港珠澳大橋承臺大體積混凝土防裂技術與控制措施

黎敏，李青，徐鴻玉，胡凱，張學政

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇島 066000）

1 工程概況

港珠澳大橋屬于G94珠三角環線高速的一部分，設計時速100 km，雙向六車道，跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道。大橋主體工程采用橋隧組合方式，全長約29.6 km，海底隧道長6.7 km。港珠澳大橋的設計壽命為120 a，預計于2016年完工。本合同段CB03標東起西人工島連接橋，西接深水區CB04標，總長8 670 m，共需預制非通航孔橋墩臺68個，通航孔橋墩臺4個，單件最大高度26.95 m，最大重量3 510 t。

承臺為六邊形結構，邊緣順橋向寬為10.3 m，中心順橋向寬11.1 m，橫橋向長14.8 m，高4.5 m。在樁基對應位置，承臺設有6個預留后澆孔，預留孔直徑3.6 m，預留孔底板厚0.6 m，底板開孔直徑2.13 m。承臺全部采用高性能雙層環氧涂層鋼筋，在底部、樁頂和中部設有D40 mm的HRB400鋼筋作為受力主筋，承臺表面鋼筋、架立鋼筋和拉筋均采用HRB335鋼筋，設計最小凈保護層厚度60 mm。承臺作用環境屬于海洋氯化物環境，環境作用等級為Ⅲ-D，E，F[1-2]。采用C45海工高性能混凝土。

2 混凝土裂縫產生原因

2.1 收縮變形

混凝土因收縮而導致的裂縫是混凝土裂縫最主要的原因。

2.2 溫度應力變形

大體積混凝土多采用高強混凝土，水泥用量大，水泥水化反應過程中釋放大量熱量，又因混凝土尺寸較大，混凝土內部溫度不斷上升，而表面溫度較低，內部與表面混凝土形成較大溫差，內部膨脹大于外部，在混凝土表面受到很大的拉應力，早期混凝土抗拉強度較低，當溫度應力超過混凝土的抗拉強度時就會出現裂縫。

2.3 施工工藝變形

根據在現場對施工過程的觀察，發現以下施工因素導致裂縫產生：一是混凝土振搗不足，部分區域振搗不密實，存在蜂窩麻面；二是混凝土的養護不良，對混凝土整體質量影響十分顯著，直接影響混凝土的抗裂能力；三是拆模時間過早以及在混凝土構件上過早從事后續工序，對混凝土強度的發展有一定影響，并導致裂縫的產生；四是混凝土澆注下灰高度過高，導致混凝土離析，容易產生裂縫。

3 采取的工程措施

為控制裂縫的產生，本工程從混凝土原材料比選、配合比優化、施工工藝以及混凝土養護各環節采取一系列措施，努力提高結構物自身的抗裂能力[3-4]。

3.1 材料比選

1）水泥：選擇廣東珠江水泥廠粵秀牌和華潤（平南）水泥有限公司生產的華潤牌P.Ⅱ42.5水泥。技術參數見表1。

依據C3A和水化熱指標，優選珠江水泥有限公司粵秀牌P.Ⅱ42.5。

2）摻合料：摻合料選用Ⅰ級原狀粉煤灰和S95級礦粉，優選符合技術要求的福建漳州電廠益材牌Ⅰ級原狀粉煤灰和唐山唐鋼產唐龍牌礦粉。

表1 兩種水泥技術參數對照Table 1 Technical parameters contrast for two typesof cement

3）減水劑：選擇江蘇博特新材料有限公司產PCA-Ⅰ聚羧酸減水劑。

4）集料：采用反擊破工藝生產的5~10 mm、10~20 mm雙級配摻成5~20 mm連續級配碎石，產于廣東江門新會。河砂選用符合技術要求的北江清遠段天然河砂。

3.2 混凝土配合比設計

根據港珠澳大橋相關技術要求，承臺采用C45海工高性能混凝土。系統配合比經實驗室試配后，對其進行膠凝材料水化熱、抗壓強度、耐久性能、靜力彈性模量、平板抗裂性能測試，優選抗裂能力最好的配合比。經系統試驗后，最后確定配合比為水泥∶粉煤灰∶礦粉∶5~10 mm碎石∶10~20 mm碎石∶河砂∶水∶外加劑=203∶110∶128∶315∶736∶725∶150∶3.53（質量比，單位kg/m3），各項技術指標如表2所示。

表2 選定配合比技術參數Table 2 The selected mix technology parameters

3.3 混凝土攪拌過程控制

本工程要求粉料、外加劑、水、冰計量偏差不大于1.0%，粗細集料計量偏差不大于1.5%，混凝土拌合物入模溫度10~28℃。為確保計量精度和出機溫度，采取以下措施：

1）引進意大利ORU公司生產的2 m3攪拌站，攪拌站主機采用ORUMD3000/2000型攪拌機，共2臺，單機生產能力達60 m3/h，進口攪拌站計量系統精準度高于國產設備，計量偏差滿足要求。

2）配置了1組制冰機組和1組制冷水機組，制冰能力達40 t/d，制冷水能力達10 t/h，為控制混凝土出機溫度提供保障。夏季時加冰60~70 kg/m3，所有拌合水采用冷水，水溫不超過12℃。

3）配置8個粉料罐，延長存放時間。砂石料場采用鋼結構頂棚覆蓋，防雨防曬，既能降溫，又能保證含水率穩定。

4）混凝土運輸采用攪拌運輸車，罐體外部包裹隔熱棉，定時噴淋冷卻水。

通過以上措施，在南方炎熱夏季實測混凝土出機溫度不超過26℃，符合港珠澳大橋質量控制標準。

3.4 承臺防裂控溫措施

為了最大限度降低承臺內部混凝土溫度峰值，除了嚴格控制入模溫度，還在承臺內埋設冷卻水管（見圖1），通水降溫。冷卻水管采用內徑50 mm鍍鋅鋼管，通過控制通水流量，使冷卻管的進出水溫差控制不超過10℃。混凝土內部溫度峰值過后停止冷卻，根據混凝土溫度回升情況進行二次冷卻。冷卻水溫與混凝土內部溫度之差不超過25℃，并定期改變冷卻水進出方向。

圖1 承臺冷卻水管平面布置圖Fig.1 Layout of water-cooled tubesin the bank pier

3.5 養護措施

本工程要求混凝土構件在任一養護時間內的內部最高溫度與表面溫度之差不大于25℃。混凝土拆模時，中心混凝土與表層的溫差、表層混凝土與環境的溫差均不得大于20℃。現場根據測溫確定拆模時間，模拆后，立即覆蓋薄膜澆水養護，養護期不低于15 d。

3.6 施工過程控制措施

混凝土澆注施工過程控制，能保證混凝土的均勻性和施工連續性，減少由于施工原因造成的裂縫，本工程主要采取以下措施：

1）嚴格控制分層澆注高度，要求混凝土澆注振搗厚度在30~50 cm，澆注過程中采用紅外測距儀控制下灰厚度。

2）采用下灰導管，嚴格控制混凝土拌合物下灰高度不超過2 m，使混凝土拌合物在澆注過程中不會由于泵送壓力而飛濺，保證混凝土拌合物的均勻性，避免局部漿體過多。

4 溫度應變監控

4.1 測溫

為了準確掌握承臺內外部溫度應力情況，并為通水冷卻和拆模時間提供技術依據，在每座承臺內部埋設測溫裝置。選用寰宇奪標TR32定時測溫記錄儀，測溫點布置如圖2。

典型的24號承臺實測溫度-時間變化曲線如圖3所示，實測數據如表3、表4所示。

圖2 承臺測溫點布置（單位：cm）Fig.2 Layout of temperature measuring points in the bank pier （cm）

圖3 24號承臺溫度-時間變化曲線Fig.3 Thecurvesof temperature-time of No.24 bank pier

表3 承臺降溫梯度Table 3 Cooling gradient of the bank pier

表4 承臺溫差情況Table 4 Temperature difference of the bank pier

從測溫數據分析得出：

1）大氣溫度34℃情況下，入模溫度在26℃，滿足澆筑溫度不高于28℃要求，說明混凝土生產過程采取的措施是有效的。

2）承臺內部峰值溫度69.7℃，滿足規范內部最高溫度不應大于70℃要求。

3）承臺內表溫差最大值23.7℃，滿足規范內表溫差不大于25℃要求。

4）混凝土表面降溫速率5~7.5℃/d（6號測溫點），大于規定值4℃/d，表面降溫速率過快，應在表面進行保溫處理。

4.2 承臺溫度應力仿真分析

由于承臺為X軸和Y軸對稱結構，仿真計算只需1/4即可。根據承臺實際尺寸，采用有限元軟件MIDAD/Civil建立承臺有限元模型。確定模型試驗環境條件為大氣平均溫度選定為23℃，入模溫度20℃，熱傳導率2.3 W/（m·K）。分析結果如圖4、圖5所示。

由上述有限元仿真計算結果分析可知：

1）承臺內部拉應力SIG-XX、SIG-YY、SIGZZ始終小于容許拉應力，因此承臺內部不會產生平行于YZ、XZ、XY平面的內部裂縫。

圖4 承臺48 h溫度場剖面圖Fig.4 Section of the temperature field of the bank pier for 48 hours

圖5 承臺表面應力最大點應力隨時間變化圖Fig.5 Variation of themaximum surface stress of the bank pier with time

2）承臺表面點拉應力SIG-XX、SIG-ZZ在68 h后開始大于容許拉應力，由此可見承臺表面會產生YZ、XY平面的表面裂縫。觀測24號、29號承臺實體，發現表面有細小裂紋，與有限元仿真試驗結果一致。

5 結語

通過采取一系列裂縫控制措施，港珠澳大橋主體工程承臺預制較好地解決了大體積混凝土開裂問題，在工程實體上沒有發現有害裂縫。但在構件表面還有細小裂紋，這與表面降溫過快，保水養護不足有一定關系，施工中還需要采取表面保濕保溫等養護措施。

[1]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋大體積混凝土施工期裂縫控制技術規程[M].2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Standards for anticracking technology in mass concrete construction period of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[M].2013.

[2]港珠澳大橋管理局.港珠澳大橋大體積混凝土耐久性質量控制技術規程[M].2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Technology standards for thequality control of massconcretedurability of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[M].2013.

[3]GB 50496—2009，大體積混凝土施工規范[S].GB 50496—2009，Codefor construction of massconcrete[S].

[4] 彭立海.大體積混凝土溫控與防裂[M].鄭州：黃河水利出版社，2005.PENG Li-hai.Temperature control and anti-cracking of mass concrete[M].Zhengzhou：Yellow River Hydraulic Press,2005.