大體積混凝土抗裂安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)：一是特征溫度控制值如入模溫度、內(nèi)部最高溫度及內(nèi)表溫差等，可將混凝土溫度仿真計(jì)算值與相關(guān)規(guī)范、規(guī)程的規(guī)定值進(jìn)行對(duì)比分析；另一方面是抗裂保證率，可間接通過(guò)抗裂安全系數(shù)（劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)值與對(duì)應(yīng)齡期溫度應(yīng)力計(jì)算最大值之比）的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本工程大體積混凝土溫度應(yīng)力抗裂安全系數(shù)取值不小于1.4［9］。

由表3可知，溫峰及最大內(nèi)表溫差出現(xiàn)時(shí)間約為澆筑后第3 d，內(nèi)部最高溫度計(jì)算值為49.6～62℃，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T F50-2011）“大體積混凝土內(nèi)部最高溫度不應(yīng)大于75℃”的規(guī)定；內(nèi)表溫差計(jì)算值為18.8～22.5℃，滿足《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》（JTGT F50-2011）“大體積混凝土內(nèi)表溫差應(yīng)控制在25℃以內(nèi)”的規(guī)定。錨塊各層的最小抗裂安全系數(shù)為1.50，符合抗裂安全系數(shù)≥1.4的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 錨塊溫度及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

3.2 溫控標(biāo)準(zhǔn)

溫度控制的方法和制度需根據(jù)氣溫、混凝土配合比、結(jié)構(gòu)尺寸、約束情況等具體條件確定。并設(shè)置主控標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行嚴(yán)格管控，設(shè)置參考標(biāo)準(zhǔn)對(duì)混凝土溫度發(fā)展進(jìn)行輔助評(píng)價(jià)。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果并結(jié)合本工程實(shí)際情況，對(duì)錨碇大體積混凝土施工制定的溫控標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4、表5。

表4 錨塊大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)主要指標(biāo)

表5 錨塊大體積混凝土溫控標(biāo)準(zhǔn)參考指標(biāo) ℃

4 錨碇大體積混凝土溫控防裂措施

在北錨塊大體積混凝土施工中，從混凝土的拌和、運(yùn)輸、澆筑、振搗到通水、養(yǎng)護(hù)、保溫等全過(guò)程實(shí)行了嚴(yán)格控制，特別是對(duì)混凝土的分層分塊、混凝土入模溫度、澆筑間歇期、通水冷卻和養(yǎng)護(hù)等進(jìn)行了有效監(jiān)控，以達(dá)到控制混凝土澆筑質(zhì)量、混凝土內(nèi)部最高溫度、混凝土內(nèi)表溫差、構(gòu)件表面及結(jié)合面的約束應(yīng)力［10-12］，從而控制溫度裂縫形成及發(fā)展的目的。

4.1 混凝土澆筑分層、分塊控制

錨塊分層分塊依據(jù)如下：（1）考慮預(yù)埋件埋設(shè)位置；（2）考慮混凝土單次澆筑能力；（3）分層面盡量避開(kāi)變截面；（4）盡量減薄分層以控制混凝土水化熱溫升。北錨塊水平分2塊，中間設(shè)2 m寬后澆帶，左右幅又各分15層（次）澆筑，澆筑分層厚度為：2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×8＋2.864 m。

4.2 混凝土入模溫度控制

北錨塊大體積混凝土分30個(gè)澆筑塊于2017年12月至2018年10月先后施工，經(jīng)歷冬季低溫和夏季高溫施工。在夏季高溫季節(jié)，為降低混凝土的入模溫度，采取一系列措施降低原材料溫度，包括通過(guò)提前備料將水泥和礦粉溫度降低至60℃以下、砂石骨料搭設(shè)遮陽(yáng)棚、粗骨料采用深層江水沖淋降溫至30℃以下、拌和水中加入一定數(shù)量的塊冰或碎冰將水溫降低至10℃以下等。冬季低溫季節(jié)施工，則通過(guò)采用電熱棒加熱水池中的拌和水至15～25℃、罐車筒體采用帆布包裹等措施提高混凝土的入模溫度，以降低混凝土受凍風(fēng)險(xiǎn)。

通過(guò)采用以上原材料溫度控制措施，北錨塊各層混凝土入模溫度為6～30℃，基本符合溫控標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各個(gè)澆筑層的入模溫度≥5℃（冬季）、≤28℃（夏季）的要求。

4.3 冷卻水的布設(shè)及使用控制

錨塊每澆筑層布設(shè)2層冷卻水管（第15層布設(shè)1層冷卻水管），水平管間距為100 cm，2.2 m澆筑高度豎向管間距為100 cm，1.9 m澆筑高度豎向管間距為90 cm；水管距離混凝土側(cè)面50～102.7 cm不等，距離混凝土頂、底面50～60 cm。單層1～6套水管，每套水管設(shè)置一個(gè)進(jìn)出水口，管長(zhǎng)小于200 m。冷卻水管采用φ42×2.5 mm鐵皮管制作，管與管之間通過(guò)螺紋絲扣＋生膠帶緊密連接。水管懸空部分焊接豎立筋對(duì)其進(jìn)行固定。

冷卻水經(jīng)循環(huán)水箱流出，經(jīng)過(guò)水泵增壓流入分水器，分水器分水至每層冷卻管，水通過(guò)冷卻管流出至循環(huán)水箱，形成一個(gè)循環(huán)。同時(shí)不斷從江中抽水至水箱，保證循環(huán)用水量及調(diào)節(jié)水溫，使冷卻水進(jìn)水溫度與混凝土內(nèi)部最高溫度之差小于25℃。

現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，北錨塊各層水管的進(jìn)水溫度在12～43℃之間（冬季初始進(jìn)水溫度低，夏季初始進(jìn)水溫度高），出水溫度在18～51℃之間，進(jìn)出水溫之差在0～10℃之間，符合進(jìn)出水溫差不大于10℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

4.4 混凝土澆筑工藝控制

錨塊混凝土澆筑采用2臺(tái)地泵＋布料機(jī)進(jìn)行布料?；炷练謱硬剂希謱雍穸燃s30～40 cm，采用50mm插入式振搗器振搗密實(shí)。澆筑時(shí)，由四周向中心布料，且始終保持周邊混凝土高度略高，并加強(qiáng)邊角處振搗，以避免膠凝材料漿體長(zhǎng)距離流動(dòng)并堆積在四周而產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力及收縮應(yīng)力從而增大混凝土側(cè)面和邊角開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。為防止大摻量粉煤灰礦粉混凝土出現(xiàn)浮漿，施工中嚴(yán)控混凝土拌合物的入模坍落度為（180±20）mm。當(dāng)澆筑最后一層30 cm混凝土?xí)r，混凝土拌合物中摻入0.75 kg/m3的聚丙烯單絲纖維進(jìn)行輔助防裂阻裂，并將混凝土坍落度調(diào)低至180 mm以下。

4.5 混凝土保溫保濕養(yǎng)護(hù)控制

北錨塊施工跨度時(shí)間較長(zhǎng)，經(jīng)歷了冬季低溫和夏季高溫季節(jié)，氣溫變化大，養(yǎng)護(hù)較復(fù)雜。低溫季節(jié)的養(yǎng)護(hù)以保溫為主，養(yǎng)護(hù)材料采用塑料薄膜＋土工布＋棉被＋防雨布；高溫季節(jié)的養(yǎng)護(hù)以保濕為主，覆蓋塑料薄膜＋土工布＋灑水進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)。常溫季節(jié)的養(yǎng)護(hù)兼顧保溫與保濕，養(yǎng)護(hù)材料采用土工布＋彩條布或覆蓋塑料薄膜＋土工布并灑水保濕。

不同氣溫條件采取不一樣的養(yǎng)護(hù)措施，達(dá)到了通過(guò)加強(qiáng)混凝土保溫養(yǎng)護(hù)降低混凝土內(nèi)表溫差、加強(qiáng)混凝土保濕養(yǎng)護(hù)保證混凝土強(qiáng)度正常發(fā)展與減少混凝土干縮之目的，防止了混凝土表面裂縫的產(chǎn)生。

4.6 澆筑間歇期控制

混凝土澆筑后會(huì)產(chǎn)生一定的溫度收縮和干燥收縮變形，如該變形受到下層混凝土的固結(jié)約束，且約束引起的拉應(yīng)力超過(guò)了混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度則會(huì)產(chǎn)生裂縫?？刂茲仓g歇期的主要目的是降低新老混凝土結(jié)合面約束，避免結(jié)合面應(yīng)力集中，從而降低混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。錨塊混凝土各層的澆筑間歇期基本控制在7～10 d范圍，最長(zhǎng)不超過(guò)14 d。

5 錨碇大體積混凝土溫度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

根據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的特點(diǎn)，選取結(jié)構(gòu)的1/4塊布置測(cè)點(diǎn)。根據(jù)溫度場(chǎng)的分布規(guī)律及冷卻水管的布設(shè)高度，對(duì)高度方向的溫度測(cè)點(diǎn)間距做適當(dāng)調(diào)整。充分考慮溫控指標(biāo)的測(cè)評(píng)，溫度測(cè)點(diǎn)包括表面溫度測(cè)點(diǎn)（在構(gòu)件中心部位短邊、長(zhǎng)邊中心線表面以下5 cm布置）及內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)（布置在構(gòu)件中心處）。本工程對(duì)錨塊左右幅共30個(gè)澆筑層均進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)，僅就兩個(gè)典型澆筑層的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析。

5.1 冬季施工典型澆筑層溫度發(fā)展情況

左幅錨塊第一層混凝土于2017年12月30日澆筑。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示，混凝土溫度特征值發(fā)展歷時(shí)曲線如圖2所示?？梢钥闯?，測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域混凝土于澆筑后15～20 h開(kāi)始升溫，于106 h達(dá)到溫峰，內(nèi)部最高溫度為45.3℃，符合≤65℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)；混凝土最大內(nèi)表溫差為17.0℃，符合≤25℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)；溫峰后降溫速率為1.5～2.0℃/d，符合≤2.0℃/d的溫控標(biāo)準(zhǔn)。

表6 左幅錨塊第一層混凝土溫度特征值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖2 左幅錨塊第一層混凝土溫度特征值歷時(shí)曲線

5.2 夏季施工典型澆筑層溫度發(fā)展情況

右幅錨塊第七層混凝土于2018年6月24日澆筑?；炷恋臏囟缺O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表7所示，混凝土溫度特征值發(fā)展歷時(shí)曲線如圖3所示?？梢钥闯?，測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域混凝土于澆筑后19～23 h開(kāi)始升溫，于71 h達(dá)到溫峰，內(nèi)部最高溫度60.8℃，符合≤65℃的控制標(biāo)準(zhǔn)；受基巖和木模板圍護(hù)影響，混凝土表面溫度發(fā)展平穩(wěn)，最大內(nèi)表溫差為13℃，符合≤25℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)；溫峰后混凝土溫度緩慢下降，降溫速率為0.9～2.5℃/d，部分時(shí)段超出≤2.0℃/d的溫控標(biāo)準(zhǔn)。分析其原因是受基巖溫度較低以及后錨室散熱面比較大的影響所致，后期經(jīng)冷卻水管水流量和進(jìn)水水溫調(diào)整使降溫速率控制在2.0℃/d以內(nèi)。

表7 右幅錨塊第七層混凝土溫度特征值監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

圖3 右幅錨塊第七層混凝土溫度特征值歷時(shí)曲線

6 結(jié)論

棋盤洲長(zhǎng)江公路大橋北錨碇大體積混凝土于2017年12月30日開(kāi)始澆筑，于2018年10月3日結(jié)束，歷時(shí)274 d。工程實(shí)踐表明，采用上述方法和措施，混凝土內(nèi)部最高溫度和內(nèi)表溫差得到有效控制，施工質(zhì)量良好，沒(méi)有出現(xiàn)有害的溫度裂縫，達(dá)到了預(yù)期的溫控目標(biāo)。通過(guò)本工程大體積混凝土溫控實(shí)踐，得到結(jié)論如下：

（1）大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化較為關(guān)鍵。采用大摻量粉煤灰和礦粉替代水泥，較大限度降低了水泥用量，從源頭上控制了大體積混凝土水化放熱，有效地削減了混凝土內(nèi)部最高溫度峰值，并通過(guò)選用超緩凝型聚羧酸高性能減水劑，延緩了溫峰出現(xiàn)時(shí)間。

（2）結(jié)合錨碇結(jié)構(gòu)與施工特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)錨碇大體積混凝土溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的仿真計(jì)算分析，制定出不發(fā)生溫度裂縫的溫控標(biāo)準(zhǔn)和切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)有效的溫控防裂措施，并編制大體積混凝土溫控方案，對(duì)大體積混凝土的施工控制非常重要。

（3）錨塊大體積混凝土合理分塊、分層澆筑，降低混凝土入模溫度、管控好水管冷卻、根據(jù)外界環(huán)境氣溫變化合理調(diào)整養(yǎng)護(hù)方式，縮短層間澆筑間歇期等，均是行之有效的溫控措施。

（4）現(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)控既是對(duì)理論計(jì)算的驗(yàn)證，也為溫控施工措施的調(diào)整優(yōu)化提供正確的指導(dǎo)和依據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果較為吻合，且滿足溫控標(biāo)準(zhǔn)。