虎门二桥大沙水道桥主塔承台大体积混凝土裂缝控制

朱鹏

（广东省公路建设有限公司，广东广州510623）

虎门二桥大沙水道桥主塔承台大体积混凝土裂缝控制

朱鹏

（广东省公路建设有限公司，广东广州510623）

大跨径悬索桥主塔承台因施工难度高、混凝土体积大，历来是裂缝控制的重点。大体积混凝土水化热的温度控制是施工阶段裂缝控制的关键。文中详细介绍了虎门二桥主塔承台裂缝控制的技术措施，为同类型承台施工提供了经验参考。

大体积混凝土；裂缝；温度控制

1　引言

大体积混凝土施工最常见的质量问题是混凝土温度裂缝。混凝土温度变化产生的变形受到混凝土内部外部的约束，产生较大的应力，是混凝土产生裂缝的主要原因。

（1）水泥水化热是大体积混凝土开裂的主要因素。混凝土在硬化过程中，由于水泥的水化作用，在初始的几天产生大量的水化热，形成热量的聚集，使混凝土温度升高。在大体积混凝土中，内部散热较慢，外部散热较快，从而造成混凝土内外的温度差，使混凝土表面产生裂缝。在温升阶段，混凝土未充分硬化，弹性模量较小，只是表面出现微小裂缝。在降温阶段，混凝土内部和外部冷却程度不同，在内部混凝土收缩形成较高拉应力区，极易产生贯穿裂缝。

（2）外界气温变化的影响。大体积混凝土在施工阶段，外界温度越高，混凝土的浇筑温度越高，外界温度的下降，又增加了混凝土的降温幅度，大大增加了混凝土的内外部温度差。

（3）原材料及混凝土配合比。水泥、粉煤灰等原材料的选择及优化混凝土配合比，是控制混凝土水化热反应的重要措施。

本文以大沙水道桥为例介绍虎门二桥项目大跨径悬索桥主塔承台大体积混凝土裂缝控制技术。

2　工程概况

本项目起点位于广州市南沙区，跨越珠江大沙水道，项目包括两座悬索桥：主跨1 200 m的大沙水道桥和主跨1 688 m的坭洲水道桥。大沙水道桥主塔承台呈哑铃型，尺寸为82.55 m×25.0 m×6.0 m，总方量为9 273.7 m3；采用3.0+3.0 m分两层浇筑，中间设置2 m宽的后浇带。其中承台第一层（厚3 m）及边部（厚2 m）掺加疏水孔栓物，承台内部为普通海工混凝土。

3　本项目裂缝控制措施

3.1承台大体积混凝土配合比优化

承台大体积混凝土对水泥的要求是既要保证混凝土的强度，又要尽可能减少水化热反应。研究表明，提高水泥熟料中C2S含量，减少C3S的含量可大幅降低水化热，然而也会造成强度降低。核电工程专用水泥对熟料有着极其严格的要求，相较于普通水泥有强度高、水化热低的优点。因而本项目选用了广州珠江水泥厂生产的粤秀牌核电水泥（PⅡ水泥）。

粉煤灰和矿渣粉有着比水泥更小的表观密度和更高的活性，而且含有大量的玻璃微珠，对水泥颗粒有较好的物理分散作用，可显著延缓水泥水化速度，减小混凝土因水化热引起的温升。而且随着粉煤灰和矿渣粉掺量的增加，胶凝材料水化热的降低幅度越大，粉煤灰对胶凝材料水化热的降低效果尤其显著。

本项目在满足混凝土工作性和强度条件下，最大限度地减少胶凝材料用量及浆体率，这是提高混凝土体积稳定性和抗裂性的一条重要措施。在胶材总量确定的情况下，采用密实骨架堆积设计方法，尽量减小水泥用量，使用大掺量矿物掺合料，实现混凝土的高性能化。

本项目使用缓凝型聚羧酸类高效减水剂，可有效降低单方混凝土用水量，延缓温峰出现时间，提高混凝土和易性和抗裂性能。矿物掺和料与高效减水剂的叠加效应可达到减少水泥用量和用水量、密实混凝土内部结构的目的，使混凝土强度、耐久性得以改善。本项目承台配合比如表1所示。

表1　大沙水道桥西塔承台配合比　单位：kg

工程材料：

水泥：广州越秀PⅡ42.5水泥，水化热3 d≤275 kJ/kg；

粉煤灰：F类Ⅱ级灰，需水比96%，烧失量4.04%；

矿粉：S95级，比表面积＞400 m2/kg；

细骨料：中砂，细度模数207；

粗骨料5～16mm、10～25mm两级配碎石；

外加剂：缓凝型聚羧酸减水剂，减水率28%。

3.2材料及外界温度控制

大沙水道桥承台大体积混凝土浇筑时间为2015年9月～10月，室外大气温度为28～38℃。为保证混凝土入模温度，项目采取了大量措施，确保混凝土入模温度控制在28℃以下。

粉料温度控制：水泥入罐温度不超过60℃，粉煤灰和矿粉的入罐温度不超过50℃。在粉料罐体外包裹遮阳网，避免太阳直射粉料罐（图1）。

砂石料温度控制：料仓设计通风，加盖料棚，避免阳光直晒砂石料，同时加装雾化风扇对砂石料进行降温。

水温控制：配备制冰机、碎冰机（图2）。

图1　粉料罐防日晒措施

图2　配备制冰机

混凝土出机温度控制：在混凝土浇筑前，根据大气温度、粉料温度、砂石料温度、运输过程中的温升，多次试验实测混凝土出机温度和入模温度，精确计算加冰量。

施工环境温度控制：在承台施工平台设置喷雾设备，增加大气湿度，降低混凝土浇筑时的大气温度。

3.3大体积混凝土温度监控

3.3.1温度控制要求（表2）

表2　温度控制要求

3.3.2冷却水管布置

主塔承台共设置6层冷却水管，垂直间距90 cm，水平间距为100 cm，距混凝土构件外表面及侧面60～100 cm。

3.3.3抗裂安全系数取值

大体积混凝土温控抗裂安全系数是指在标准养护条件下的混凝土抗裂抗拉强度试验值与对应龄期温度应力计算最大值之比。根据《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》（JTS 202-1-2010），大体积混凝土的温度应力抗裂安全系数应不小于1.4。

4　仿真计算及实测结果

4.1仿真模型的建立

根据结构对称性，取主塔承台混凝土1/4采用Midas FEA仿真计算软件进行温度应力计算，模型网格划分见图3。混凝土物理热学参数见表3。

表3　混凝土物理热学参数

图3　主塔承台1/4网格划分

4.2温度计算结果

在以上设定条件下，主塔承台内部最高温度及最大内表温差结果见表4；承台温度时程件图4、图5所示。

表4　主塔承台温度仿真计算结果

图4　承台第一层中心、表面点温度时程

图5　承台第二层中心、表面点温度时程

根据仿真计算温度场和应力场分析可知温度场发展规律为：①先升后降，构件中心温度最高；②构件中心约第3 d达到温度峰值；③随着内部温度升高，内表温差增大，中心部位温峰出现时，内表温差达到最大，之后逐渐降低。

4.3应力计算结果

在以上设定条件下，主塔承台温度应力计算结果见表5；承台第一层混凝土中心点、表面点应力时程图如图6、图7所示。

表5　主塔承台应力仿真计算结果

图6　承台第一层中心、表层应力时程

图7　承台第二层中心、表层应力时程

应力场发展规律为：①早期应力集中于表面，主要由内表温差引起，早期需要注意内表温差的控制，并降低内部最高温度；②后期应力集中于中心，由混凝土降温和干缩引起，随着龄期增长逐渐增大，后期需要注意养护减少干缩；③应力集中部位包括第一层承台与封底交界处、系梁变截面处。

由计算结果可以看出，承台各浇筑层混凝土早期膨胀，3 d应力发展较快，集中于构件上表面及侧面，为内表温差引起的拉应力；混凝土后期收缩，3 d后有部分应力向构件内部转移并逐渐发展至稳定水平。中后期于第一层承台与封底交界处、系梁变截面处产生一定应力集中。承台各龄期最小抗裂安全系数为1.57（≥1.4）。

4.4通水冷却要求

根据仿真计算结果，项目采用直取淡水做冷却水，配备5台10 kW水泵用分水器将各层各套水管集中分出，分水器设置相应数量的独立水阀及流量计以控制各套水管冷却水流量，并设置一定数量的减压阀以控制后期通水速率（图8）；可通过设计并联水阀实现冷却水的定时换向。

图8　冷却水流量控制器

混凝土通水要求见表6。采用Φ40×2.5mm型冷却水管，待水管停止循环水冷却并养护完成后，先用空压机将水管内残余水压出并吹干冷却水管，然后用压浆机向水管压注水泥浆，以封闭管路。

表6　混凝土通水要求

4.5温控监测结果

表7中温度检测结果表明，实际温度的情况与仿真计算基本趋于一致，内部最高温度、最高内表温差等指标均满足要求。

表7　温控监测结果

5　结语

经后期第三方检测，主塔承台出现较少竖向裂缝，无较大有害裂缝，裂缝控制情况较为理想。虎门二桥项目有两座悬索桥，4座主塔承台，通过采取以上措施，有效控制了承台裂缝，为主塔施工奠定了良好的基础。

大体积混凝土承台裂缝产生的原因很多，控制措施也较为复杂，应根据实际的施工外界条件进行温控方案设计，并在施工过程中不断进行调整。在大沙水道桥西塔承台的施工中，通过优化混凝土配合比、采取大量措施控制混凝土入模温度、采用仿真温控计算等措施，最大可能地减小出现裂缝的各种因素影响。

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［3］邓玉莲，蒋杉平，刘品洪，等.核电专用水泥生产的技术难关探讨［J］.大众科技，2011，（6）：61-62.

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［5］中华人民共和国国家标准.GB50496-2009.大体积混凝土施工规范［S］.北京：中国计划出版社，2009.

Cracks Control for Mass Concrete of Main Cushion Caps of Dasha Suspension Bridge

ZHU Peng
（Guangdong Provincial Highway Construction Group Co.Ltd.，Guangzhou 510623，China）

Because of the high construction difficulty and the large volume of concrete，the main tower of long span suspension bridge has always been the focus of crack control.The temperature control of mass concrete hydration heat is the key to the control of cracks in construction stage.This paper mainly introduces the control measures for main tower abutment crack，providing some reference for the same type of cap construction.

mass concrete；cracks；temperature control

U441.5

A

1671-8496-（2016）-03-0047-05

2016-03-17

朱 鹏（1984-），男，工程师，硕士

研究方向：桥梁结构分析