牛栏江特大桥大体积砼防裂技术控制

2011-04-18李仲

科技传播 2011年14期

李仲

中铁十七局集团第四工程有线公司，重庆 401121

0 引言

昭待高速公路牛栏江特大桥地处云南省昭通市鲁甸县江底镇与曲靖市会泽县梨园乡交界处，属云贵高原中山河谷地貌，地形陡峭，坡角40°～55°，相对高差140m，海拔介于1240.0m～1375.0m之间，系云南省七大地震带，地震活动十分频繁。中心里程为昭（通）～待（补）公路K260+597，全长600m，桥跨为3×40+90+170+90+3×40m，主桥长350m，桥宽12m，在牛栏江两岸各设一交界墩，桥轴线近斜50度跨越牛栏江。主桥箱梁为预应力钢筋砼单箱单室变高度变截面连续梁，主墩墩高126.06m，为已建同类桥梁亚洲第一高墩。该桥主墩承台几何尺寸为17.8×17.8×5.1m，砼强度等级为C30，方量为1615.9m3。该处江谷宽约70m，垂直气候分带明显，常有劲风，区域性温差较大，年平均气温12.1℃～12.7℃，极端最高气温31.7℃，极端最低气温-15.6℃，年无霜期长达295d～310d，平均降水在800mm～1000mm之间，多集中在5月份～10月份。

1 裂缝及温度应力的分析

在大体积砼中，温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先，在施工中砼常常会出现温度裂缝，影响到结构的整体性和耐久性。其次，在运转过程中，温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝，在此笔者仅对牛栏江特大桥施工中砼裂缝的成因和防止措施做一介绍。

1.1 裂缝的原因

砼中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，砼的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。

砼硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在砼内部出现拉应力。同时气温的降低也会在砼表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出砼的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多砼的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部砼的约束，也往往导致裂缝。且砼是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期和长期加荷时的极限拉伸变形都很小。由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块砼中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低的易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋砼中，拉应力主要是由钢筋承担，砼只是承受压应力。但在素砼内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠砼自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中砼由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在砼内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可能超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

对于大体积砼，其形成的温度应力与其结构尺寸相关，在一定尺寸范围内，砼结构尺寸越大，温度应力也越大，因而引起裂缝的危险性也越大，这就是大体积砼易产生温度裂缝的主要原因。

1.2 温度应力的分析

水泥水化热在1d～3d可放出热量的50%，由于热量的传递、积存，砼内部的最高温度大约发生在浇筑后的3d～5d，因为砼内部和表面的散热条件不同，所以砼中心温度低，形成温度梯度，造成温度变形和温度应力。温度应力和温差成正比，温度越大，温度应力也越大。当这种温度应力超过砼的内外约束应力（包括砼抗拉强度）时，就会产生裂缝。这种裂缝的特点是：裂缝出现在砼浇筑后的3d～5d，初期出现的裂缝很细，随着时间的发展而扩大，甚至达到贯穿的情况。

根据温度应力的形成过程可分为以下3个阶段：

1）早期

自浇筑砼开始至水泥放热基本结束，一般约30d。这个阶段的具有两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在砼内形成残余应力。

2）中期

自水泥放热作用基本结束时起至砼冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于砼的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。

3）晚期

砼完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。

根据温度应力引起的原因可分为两类：

1）自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，该桥主墩，结构尺寸相对较大，砼冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。

2）约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。

这两种温度应力往往和砼的干缩所引起的应力共同作用。在大多数情况下，要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小，需要依靠模型试验或数值计算。砼的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响。

2 防止大体积砼开裂措施

为了防止大体积砼开裂，根据牛栏江特大桥的具体情况，施工中的关键问题是降低砼浇筑和养护过程的水化热，避免温度应力集中造成砼结构开裂，以保证砼的质量，为此不仅从砼配合比上控制水化热，而且还要从施工工艺进行控制。因此，在施工过程中采取了如下几项具体措施：

2.1 减少水泥用量，优选水泥品种，降低砼水化热

大体积钢筋砼引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚，使砼出现早期升温和后期降温，产生内部和表面的温差。减少温差的措施是选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，在掺加泵送剂或粉煤灰时，也可选用矿渣硅酸盐水泥。再有，可充分利用砼后期强度，以减少水泥用量。根据大量试验研究和工程实践表明，每m3砼的水泥用量增减10kg，其水化热将使砼的温度相应升高或降低1℃。

因此，预防和控制砼裂缝首先应从降低水泥水化热着手并确定施工配合比，优先考虑级配较好的原材料。降低水化热的途径主要有掺入适量的减水剂和粉煤灰来代替一部分水泥（减少水泥用量）用量两种方法。

1）原材料来源

（1）水泥：云南曲靖云维股份有限公司云维牌P.S42.5（旋窑）；

（2）细集料：坪子料场机制砂，中砂；

（3）粗集料：坪子料场5mm～31.5mm碎石，联合破碎料；

（4）水：鲁甸县江底牛栏江江水；

（5）粉煤灰：昆明阳宗海发电有限责任公司Ⅱ级粉煤灰，掺量为胶凝材料的15%；

（6）外加剂：昆明仁维外加剂厂RW泵送剂（缓凝剂），掺量为水泥用量的0.8%。

2）承台C30砼配合比（见表1）

表1 承台C30砼配合比

3）7d抗压强度25.8MPa，28d抗压强度38.5MPa

4）设计塌落度为160mm～180mm，实测塌落度为165mm，和易性良好

2.2 砼温度控制与防裂措施

就理论计算而言，水泥水化过程中产生大量的热量，每g水泥释放出502J的热量，如果以水泥用量350kg/m3～550kg/m3来计算，每m3砼将放出17500kJ～27500 kJ的热量，从而使砼内部温度升高，在浇筑温度的基础上，通常升高35℃左右。如果按照该大桥所处地理位置的最高浇筑温度为30℃，则可使砼内部温度达到65℃左右。对大体积砼而言，如果不采取降温措施，砼内部温度可达90℃以上。

2.2.1 绝热升温理论计算

式中，Tmax为绝热升温（℃）是指在基础四周无任何散热条件无任何耗损条件下，水泥与水化合后产生的热反映（水热化）全部转化为温升后的最高温度；

W为每立方米砼中的水泥实际用量；

Q为水泥水化热（J/kg），用42.5普通硅酸盐水泥其为28d的水化热为362×103J/kg.C；

C为砼的比热J/kg.C；

Y为砼的重量kg/m3，取2450kg/m3；

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

考虑该墩基础砼表面和四周可散热，散热影响系数取0.6，水化热温升值则为Tmax=54.3×0.6=32.6℃。

预测基础中心最高温度应为：32.6+30=62.6℃（30度为砼入模温度）。

2.2.2 防裂措施

为了改善砼的性能，提高抗裂能力，在砼浇筑过程中我们加强养护，防止表面干缩，具体措施如下：

1）尽可能采用粒径大的粗细集料，降低水灰比，掺入混合料、外加剂等方法来减少水泥用量，采用水化热低的P.S42.5水泥，减小砼浇筑层厚度，加快砼散热速度。碎石粒径偏小，砂细度太大都会加大水泥用量而增加水化热。故以采用级配良好的中砂为宜。经验证明，采用细度模数2.8的中砂比采用细度模数2.3的中砂，可减少用水量20kg/m3～25kg/m3，可降低水泥用量28kg/m3～35kg/m3，因而降低了水泥水化热、砼温升和收缩；

2）砼用粗细集料应遮阳、洒水，用冷水搅拌以降低砼入模温度；

3）严格控制粗细集料的含泥量。砂含泥量控制3%以内，碎石含泥量控制在1%以内。因集料含泥量过大会加大砼的收缩变形，从而引起砼的开裂；

4）因水化热造成大体积砼中心温度太大，远远高于外界温度，从而导致大体积砼内外温差过大，温度应力引起砼开裂，为了解决这一问题，在砼浇筑前预埋φ125钢管作为冷却管，竖向间距为250cm，共6排，横向间距为250cm，共6排，通水冷却如下图所示。砼浇筑后注入流动冷水进行散热处理，再将管内流出的热水回收喷洒在砼表面，以减小砼内外温差，通过“内排外保”，防止因温度应力引起的裂纹产生，降温管布置图如图1。

图1

在钢筋骨架中预埋6根φ50mm钢管用来测量砼表面和内部温度，1＃、2＃管埋入砼20cm用来测量砼表面温度，3＃、4＃、5＃、6＃管埋入4m用来测量砼内部温度。砼浇筑完后1h向冷却管内注入冷水，并在浇筑砼表面蓄水，使各散热管内水与承台表面水连通，形成对流养生。

5）砼罐车外部淋水降温，以降低砼入模温度，同时适度降低砼浇筑速度。规定合理的拆模时间，进行表面保温，以免砼表面发生急剧的温度梯度。

6）为了与砼生产量相匹配采用两组拌合站供料。一是牛栏江拌合站230m，二是小石桥拌合站9km，合计平均最小产量约35m3/h，按“斜面分层、薄面浇筑、连续推进、一次到顶”原则进行砼浇筑，以保证砼浇筑质量。

7）严格控制钢筋加工制作与模板安装质量，从而保证砼的浇筑结构质量。因主墩承台259.6 T钢筋，墩身预埋17.2 T钢筋，钢材用量较大，需认真进行钢筋加工制作与安装，同时钢筋架设、模板支撑要牢固，模板刚度应满足规范要求，避免施工荷载造成钢筋严重下沉及倾斜现象发生，施工中本着经济、安全、质量第一的原则，采用如下措施：（1）承台内部钢筋用Φ28交叉加固；（2）墩身四周用L100×10的等边角钢伸入承台底部，在承台内部角钢之间用8根角钢对角边接；（3）在承台之上，每2.5m加设角钢一圈，一直至承台之上墩身10m处，一共5圈。

8）加强砼振捣

因砼振捣越密实越不易开裂，为此设置插入式振捣器10台，振动工作面24h轮流值班，各部位责任到人，各行其事，各负其责，严防漏振。

振荡器移动间距，与侧模的距离及插入下层砼深度必须满足规范要求，避免振动棒碰撞模板、钢筋及其他预埋件，对每一振动部位必须振动到砼停止下沉不再冒出气泡、表面呈现平坦、泛浆为止。同时检查支架、模板、钢筋和预埋件等稳固情况，当发现有松动、变形、移位时，应及时处理。

9）前期砼表面保温养护

砼的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。砼的早期养护，主要目的在于保持适宜的温湿条件，以达到两个方面的效果，一方面使砼免受不利温、湿度变形的侵袭，防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行，以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。在砼浇筑完毕收浆后尽快予以覆盖和洒水养护。表面砼和空气接触温度较中心温度低，故表面砼采用麻袋和塑料布覆盖洒水保温，覆盖时不得损伤或污染砼的表面，并使模板在养护期间经常保持湿润。每d洒水次数以能保证砼表面经常处于湿润状态为度，在砼强度达到2.5MPa之前，严禁行人、运输工具、模板、支架及脚手架在其上面运行和停留。

从理论上分析，新浇砼中所含水分完全可以满足水泥水化的要求。但由于蒸发等原因常引起水分损失，从而推迟或防碍水泥的水化，表面砼最容易而且直接受到这种不利影响。因此砼浇筑后的最初几天是养护的关键时期，在施工中应切实重视起来。

在砼的施工中，一般为了提高模板的周转率，往往要求新浇筑的砼尽早拆模。当砼温度高于气温时应适当考虑拆模时间，以免引起砼表面的早期裂缝。新浇砼早期拆模，在表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。在砼浇筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较气温为高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然引起温度梯度，从而在表面附加一拉应力，与水化热应力迭加，再加上砼干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就有导致裂缝的危险，但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料，如泡沫海棉麻袋等，对于防止砼表面产生过大的拉应力，具有显著的效果。

10）选择适宜温度浇筑砼

主墩两个承台的砼浇筑都选在多云天气开盘浇筑，但浇完后又是晴天，经测砼表面平均温度29.0℃，前三日用麻布口袋覆盖洒水使砼表面湿润，采用前述冷却管注水降温，经测定砼中心平均温度51.1℃，内外温差19.8℃，满足规范要求。三日后保温工作量可适减，同时中心降温工作要加强，因大体积砼温度受浇筑时砼入模温度影响，故也需选择适宜天气施工。