市政橋梁大體積素混凝土裂縫控制技術研究

鐘 波

(中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860)

1 概 述

眾所周知，混凝土裂縫在施工中是經常出現的問題，尤其是在大體積混凝土施工時尤為突出。混凝土裂縫的出現嚴重影響結構安全、耐久性和安全運營。據分析，裂縫出現的原因主要有以下三個方面：

(1)由外部荷載引起，即混凝土承受了自身不能承受的荷載而造成結構開裂，進而產生裂縫。

(2)由結構性應力引起，即由于實際工作狀態與假設模型不符所致。

(3)由形變應力引起，即由溫度、收縮膨脹、不均勻沉降、施工等因素引起的結構形變[1]。

施工中主要從澆筑方案、混凝土配合比以及溫度等方面對大體積混凝土裂縫進行控制。

2 澆筑方案控制

2.1 設計結構

天保灣大橋擴大基礎分為三層，每層高度為3 m，底層設計了3級、0.5 m×4 m的抗推抗滑移臺階，中層和頂層為矩形結構。底層平面尺寸為57.91 m×25 m，澆筑方量為3 626.61 m3；中層平面尺寸為54.91 m×20.5 m，澆筑方量為3 376.9 m3；頂層平面尺寸為51.91 m×16 m，澆筑方量為2 491.7 m3；整個擴大基礎未設計結構鋼筋，僅外表面設計了一層φ10防裂鋼筋網(@100)，屬于大體積素混凝土施工(圖1)。

圖1 擴大基礎結構圖(正面、側面)

2.2 分層分塊方案

由于擴大基礎單層面積較大、高度較高，故采取分層分塊澆筑方案。分層分塊澆筑可以增大散熱面積，減小混凝土集中升溫，有效控制混凝土由于溫度應力產生的裂縫。每塊混凝土之間設置后澆帶，對施工縫設置鍵槽并設置連接插筋，以保證結構的整體性。

擴大基礎的單層設計厚度為3 m，共分2層澆筑，每一層澆筑厚度為1.5 m；每層再分為6大塊澆筑，并設3 m寬后澆帶。上下兩層豎向、縱向施工縫相互錯開，后澆帶在先澆塊澆筑至少7 d后澆筑。

2.3 冷卻水管的布置

在大體積混凝土施工中，混凝土澆筑后將會產生數量可觀的水化熱。其中，水泥的水化熱一般發生在早期，也就是混凝土澆筑之后的不久。在此期間，混凝土的溫度上升將會很快，直至達到一定溫度后開始下降。由于混凝土導熱性能較差，水泥水化熱產生的熱量需要在很長一段時間才能散發完，從而導致在施工期間形成混凝土內部溫度和表面溫度的不一致，進而產生表面裂縫。在混凝土降溫階段，會因為體積的收縮所引起的各種原因導致變形引起拉應力，拉應力超過混凝土抗拉能力時往往導致混凝土開裂。而對混凝土溫度變化進行控制是能夠防止其產生溫度應力的一種有效手段。

在大體積混凝土內布置冷卻水管，通過循環冷卻水可以有效地控制混凝土的內部溫度。根據結構特點，冷卻水管的布置形式多種多樣。天保灣大橋擴大基礎冷卻水管采取分層布置方式，采用D48×3 mm普通鋼管，利用φ25和φ20架立鋼筋支撐。冷卻水管水平間距為1.5 m，在每層(厚1.5 m)中間位置布置，距上下混凝土結構面各0.75 m，進、出水口伸出混凝土表面50 cm并引流至模板外的基坑內，避免水流淤積在混凝土保溫層上。

在大體積混凝土內還需布置測溫管，用于混凝土溫度監控。測溫管采用φ50 PVC管，豎直安裝，沿擴大基礎縱橫向中軸線對稱布置。測溫點豎直布置，一般每個測溫管內布置一組、3個，分別布置在混凝土的上、中、下位置，上下測點均布置在距離混凝土表面10 cm處，另外，在離開基礎周邊一定的距離埋設2個測溫點用于測量環境溫度。

3 混凝土配合比控制

混凝土水化熱主要由水泥產生，因此，水泥的選擇、水泥的用量以及外加劑的配比是控制混凝土水化熱的關鍵因素。為了有效降低混凝土的水化熱，擴大基礎混凝土的水泥用料，最終選用低熱硅酸鹽水泥。普通硅酸鹽水泥3 d水化熱為240 kJ/kg，7 d水化熱為270 kJ/kg。而低熱硅酸鹽水泥3 d水化熱為198 kJ/kg，7 d水化熱為239 kJ/kg[2]。

根據設計要求，采用60 d或90 d齡期的強度指標并將其作為混凝土配合比設計、混凝土強度評定及工程驗收的依據。根據設計強度(C35)制定了初始配合比(表1)。

表1 初始配合比表 /kg

該配合比強度、塌落度以及入倉溫度均能滿足設計要求，但是其水泥用量仍然較大。因此，為了盡可能減小水泥用量，在保證混凝土和易性及耐久性的基礎上，對初始配合比進行了優化，優化的目的主要是減少水泥，同時摻加膨脹劑，以補償混凝土的后期收縮。最終優化得出了以下兩種混凝土配合比(表2、3)。

表2 優化配合比1表 /kg

表3 優化配合比2表 /kg

其中外加劑1為減水劑，外加劑2為膨脹劑。

根據優化后的兩種配合比進行室內試拌并成型混凝土試件，兩種優化后的配合比對比情況如下：

(1)拌和物狀態。配比1混凝土的施工和易性不好，流動性差，不利于泵送，現場施工難度大。

(2)混凝土試塊7 d抗壓強度試驗表明：配比1混凝土的抗壓強度為24.2 MPa，配比2混凝土的抗壓強度為27.8 MPa。

考慮到混凝土的后期強度以及現場施工情況，最終選用優化配合比2為擴大基礎混凝土澆筑配合比。

4 溫度控制

4.1 溫控指標

根據《大體積混凝土施工規范》(GB50496-2009)要求，大體積混凝土溫控指標須符合下列規定[3]：

(1)混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升不宜大于50 ℃；

(2)混凝土澆筑塊體的里表溫差(不含混凝土收縮的當量溫度)不宜大于25 ℃；

(3)混凝土澆筑體的降溫速率不宜大于2 ℃/d；

(4)混凝土澆筑體表面與大氣溫差不宜大于20 ℃。

4.2 冷卻水管的通水方案

冷卻水管在擴大基礎混凝土澆筑的同時通水，冷卻水采用河道內的天然河水(澆筑期間的常溫為12 ℃)，進出水流方向每天交替一次。冷卻水的流量應大于30 L/min，流速大于1 m/s。冷卻水不宜過冷，冷卻水水溫與混凝土內部的最高溫差不宜大于30 ℃，可采用循環水以及水箱進行調溫[4]。

混凝土澆筑完成后，在其表面鋪設土工布并灑水進行保溫養護[5]。安排專人24 h對混凝土表面溫度、混凝土內部溫度以及室外溫度進行監控并實時根據測溫數據增加或減小通水流量和溫度，以保證混凝土的內外溫差不超過25 ℃、內部降溫速率不超過2 ℃/d。為保證施工質量和溫控效果，連續通水的時間不宜小于12 d。

5 結 語

通過對澆筑方案、混凝土配合比以及溫度等方面進行控制，天保灣大橋擴大基礎混凝土施工順利完成，混凝土澆筑質量滿足設計及規范要求，擴大基礎混凝土未產生影響結構功能以及耐久性的裂縫。取得了非常好的效果。