棋盤洲長江大橋北錨碇大體積混凝土溫控防裂技術

張 暉

（中鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司 遼寧大連 116033）

1 引言

棋盤洲長江公路大橋是一座在湖北黃石和黃岡境內跨越長江的特大型單跨吊鋼箱加勁梁懸索橋，橋跨布置為340m＋1 038 m＋305m。黃岡側北錨碇為重力式嵌巖錨，由錨塊、散索鞍支墩擴大基礎、散索鞍支墩等組成。其中錨塊尺寸為60.0 m×35.357 m×33.064 m，混凝土強度設計為C30P12，為大體積混凝土結構。大體積混凝土受內部水化熱溫度過高、內外溫差過大、混凝土降溫過快及內外約束作用等多種因素的影響，易出現早期溫度裂縫，從而影響混凝土結構的整體性及耐久性［1-2］。近年來，隨著我國大跨徑懸索橋數量不斷增加，錨碇混凝土澆筑方量也不斷增大，對錨碇大體積混凝土溫度裂縫的控制也提出了更高要求。

棋盤洲長江大橋錨塊大體積混凝土施工和溫控的特點：（1）混凝土方量巨大（41 811m3），工期持續時間長，歷經一年中的最高溫季節和低溫季節。高溫季節混凝土澆筑溫度控制難，低溫季節混凝土外表面保溫難且內表溫差不易控制。（2）錨塊斷面尺寸巨大，需分成15層進行施工，一旦層間澆筑間歇期過長，先澆層將對后澆層產生較大約束。（3）錨塊長寬比接近2∶1，長寬方向變形不一致，易于長邊中間部位開裂。為了防止錨塊大體積混凝土的溫度裂縫，有必要對錨塊大體積混凝土進行配合比優化設計、溫控設計和溫度控制，以達到降低混凝土水化熱溫升，減小混凝土內部溫度、內表溫差、溫度應力及約束條件等作用在結構內部產生的熱效應［3-5］。

2 錨碇大體積混凝土配合比優化設計

對于大體積混凝土，若混凝土配合比中水泥用量過大，則水泥水化產生的水化熱溫升也高，一旦內表溫差超過25℃，則易引起溫度裂縫。因此，合理的配合比設計是大體積混凝土溫度控制中非常重要的環節［6-7］。北錨塊大體積混凝土配合比按如下原則進行優化設計：

（1）采用大摻量粉煤灰與礦粉兩種礦物摻合料復摻方式代替水泥。粉煤灰和礦粉的摻入降低了水泥用量，降低了水化熱溫升。粉煤灰的摻入在大幅降低水化熱的同時也可改善混凝土的可泵性，但摻入過多會影響混凝土的早期強度和抗碳化性能。而礦粉較粉煤灰活性高，可以在早期參與水化，提高混凝土的早期強度，對抗碳化性能的不利影響也小于粉煤灰［8］。所以二者采用一定比例的復摻方式最為適宜。

（2）控制C30混凝土水膠比不超過0.40，降低最大用水量，以提高混凝土的抗滲和抗碳化耐久性。

（3）選用級配與粒形好的砂石集料，獲取最大堆積密度和最小空隙率，達到減少膠凝材料漿體用量、降低砂率、增加碎石用量從而降低混凝土收縮變形的目的。

（4）摻用超緩凝高性能聚羧酸減水劑，延長混凝土緩凝時間以推遲并削弱溫峰。大體積混凝土的初凝時間在高溫期施工要求為30～35 h，在常溫期要求為25～30 h。

基于上述原則，棋盤洲長江大橋錨塊大體積混凝土選用的原材料如下：水泥選用P.O42.5水泥；粉煤灰選用F類Ⅰ級粉煤灰；礦粉選用S95礦粉，比表面積 425 m2/kg，7 d、28 d膠砂活性指數分別為80%、97%；碎石選用5～31.5 mm三級配石灰巖碎石，4.75～9.5 mm、9.5～19 mm與19～31.5 mm碎石按2∶5∶3搭配，壓碎值17.9%，針片狀顆粒含量2.7%，含泥量0.6%，泥塊含量0.1%；河砂為Ⅱ區級配中砂，細度模數2.82，含泥量1.1%，泥塊含量0.2%；減水劑為超緩凝型聚羧酸高性能減水劑，減水率26%。另外，為增強錨塊混凝土的抗滲防水性，在混凝土中還摻用了一種新型材料——抗滲劑（粉劑）；針對錨塊分層澆筑時其分層澆筑面和永久暴露面的混凝土更易開裂的特點，在分層澆筑面和永久暴露面30 cm厚的混凝土中摻加了聚丙烯單絲纖維，纖維密度0.91 g/cm3，長度12.3 mm，直徑17.5μm。

錨塊大體積混凝土配合比設計見表1，物理力學性能測試結果見表2。

表1 錨碇C30大體積混凝土配合比

表2 錨碇C30大體積混凝土性能試驗結果

3 錨碇大體積混凝土溫控設計

3.1 仿真計算

錨塊尺寸為60.0m×35.357m×33.064m，錨塊水平分2塊（中間設2 m寬后澆帶），豎向分15層，澆筑厚度為2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×8＋2.864 m。冷卻水管按水平管間距×豎直管間距＝100 cm×100 cm布設。根據結構對稱性，取錨塊混凝土1/2（單幅）進行溫度應力計算。計算結果見表3，內部最高溫度包絡圖見圖1。

圖1 錨塊混凝土內部最高溫度包絡圖（單位：℃）

一般從兩方面對大體積混凝土抗裂安全性進行評價：一是特征溫度控制值如入模溫度、內部最高溫度及內表溫差等，可將混凝土溫度仿真計算值與相關規范、規程的規定值進行對比分析；另一方面是抗裂保證率，可間接通過抗裂安全系數（劈裂抗拉強度試驗值與對應齡期溫度應力計算最大值之比）的控制標準進行評價。本工程大體積混凝土溫度應力抗裂安全系數取值不小于1.4［9］。

由表3可知，溫峰及最大內表溫差出現時間約為澆筑后第3 d，內部最高溫度計算值為49.6～62℃，滿足《公路橋涵施工技術規范》（JTG/T F50-2011）“大體積混凝土內部最高溫度不應大于75℃”的規定；內表溫差計算值為18.8～22.5℃，滿足《公路橋涵施工技術規范》（JTGT F50-2011）“大體積混凝土內表溫差應控制在25℃以內”的規定。錨塊各層的最小抗裂安全系數為1.50，符合抗裂安全系數≥1.4的評價標準。

表3 錨塊溫度及應力計算結果

3.2 溫控標準

溫度控制的方法和制度需根據氣溫、混凝土配合比、結構尺寸、約束情況等具體條件確定。并設置主控標準進行嚴格管控，設置參考標準對混凝土溫度發展進行輔助評價。根據仿真計算結果并結合本工程實際情況，對錨碇大體積混凝土施工制定的溫控標準見表4、表5。

表4 錨塊大體積混凝土溫控標準主要指標

表5 錨塊大體積混凝土溫控標準參考指標 ℃

4 錨碇大體積混凝土溫控防裂措施

在北錨塊大體積混凝土施工中，從混凝土的拌和、運輸、澆筑、振搗到通水、養護、保溫等全過程實行了嚴格控制，特別是對混凝土的分層分塊、混凝土入模溫度、澆筑間歇期、通水冷卻和養護等進行了有效監控，以達到控制混凝土澆筑質量、混凝土內部最高溫度、混凝土內表溫差、構件表面及結合面的約束應力［10-12］，從而控制溫度裂縫形成及發展的目的。

4.1 混凝土澆筑分層、分塊控制

錨塊分層分塊依據如下：（1）考慮預埋件埋設位置；（2）考慮混凝土單次澆筑能力；（3）分層面盡量避開變截面；（4）盡量減薄分層以控制混凝土水化熱溫升。北錨塊水平分2塊，中間設2 m寬后澆帶，左右幅又各分15層（次）澆筑，澆筑分層厚度為：2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×2＋1.9 m＋2.2 m×8＋2.864 m。

4.2 混凝土入模溫度控制

北錨塊大體積混凝土分30個澆筑塊于2017年12月至2018年10月先后施工，經歷冬季低溫和夏季高溫施工。在夏季高溫季節，為降低混凝土的入模溫度，采取一系列措施降低原材料溫度，包括通過提前備料將水泥和礦粉溫度降低至60℃以下、砂石骨料搭設遮陽棚、粗骨料采用深層江水沖淋降溫至30℃以下、拌和水中加入一定數量的塊冰或碎冰將水溫降低至10℃以下等。冬季低溫季節施工，則通過采用電熱棒加熱水池中的拌和水至15～25℃、罐車筒體采用帆布包裹等措施提高混凝土的入模溫度，以降低混凝土受凍風險。

通過采用以上原材料溫度控制措施，北錨塊各層混凝土入模溫度為6～30℃，基本符合溫控標準對各個澆筑層的入模溫度≥5℃（冬季）、≤28℃（夏季）的要求。

4.3 冷卻水的布設及使用控制

錨塊每澆筑層布設2層冷卻水管（第15層布設1層冷卻水管），水平管間距為100 cm，2.2 m澆筑高度豎向管間距為100 cm，1.9 m澆筑高度豎向管間距為90 cm；水管距離混凝土側面50～102.7 cm不等，距離混凝土頂、底面50～60 cm。單層1～6套水管，每套水管設置一個進出水口，管長小于200 m。冷卻水管采用φ42×2.5 mm鐵皮管制作，管與管之間通過螺紋絲扣＋生膠帶緊密連接。水管懸空部分焊接豎立筋對其進行固定。

冷卻水經循環水箱流出，經過水泵增壓流入分水器，分水器分水至每層冷卻管，水通過冷卻管流出至循環水箱，形成一個循環。同時不斷從江中抽水至水箱，保證循環用水量及調節水溫，使冷卻水進水溫度與混凝土內部最高溫度之差小于25℃。

現場溫度監測結果顯示，北錨塊各層水管的進水溫度在12～43℃之間（冬季初始進水溫度低，夏季初始進水溫度高），出水溫度在18～51℃之間，進出水溫之差在0～10℃之間，符合進出水溫差不大于10℃的溫控標準。

4.4 混凝土澆筑工藝控制

錨塊混凝土澆筑采用2臺地泵＋布料機進行布料?；炷练謱硬剂?，分層厚度約30～40 cm，采用50mm插入式振搗器振搗密實。澆筑時，由四周向中心布料，且始終保持周邊混凝土高度略高，并加強邊角處振搗，以避免膠凝材料漿體長距離流動并堆積在四周而產生較大溫度應力及收縮應力從而增大混凝土側面和邊角開裂風險。為防止大摻量粉煤灰礦粉混凝土出現浮漿，施工中嚴控混凝土拌合物的入模坍落度為（180±20）mm。當澆筑最后一層30 cm混凝土時，混凝土拌合物中摻入0.75 kg/m3的聚丙烯單絲纖維進行輔助防裂阻裂，并將混凝土坍落度調低至180 mm以下。

4.5 混凝土保溫保濕養護控制

北錨塊施工跨度時間較長，經歷了冬季低溫和夏季高溫季節，氣溫變化大，養護較復雜。低溫季節的養護以保溫為主，養護材料采用塑料薄膜＋土工布＋棉被＋防雨布；高溫季節的養護以保濕為主，覆蓋塑料薄膜＋土工布＋灑水進行保濕養護。常溫季節的養護兼顧保溫與保濕，養護材料采用土工布＋彩條布或覆蓋塑料薄膜＋土工布并灑水保濕。

不同氣溫條件采取不一樣的養護措施，達到了通過加強混凝土保溫養護降低混凝土內表溫差、加強混凝土保濕養護保證混凝土強度正常發展與減少混凝土干縮之目的，防止了混凝土表面裂縫的產生。

4.6 澆筑間歇期控制

混凝土澆筑后會產生一定的溫度收縮和干燥收縮變形，如該變形受到下層混凝土的固結約束，且約束引起的拉應力超過了混凝土相應齡期的抗拉強度則會產生裂縫。控制澆筑間歇期的主要目的是降低新老混凝土結合面約束，避免結合面應力集中，從而降低混凝土開裂風險。錨塊混凝土各層的澆筑間歇期基本控制在7～10 d范圍，最長不超過14 d。

5 錨碇大體積混凝土溫度現場監測結果與分析

根據結構對稱性的特點，選取結構的1/4塊布置測點。根據溫度場的分布規律及冷卻水管的布設高度，對高度方向的溫度測點間距做適當調整。充分考慮溫控指標的測評，溫度測點包括表面溫度測點（在構件中心部位短邊、長邊中心線表面以下5 cm布置）及內部測溫點（布置在構件中心處）。本工程對錨塊左右幅共30個澆筑層均進行了溫度監測，僅就兩個典型澆筑層的溫度監測結果進行分析。

5.1 冬季施工典型澆筑層溫度發展情況

左幅錨塊第一層混凝土于2017年12月30日澆筑。監測數據如表6所示，混凝土溫度特征值發展歷時曲線如圖2所示?？梢钥闯觯瑴y點監測區域混凝土于澆筑后15～20 h開始升溫，于106 h達到溫峰，內部最高溫度為45.3℃，符合≤65℃的溫控標準；混凝土最大內表溫差為17.0℃，符合≤25℃的溫控標準；溫峰后降溫速率為1.5～2.0℃/d，符合≤2.0℃/d的溫控標準。

表6 左幅錨塊第一層混凝土溫度特征值監測數據

圖2 左幅錨塊第一層混凝土溫度特征值歷時曲線

5.2 夏季施工典型澆筑層溫度發展情況

右幅錨塊第七層混凝土于2018年6月24日澆筑?；炷恋臏囟缺O測數據如表7所示，混凝土溫度特征值發展歷時曲線如圖3所示?？梢钥闯觯瑴y點監測區域混凝土于澆筑后19～23 h開始升溫，于71 h達到溫峰，內部最高溫度60.8℃，符合≤65℃的控制標準；受基巖和木模板圍護影響，混凝土表面溫度發展平穩，最大內表溫差為13℃，符合≤25℃的溫控標準；溫峰后混凝土溫度緩慢下降，降溫速率為0.9～2.5℃/d，部分時段超出≤2.0℃/d的溫控標準。分析其原因是受基巖溫度較低以及后錨室散熱面比較大的影響所致，后期經冷卻水管水流量和進水水溫調整使降溫速率控制在2.0℃/d以內。

表7 右幅錨塊第七層混凝土溫度特征值監測數據

圖3 右幅錨塊第七層混凝土溫度特征值歷時曲線

6 結論

棋盤洲長江公路大橋北錨碇大體積混凝土于2017年12月30日開始澆筑，于2018年10月3日結束，歷時274 d。工程實踐表明，采用上述方法和措施，混凝土內部最高溫度和內表溫差得到有效控制，施工質量良好，沒有出現有害的溫度裂縫，達到了預期的溫控目標。通過本工程大體積混凝土溫控實踐，得到結論如下：

（1）大體積混凝土配合比設計優化較為關鍵。采用大摻量粉煤灰和礦粉替代水泥，較大限度降低了水泥用量，從源頭上控制了大體積混凝土水化放熱，有效地削減了混凝土內部最高溫度峰值，并通過選用超緩凝型聚羧酸高性能減水劑，延緩了溫峰出現時間。

（2）結合錨碇結構與施工特點，通過對錨碇大體積混凝土溫度場和應力場的仿真計算分析，制定出不發生溫度裂縫的溫控標準和切實可行、經濟有效的溫控防裂措施，并編制大體積混凝土溫控方案，對大體積混凝土的施工控制非常重要。

（3）錨塊大體積混凝土合理分塊、分層澆筑，降低混凝土入模溫度、管控好水管冷卻、根據外界環境氣溫變化合理調整養護方式，縮短層間澆筑間歇期等，均是行之有效的溫控措施。

（4）現場溫度監控既是對理論計算的驗證，也為溫控施工措施的調整優化提供正確的指導和依據?，F場溫度監測結果與計算結果較為吻合，且滿足溫控標準。