工廠(chǎng)法預(yù)制沉管控裂技術(shù)

劉然，王李，范卓凡

（中交二航局第二工程有限公司，重慶 401121）

1 工程概況

隨著世界范圍內(nèi)外海工程項(xiàng)目越來(lái)越多，為解決外海施工中惡劣氣象條件對(duì)施工安全、質(zhì)量帶來(lái)的巨大風(fēng)險(xiǎn)，加快建設(shè)速度，大型化、工廠(chǎng)化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化施工理念得到越來(lái)越廣泛的推廣，預(yù)制沉管施工亦日趨普及。港珠澳大橋沉管混凝土結(jié)構(gòu)體積大，截面復(fù)雜，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)自約束大，在溫度形變作用下，混凝土極易出現(xiàn)裂縫；在長(zhǎng)期水壓條件下，表面裂縫可能連通、延伸，成為滲水通道，導(dǎo)致其自身抗?jié)B能力降低，加速氯鹽侵蝕；同時(shí)，沉管混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期埋置于水下，結(jié)構(gòu)無(wú)法修復(fù)，一旦出現(xiàn)腐蝕將極大影響結(jié)構(gòu)使用壽命。因此，管節(jié)混凝土裂縫控制是確保港珠澳大橋沉管隧道耐久性的關(guān)鍵。

港珠澳大橋沉管采用工廠(chǎng)法全斷面澆筑工藝[1]，28 d強(qiáng)度等級(jí)為C45，56 d強(qiáng)度等級(jí)為C50，單節(jié)段（22.5 m）混凝土方量約3 413 m3，其設(shè)計(jì)使用壽命120 a，抗?jié)B要求高，無(wú)外包防水，工程區(qū)域常年氣溫高，濕度變化大，混凝土入模溫度控制、控裂及養(yǎng)護(hù)措施等面臨前所未有的挑戰(zhàn)。

2 控裂總體思路

為了做好預(yù)制沉管混凝土裂縫控制，根據(jù)沉管混凝土的環(huán)境條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及混凝土性能，主要對(duì)沉管混凝土配合比及入模溫度兩方面進(jìn)行控制。

3 混凝土配合比控制

3.1 混凝土配合比要求

根據(jù)預(yù)制沉管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為了滿(mǎn)足預(yù)制沉管的施工要求，對(duì)混凝土的工作性能提出了要求，同時(shí)為滿(mǎn)足沉管結(jié)構(gòu)120 a使用壽命的要求，對(duì)混凝土的強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)、抗?jié)B等級(jí)等耐久性指標(biāo)提出了相應(yīng)的要求。沉管采用工廠(chǎng)法預(yù)制，頂推工藝要求混凝土3 d具有一定的抗壓和抗拉能力，以滿(mǎn)足沉管施工的要求。沉管混凝土的配制要求如表1所示。

表1 沉管混凝土的配制要求Table1 Preparation requirementsof immersed tubeconcrete

3.2 混凝土配制原則

根據(jù)沉管混凝土的配制要求，混凝土的配制遵循“抗?jié)B性、抗裂性、工作性并重，混凝土各項(xiàng)性能均衡發(fā)展”的原則。管節(jié)混凝土配合比設(shè)計(jì)主要采用以下技術(shù)方案。

1）低水泥用量：在滿(mǎn)足混凝土工作性和強(qiáng)度條件下盡量減小水泥用量，提高混凝土體積穩(wěn)定性和抗裂性。

2）最大堆積密度：優(yōu)化混凝土中集料的級(jí)配設(shè)計(jì)，獲取最大堆積密度和最小空隙率，以盡可能減少水泥漿的用量，提高混凝土體積穩(wěn)定性。

3） 水膠比（w/b）適當(dāng)：在一定范圍內(nèi)混凝土抗壓強(qiáng)度與其拌合物的水膠比成反比，減小水膠比，混凝土抗壓強(qiáng)度和體積穩(wěn)定性提高。但為保證混凝土的抗裂性能，水膠比應(yīng)適當(dāng)，過(guò)小的水膠比易導(dǎo)致混凝土自生收縮增大。

4）大摻量礦物摻合料：采用大摻量粉煤灰與礦粉混摻，降低水泥用量，發(fā)揮粉煤灰與礦粉的超疊效應(yīng)，降低混凝土的水化熱溫升，減小收縮，同時(shí)提高混凝土抗裂性和耐久性。

5）礦物摻合料與高效減水劑雙摻：充分發(fā)揮礦物摻合料與高效減水劑的疊加效應(yīng)，達(dá)到減少水泥用量和用水量、密實(shí)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的目的，使混凝土強(qiáng)度持續(xù)發(fā)展，耐久性得以改善。

3.3 混凝土配合比確定

根據(jù)不同水膠比、不同膠凝材料用量、不同摻合料比例、不同坍落度對(duì)混凝土性能影響規(guī)律比較，在大量試驗(yàn)和模型試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，優(yōu)選出用于現(xiàn)場(chǎng)沉管混凝土的配合比見(jiàn)表2，推薦配合比性能見(jiàn)表3。

表2 沉管混凝土推薦配合比Table 2 Recommended mix of immersed tube concrete

表3 推薦配合比性能Table3 Recommend mix performance

4 溫度控制

4.1 溫控方向

根據(jù)港珠澳沉管預(yù)制溫度控制要求，分別從原材料溫度、澆筑溫度、水化熱溫升及養(yǎng)護(hù)溫濕度四個(gè)方面進(jìn)行控制[2]。

4.2 原材料溫度控制

針對(duì)預(yù)制沉管的溫控標(biāo)準(zhǔn)，研究提出水泥、粉煤灰、礦粉、骨料等原材料的溫度控制指標(biāo)和措施，見(jiàn)表4。

表4 原材料溫度控制指標(biāo)和措施Table 4 Raw material temperature control standards and measures

4.2.1 粉料溫度控制

1）嚴(yán)格按照要求控制粉料的出廠(chǎng)溫度，進(jìn)場(chǎng)后由試驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，符合要求后投入使用。

2） 設(shè)置中間儲(chǔ)存轉(zhuǎn)運(yùn)倉(cāng)，延長(zhǎng)粉料降溫時(shí)間。嚴(yán)格控制粉料轉(zhuǎn)運(yùn)程序，符合控制溫度后倒運(yùn)至攪拌站，禁止粉料直接入攪拌站。

圖2 澆筑溫度控制流程Fig.2 Pouring temperature control process

3）攪拌站罐體及中間倉(cāng)刷白處理，并在罐體周?chē)O(shè)噴水系統(tǒng)，安裝CC扇形可調(diào)角度噴嘴噴淋，噴嘴噴霧角度120°，噴嘴安裝角度與罐體成20°，每個(gè)罐安裝32個(gè)噴嘴，共32×6＝192個(gè)噴嘴，支管（噴嘴）固定在欄桿最低處，主管沿罐體爬梯向上布置，避免陽(yáng)光直照罐體造成溫升。

4.2.2 骨料溫度控制

1）設(shè)置砂石料料棚，防止陽(yáng)光直嗮。

2）在料棚頂設(shè)噴水霧系統(tǒng)，降低料棚內(nèi)環(huán)境溫度；沿料場(chǎng)頂棚牽拉鋼絲繩，安裝噴霧供水設(shè)備，進(jìn)行雙向高壓噴霧。

3）在砂石料上料斜皮帶廊道和稱(chēng)量倉(cāng)底部通冷風(fēng)，控制砂石料在上料過(guò)程中的溫升，見(jiàn)圖1。

圖1 上料皮帶溫控Fig.1 Feeding belt temperature control

4.3 澆筑溫度控制

降低混凝土的澆筑溫度是控制混凝土裂縫的重要方面。澆筑溫度控制以原材料溫度控制為重點(diǎn)，以片冰和制冷水拌和混凝土為保證。澆筑溫度控制流程見(jiàn)圖2。

按照熱平衡原理估算澆筑溫度，反推制冷水和片冰的需求。制冷水全年需要加冰量依據(jù)環(huán)境溫度和澆筑溫度要求變化，估算高溫季節(jié)加冰量30～60 kg/m3，常溫季節(jié)加冰量 10～40 kg/m3，低溫季節(jié)加冰量0～25 kg/m3，每月根據(jù)月平均溫度預(yù)估加冰量，用以指導(dǎo)混凝土生產(chǎn)計(jì)劃。

每次混凝土澆筑前，制冷水水溫控制在5℃，澆筑前提前制取存于地下保溫水池；片冰溫度控制在-5℃，提前1 d制冰儲(chǔ)存于冰庫(kù)，冰庫(kù)溫度保持-8℃，防止片冰局部融化結(jié)團(tuán)。片冰厚度2 mm左右，攪拌時(shí)能快速融化，片冰與骨料混合攪拌，提高冷卻效果。

4.4 水化熱溫升控制

混凝土水化熱溫升與膠凝材料總量和水化放熱速度有關(guān)，因此，水化熱溫升的控制需要注意以下幾方面。

4.4.1 嚴(yán)格控制混凝土配合比

加強(qiáng)混凝土用水量和砂、石含水率的控制，現(xiàn)場(chǎng)不得隨意增加膠材用量。

4.4.2 防止運(yùn)輸過(guò)程混凝土溫度上升

1）在混凝土運(yùn)輸罐車(chē)罐體外加吸水帆布并淋水，以降低罐體在陽(yáng)光照射下的溫升；控制運(yùn)輸過(guò)程中罐體轉(zhuǎn)速。

2）混凝土輸送拖泵集中布置，在頂部設(shè)置遮雨遮陽(yáng)棚，向遮陽(yáng)棚頂面灑水降溫。

3）混凝土輸送泵管定位固定，采用定型吸水海綿包裹，防止陽(yáng)光暴曬；施工過(guò)程中向泵管包裹材料淋水，降低混凝土輸送摩擦溫升。

4.5 養(yǎng)護(hù)溫濕度控制

混凝土養(yǎng)護(hù)包括濕度和溫度兩個(gè)方面。根據(jù)季節(jié)不同采取保溫和散熱的綜合措施[3－5]，保證混凝土內(nèi)表溫差及氣溫與混凝土表面的溫差在控制范圍內(nèi)。采用自動(dòng)噴霧養(yǎng)護(hù)棚保證環(huán)境濕度在控制范圍以?xún)?nèi)，見(jiàn)圖3。

圖3 自動(dòng)噴霧控制Fig.3 Automatic spray control

1）澆筑區(qū)采用倉(cāng)面噴霧，降低環(huán)境溫度。

2）澆筑后所有裸露面覆蓋土工布保溫，并保持濕潤(rùn)。

3）拆模后進(jìn)入養(yǎng)護(hù)棚噴霧養(yǎng)護(hù)，控制養(yǎng)護(hù)區(qū)相對(duì)濕度大于90%。

4）通過(guò)調(diào)整噴霧水溫度，控制內(nèi)表溫差≤25℃。

5）養(yǎng)護(hù)水溫度與混凝土表面溫度差≤15℃。

6）出棚后覆蓋保濕養(yǎng)護(hù)。

7）預(yù)制沉管潮濕養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14 d。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，港珠澳大橋沉管隧道已完成80多個(gè)節(jié)段的預(yù)制工作，通過(guò)對(duì)混凝土配合比及沉管溫度兩方面的嚴(yán)格控制，沉管混凝土未發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。同時(shí)，通過(guò)對(duì)工廠(chǎng)法預(yù)制沉管控裂技術(shù)的研究，形成了適合港珠澳大橋工程特點(diǎn)的控裂技術(shù)體系，為確保沉管管節(jié)耐久性、實(shí)現(xiàn)120 a使用壽命提供了有力的保障。