牛欄江特大橋大體積砼防裂技術控制

李 仲

中鐵十七局集團第四工程有線公司，重慶 401121

0 引言

昭待高速公路牛欄江特大橋地處云南省昭通市魯甸縣江底鎮與曲靖市會澤縣梨園鄉交界處，屬云貴高原中山河谷地貌，地形陡峭，坡角40°～55°，相對高差140m，海拔介于1240.0m～1375.0m之間，系云南省七大地震帶，地震活動十分頻繁。中心里程為昭（通）～待（補）公路K260+597，全長600m，橋跨為3×40+90+170+90+3×40m，主橋長350m，橋寬12m，在牛欄江兩岸各設一交界墩，橋軸線近斜50度跨越牛欄江。主橋箱梁為預應力鋼筋砼單箱單室變高度變截面連續梁，主墩墩高126.06m，為已建同類橋梁亞洲第一高墩。該橋主墩承臺幾何尺寸為17.8×17.8×5.1m，砼強度等級為C30，方量為1615.9m3。該處江谷寬約70m，垂直氣候分帶明顯，常有勁風，區域性溫差較大，年平均氣溫12.1℃～12.7℃，極端最高氣溫31.7℃，極端最低氣溫-15.6℃，年無霜期長達295d～310d，平均降水在800mm～1000mm之間，多集中在5月份～10月份。

1 裂縫及溫度應力的分析

在大體積砼中，溫度應力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中砼常常會出現溫度裂縫，影響到結構的整體性和耐久性。其次，在運轉過程中，溫度變化對結構的應力狀態具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，在此筆者僅對牛欄江特大橋施工中砼裂縫的成因和防止措施做一介紹。

1.1 裂縫的原因

砼中產生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，砼的脆性和不均勻性，以及結構不合理，原材料不合格（如堿骨料反應），模板變形，基礎不均勻沉降等。

砼硬化期間水泥放出大量水化熱，內部溫度不斷上升，在表面引起拉應力。后期在降溫過程中，由于受到基礎或老混凝上的約束，又會在砼內部出現拉應力。同時氣溫的降低也會在砼表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出砼的抗裂能力時，即會出現裂縫。許多砼的內部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發生劇烈變化。如養護不周、時干時濕，表面干縮形變受到內部砼的約束，也往往導致裂縫。且砼是一種脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1/10左右，短期和長期加荷時的極限拉伸變形都很小。由于原材料不均勻，水灰比不穩定，及運輸和澆筑過程中的離析現象，在同一塊砼中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低的易于出現裂縫的薄弱部位。在鋼筋砼中，拉應力主要是由鋼筋承擔，砼只是承受壓應力。但在素砼內或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結構內出現了拉應力，則須依靠砼自身承擔。一般設計中均要求不出現拉應力或者只出現很小的拉應力。但是在施工中砼由最高溫度冷卻到運轉時期的穩定溫度，往往在砼內部引起相當大的拉應力。有時溫度應力可能超過其它外荷載所引起的應力，因此掌握溫度應力的變化規律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

對于大體積砼，其形成的溫度應力與其結構尺寸相關，在一定尺寸范圍內，砼結構尺寸越大，溫度應力也越大，因而引起裂縫的危險性也越大，這就是大體積砼易產生溫度裂縫的主要原因。

1.2 溫度應力的分析

水泥水化熱在1d～3d可放出熱量的50%，由于熱量的傳遞、積存，砼內部的最高溫度大約發生在澆筑后的3d～5d，因為砼內部和表面的散熱條件不同，所以砼中心溫度低，形成溫度梯度，造成溫度變形和溫度應力。溫度應力和溫差成正比，溫度越大，溫度應力也越大。當這種溫度應力超過砼的內外約束應力（包括砼抗拉強度）時，就會產生裂縫。這種裂縫的特點是：裂縫出現在砼澆筑后的3d～5d，初期出現的裂縫很細，隨著時間的發展而擴大，甚至達到貫穿的情況。

根據溫度應力的形成過程可分為以下3個階段：

1）早期

自澆筑砼開始至水泥放熱基本結束，一般約30d。這個階段的具有兩個特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在砼內形成殘余應力。

2）中期

自水泥放熱作用基本結束時起至砼冷卻到穩定溫度時止，這個時期中，溫度應力主要是由于砼的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。

3）晚期

砼完全冷卻以后的運轉時期。溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相迭加。

根據溫度應力引起的原因可分為兩類：

1）自生應力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如，該橋主墩，結構尺寸相對較大，砼冷卻時表面溫度低，內部溫度高，在表面出現拉應力，在中間出現壓應力。

2）約束應力：結構的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力。

這兩種溫度應力往往和砼的干縮所引起的應力共同作用。在大多數情況下，要想根據已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小，需要依靠模型試驗或數值計算。砼的徐變使溫度應力有相當大的松弛，計算溫度應力時，必須考慮徐變的影響。

2 防止大體積砼開裂措施

為了防止大體積砼開裂，根據牛欄江特大橋的具體情況，施工中的關鍵問題是降低砼澆筑和養護過程的水化熱，避免溫度應力集中造成砼結構開裂，以保證砼的質量，為此不僅從砼配合比上控制水化熱，而且還要從施工工藝進行控制。因此，在施工過程中采取了如下幾項具體措施：

2.1 減少水泥用量，優選水泥品種，降低砼水化熱

大體積鋼筋砼引起裂縫的主要原因是水泥水化熱的大量積聚，使砼出現早期升溫和后期降溫，產生內部和表面的溫差。減少溫差的措施是選用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，在摻加泵送劑或粉煤灰時，也可選用礦渣硅酸鹽水泥。再有，可充分利用砼后期強度，以減少水泥用量。根據大量試驗研究和工程實踐表明，每m3砼的水泥用量增減10kg，其水化熱將使砼的溫度相應升高或降低1℃。

因此，預防和控制砼裂縫首先應從降低水泥水化熱著手并確定施工配合比，優先考慮級配較好的原材料。降低水化熱的途徑主要有摻入適量的減水劑和粉煤灰來代替一部分水泥（減少水泥用量）用量兩種方法。

1）原材料來源

（1）水泥：云南曲靖云維股份有限公司云維牌P.S42.5（旋窯）；

（2）細集料：坪子料場機制砂，中砂；

（3）粗集料：坪子料場5mm～31.5mm碎石，聯合破碎料；

（4）水：魯甸縣江底牛欄江江水；

（5）粉煤灰：昆明陽宗海發電有限責任公司Ⅱ級粉煤灰，摻量為膠凝材料的15%；

（6）外加劑：昆明仁維外加劑廠RW泵送劑（緩凝劑），摻量為水泥用量的0.8%。

2）承臺C30砼配合比（見表1）

表1 承臺C30砼配合比

3）7d抗壓強度25.8MPa，28d抗壓強度38.5MPa

4）設計塌落度為160mm～180mm，實測塌落度為165mm，和易性良好

2.2 砼溫度控制與防裂措施

就理論計算而言，水泥水化過程中產生大量的熱量，每g水泥釋放出502J的熱量，如果以水泥用量350kg/m3～550kg/m3來計算，每m3砼將放出17500kJ～27500 kJ的熱量，從而使砼內部溫度升高，在澆筑溫度的基礎上，通常升高35℃左右。如果按照該大橋所處地理位置的最高澆筑溫度為30℃，則可使砼內部溫度達到65℃左右。對大體積砼而言，如果不采取降溫措施，砼內部溫度可達90℃以上。

2.2.1 絕熱升溫理論計算

式中，Tmax為絕熱升溫（℃）是指在基礎四周無任何散熱條件無任何耗損條件下，水泥與水化合后產生的熱反映（水熱化）全部轉化為溫升后的最高溫度；

W為每立方米砼中的水泥實際用量；

Q為水泥水化熱（J/kg），用42.5普通硅酸鹽水泥其為28d的水化熱為362×103J/kg.C；

C為砼的比熱J/kg.C；

Y為砼的重量kg/m3，取2450kg/m3；

即 Tmax=353×362×103/0.96×103×2450=54.3℃。

考慮該墩基礎砼表面和四周可散熱，散熱影響系數取0.6，水化熱溫升值則為Tmax=54.3×0.6=32.6℃。

預測基礎中心最高溫度應為：32.6+30=62.6℃（30度為砼入模溫度）。

2.2.2 防裂措施

為了改善砼的性能，提高抗裂能力，在砼澆筑過程中我們加強養護，防止表面干縮，具體措施如下：

1）盡可能采用粒徑大的粗細集料，降低水灰比，摻入混合料、外加劑等方法來減少水泥用量，采用水化熱低的P.S42.5水泥，減小砼澆筑層厚度，加快砼散熱速度。碎石粒徑偏小，砂細度太大都會加大水泥用量而增加水化熱。故以采用級配良好的中砂為宜。經驗證明，采用細度模數2.8的中砂比采用細度模數2.3的中砂，可減少用水量20kg/m3～25kg/m3，可降低水泥用量28kg/m3～35kg/m3，因而降低了水泥水化熱、砼溫升和收縮；

2）砼用粗細集料應遮陽、灑水，用冷水攪拌以降低砼入模溫度；

3）嚴格控制粗細集料的含泥量。砂含泥量控制3%以內，碎石含泥量控制在1%以內。因集料含泥量過大會加大砼的收縮變形，從而引起砼的開裂；

4）因水化熱造成大體積砼中心溫度太大，遠遠高于外界溫度，從而導致大體積砼內外溫差過大，溫度應力引起砼開裂，為了解決這一問題，在砼澆筑前預埋φ125鋼管作為冷卻管，豎向間距為250cm，共6排，橫向間距為250cm，共6排，通水冷卻如下圖所示。砼澆筑后注入流動冷水進行散熱處理，再將管內流出的熱水回收噴灑在砼表面，以減小砼內外溫差，通過“內排外保”，防止因溫度應力引起的裂紋產生，降溫管布置圖如圖1。

圖1

在鋼筋骨架中預埋6根φ50mm鋼管用來測量砼表面和內部溫度，1＃、2＃管埋入砼20cm用來測量砼表面溫度，3＃、4＃、5＃、6＃管埋入4m用來測量砼內部溫度。砼澆筑完后1h向冷卻管內注入冷水，并在澆筑砼表面蓄水，使各散熱管內水與承臺表面水連通，形成對流養生。

5）砼罐車外部淋水降溫，以降低砼入模溫度，同時適度降低砼澆筑速度。規定合理的拆模時間，進行表面保溫，以免砼表面發生急劇的溫度梯度。

6）為了與砼生產量相匹配采用兩組拌合站供料。一是牛欄江拌合站230m，二是小石橋拌合站9km，合計平均最小產量約35m3/h，按“斜面分層、薄面澆筑、連續推進、一次到頂”原則進行砼澆筑，以保證砼澆筑質量。

7）嚴格控制鋼筋加工制作與模板安裝質量，從而保證砼的澆筑結構質量。因主墩承臺259.6 T鋼筋，墩身預埋17.2 T鋼筋，鋼材用量較大，需認真進行鋼筋加工制作與安裝，同時鋼筋架設、模板支撐要牢固，模板剛度應滿足規范要求，避免施工荷載造成鋼筋嚴重下沉及傾斜現象發生，施工中本著經濟、安全、質量第一的原則，采用如下措施：（1）承臺內部鋼筋用Φ28交叉加固；（2）墩身四周用L100×10的等邊角鋼伸入承臺底部，在承臺內部角鋼之間用8根角鋼對角邊接；（3）在承臺之上，每2.5m加設角鋼一圈，一直至承臺之上墩身10m處，一共5圈。

8）加強砼振搗

因砼振搗越密實越不易開裂，為此設置插入式振搗器10臺，振動工作面24h輪流值班，各部位責任到人，各行其事，各負其責，嚴防漏振。

振蕩器移動間距，與側模的距離及插入下層砼深度必須滿足規范要求，避免振動棒碰撞模板、鋼筋及其他預埋件，對每一振動部位必須振動到砼停止下沉不再冒出氣泡、表面呈現平坦、泛漿為止。同時檢查支架、模板、鋼筋和預埋件等穩固情況，當發現有松動、變形、移位時，應及時處理。

9）前期砼表面保溫養護

砼的保溫對防止表面早期裂縫尤其重要。砼的早期養護，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達到兩個方面的效果，一方面使砼免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進行，以期達到設計的強度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關聯的。混凝上的保溫措施常常也有保濕的效果。在砼澆筑完畢收漿后盡快予以覆蓋和灑水養護。表面砼和空氣接觸溫度較中心溫度低，故表面砼采用麻袋和塑料布覆蓋灑水保溫，覆蓋時不得損傷或污染砼的表面，并使模板在養護期間經常保持濕潤。每d灑水次數以能保證砼表面經常處于濕潤狀態為度，在砼強度達到2.5MPa之前，嚴禁行人、運輸工具、模板、支架及腳手架在其上面運行和停留。

從理論上分析，新澆砼中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求。但由于蒸發等原因常引起水分損失，從而推遲或防礙水泥的水化，表面砼最容易而且直接受到這種不利影響。因此砼澆筑后的最初幾天是養護的關鍵時期，在施工中應切實重視起來。

在砼的施工中，一般為了提高模板的周轉率，往往要求新澆筑的砼盡早拆模。當砼溫度高于氣溫時應適當考慮拆模時間，以免引起砼表面的早期裂縫。新澆砼早期拆模，在表面引起很大的拉應力，出現“溫度沖擊”現象。在砼澆筑初期，由于水化熱的散發，表面引起相當大的拉應力，此時表面溫度亦較氣溫為高，此時拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應力，與水化熱應力迭加，再加上砼干縮，表面的拉應力達到很大的數值，就有導致裂縫的危險，但如果在拆除模板后及時在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫海棉麻袋等，對于防止砼表面產生過大的拉應力，具有顯著的效果。

10）選擇適宜溫度澆筑砼

主墩兩個承臺的砼澆筑都選在多云天氣開盤澆筑，但澆完后又是晴天，經測砼表面平均溫度29.0℃，前三日用麻布口袋覆蓋灑水使砼表面濕潤，采用前述冷卻管注水降溫，經測定砼中心平均溫度51.1℃，內外溫差19.8℃，滿足規范要求。三日后保溫工作量可適減，同時中心降溫工作要加強，因大體積砼溫度受澆筑時砼入模溫度影響，故也需選擇適宜天氣施工。

2.3 溫度監控

1）采用 SDW 型數字點溫儀和100℃水銀溫度計。采用多點位， 24h監控溫度；

2）前五d2～4h測一次；之后6h～8h測一次；

3）經測中心平均溫度51.1℃ ；表面最高平均溫度31.3℃ ，內外溫差19.8℃；

4）根據測溫情況應及時調整冷水注入和表面保溫、養護工作；

5）7d后整體降溫，勻速降溫，15d后基本降到灑水養護可保證內外溫差不超標（溫差≤25℃）；

6）測溫結果簡評：測溫從砼入模計算，經現場檢測，砼高溫區在2～7d段，3d最高，單個測點最高溫度為60℃，平均最高溫度為51.1℃，小于理論計算值62.6℃，這主要是砼內部降溫管循環水起到了良好的降溫效果，同時也說明我們采用的降溫措施是成功的。

中心及表面溫度變化曲線如圖2：

圖2

2.4 裂紋觀測

1）裂紋觀測與砼澆筑同步進行，即與溫度監測同時進行；

2）澆筑10d后拆模，并立即進行砼側面觀測；

3）經觀測，最大裂紋寬度0.12mm，最長裂紋 132mm，單位面積裂紋61mm/m2，符合設計規范要求。

3 結論

實踐證明，牛欄江特大橋主墩承臺大體積砼施工很成功。施工中科學施工組織管理，改善施工工藝，做好配合比選定工作，做細溫度監控和裂紋觀測，加強養護等方面的工作，完全可以保證大體積砼的施工質量。

[1]公路橋涵施工技術規范（JTJ041-2000）.

[2]公路工程集料試驗規范（JTJ058-2000）.

[3]建筑用砂（GB/T14684-2001）.

[4]水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法（GB/T1346-2001）（ISO.9597：18989）.