深中通道現澆墩身大體積混凝土裂縫控制技術

王康臣，徐文，謝彪，吳玲正，鄒威，夏豐勇

（1.廣東省公路建設有限公司，廣東 廣州 510600；2.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211103；3.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 211103；4.深中通道管理中心，廣東 中山 528400）

1 工程概況

深中通道是繼港珠澳大橋之后，我國的又一世界級跨海通道集群工程，深中通道地處珠江中游核心區域，位于虎門大橋與港珠澳大橋之間，連接深圳與中山市、江門市等地，全長約24 km，由橋、島、隧、水下互通組成，其通航主橋伶仃洋大橋有著1666 m 的特大跨度[1-2]，未來有望成為全球最高海中大橋，而非通航孔橋段也包括高度從幾米至上百米不等的大量墩身結構，身處外海域作業環境，墩身施工風險和難度也是極大。墩身為鋼筋混凝土現澆結構，墩形普遍采用變截面的六邊形實心結構，對比不同橋梁標段墩身結構尺寸，外形尺寸比例差別不大，因此選取具有代表性的西泄洪區34#墩進行分析和研究。

典型橋墩34#墩身高56.867 m，平面尺寸為[4 m（順橋向）×12.062 m（橫橋向）]～[3.33 m（順橋向）×8 m（橫橋向）]，四周倒角從0.503 m 變換到0.333 m，墩身標準澆筑節段為6 m，底部0.367 m 和承臺一起澆筑，上部墩身6 m×9+2.5 m 十層澆筑，結構示意如圖1所示。墩身混凝土設計強度等級為C50，混凝土配合比中礦物摻合料摻量高，且礦粉占膠凝材料比例大，混凝土絕熱溫升高，同時，工程區域地處海洋環境，伴有季節性強降雨及冷擊天氣，若混凝土各方面溫度控制不當，混凝土極易因內部溫度應力過大而導致結構開裂[3-5]，且不同季節相對濕度變化大，干燥收縮相對較大，這也進一步增大墩身結構開裂風險。因此，根據數值模擬計算及有限元分析結果，并經過墩身足尺模型試驗驗證實際施工工況，依據試驗結果針對性地進行試驗方案優化，制定科學合理有效的大體積混凝土控裂措施對保障大體積混凝土順利施工至關重要。

圖1 墩身結構示意

2 結構混凝土開裂風險評估

2.1 開裂風險系數定義

開裂風險系數采用結構混凝土主拉應力與極限抗拉強度之比表示，具體定義為：

式中：σ（t）——t時刻混凝土的最大拉應力，MPa；

f（tt）——t時刻混凝土的抗拉強度，MPa。

混凝土開裂風險評判準則：一般認為η＞1.0 時，混凝土一定會開裂；考慮材料性能的波動性，認為0.7＜η＜1.0 時，混凝土存在較大的開裂風險；η＜0.7 時，混凝土基本不會開裂。

2.2 開裂風險評估

多因素耦合作用下的大體積混凝土裂縫控制研究已成為一項重要的研究課題[6-7]，本工程現澆墩身結構具有強度等級高、一次性澆筑方量大、橫截面大、先澆混凝土對后澆混凝土約束大、內部溫升高并且工程所處氣候環境復雜等特點，總體開裂風險較高。本工程通過建立混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多場耦合機制與模型[8]，更準確地反映大體積混凝土開裂風險，對墩身結構的溫度、應力場及開裂風險進行計算，根據計算結果完善墩身大體積混凝土裂縫控制方案。

結合現場情況，選取基本工況如下，模板類型為鋼模板，入模溫度28 ℃，環境溫度25 ℃，承臺與第1 層澆筑時間間隔5 d，上表面蓄水保溫。由于墩身為分節段澆筑，現選取外約束最大的第1 層進行數值模擬計算，主要計算采用冷卻水管以及不采用冷卻水管的2種工況條件。混凝土配合比見表1，水泥為中材亨達P·Ⅱ42.5、粉煤灰為國電泰州F 類Ⅰ級、礦粉為唐山曹妃甸S95 級、砂為清遠北江細度模數2.6 中砂、石子為開平市錦興5～20 mm 碎石（表觀密度2670 kg/m3）、減水劑為蘇博特緩凝型HPW R-R 高性能減水劑（減水率27.3%，總摻量占膠凝材料質量的1.0%）、阻銹劑為江蘇蘇博特新材料有限公司復合氨基醇類阻銹劑?；炷凉ぷ餍阅芗傲W性能實測結果見表2。物理熱學參數、線膨脹系數、泊松比根據經驗取值，絕熱溫升、自收縮（“-”代表收縮、“+”代表膨脹）、抗拉強度、彈性模量根據數值計算取值如圖2所示。

表1 C50 墩身大體積混凝土的配合比 kg/m3

表2 墩身混凝土實測工作性及力學性能

圖2 計算取值參數

使用結構混凝土開裂風險評估分析系統，并結合ANSYS數值分析軟件對本工程墩身大體積混凝土結構進行數值模擬分析，圖3 為墩身第1 層不布設冷卻水管工況的計算結果。

由圖3（a）可知，不布設冷卻水管時，混凝土內部最高溫度達75.7 ℃，內表溫差超過25 ℃，若考慮原材料以及施工措施等波動因素，中心溫度及內表溫度很容易進一步增高。由圖3（b）可知，墩身下部由于受到承臺強約束作用，最大開裂風險系數超過1.0，開裂風險極高，而中心位置最大開裂風險系數也接近0.8，中心部位也存在較大的開裂風險。由圖3（c）可知，墩身上表面和側表面2.5～3.5 d 時結構開裂風險系數達到峰值，均超過1.0，開裂風險極大，墩身上表及側表面混凝土一定會開裂。同時結合圖3（d）～（f）不同齡期墩身溫度應力分布可知，澆筑層混凝土早期膨脹，5 d 內應力發展較快，且側表及上表面倒角部位應力集中現象明顯，早期混凝土開裂風險極大，隨著齡期的增長有部分應力有由表面向內部逐漸轉移和發展的趨勢，若表層裂縫向內延伸，將極大的降低混凝土在服役期內的工作和耐久性能。

圖3 墩身第1 層不布設冷卻水管工況的計算結果

圖4 為墩身第1 層布設冷卻水管工況的計算結果。

圖4 墩身第1 層布設冷卻水管工況的計算結果

由圖4（a）可知，布設冷卻水管明顯降低了墩身中心的最高溫度以及內表溫度差，中心最高溫度為62.9 ℃，混凝土內部溫差始終小于15.0 ℃，冷卻水管溫度調控效果明顯。由圖4（b）可知，混凝土中心開裂風險系數始終小于0.7，中心基本不會開裂，而開裂風險最大的下部開裂風險系數也能控制在0.7內，但富余系數不夠，后期施工過程中仍然需要注意強化溫控及保溫等事項，總體來看，布設冷卻水管控裂方案效果明顯。由圖4（c）可知，墩身上表面和側表面2.0～2.5 d 時混凝土開裂風險系數達到峰值，側表面及上表面開裂風險系數始終小于0.7，基本不會開裂，但富余系數不足，即使鋪設冷卻水管，依然還需要進一步強化表面保溫措施。同時結合圖4（d）～（f）墩身早期內部溫度場以及2 d、60 d 應力場分布可知，布設冷卻水管對于早期溫控作用明顯，澆筑層混凝土早期呈膨脹狀態，且由內外溫差而引起的拉應力在3 d 內發展較快，拉應力早期主要集中在結構上表面和側表面，但應力作用明顯降低，溫峰后混凝土呈逐漸收縮狀態，混凝土表層的拉應力逐漸開始向內部轉移，通過計算分析，設置冷卻水管對于墩身大體積混凝土控裂效果明顯。

3 足尺墩身模型試驗

通過模型計算分析，冷卻水管控裂效果明顯，因此后續墩身澆筑采用鋪設冷卻水管的溫控工藝，并在實體結構施工前通過足尺墩身模型試驗驗證和完善大體積混凝土控裂方案。

試驗足尺墩身大體積混凝土澆筑高度3.0 m，采用C50 混凝土，澆筑總量約137 m3，配合比見表1?；炷羶仍O3 層冷卻水管，冷卻水管均垂直于縱橋向布設，水管水平間距100 cm，垂直間距100 cm，水管距離上下表面50 cm，距離模板側面不小于50 cm，墩身大體積混凝土控裂技術主要指標見表3。

表3 墩身大體積混凝土裂縫控制關鍵施工技術指標

溫控數據如圖5所示。

由圖5 可見，混凝土的入模溫度為29.1 ℃，略高于≤28 ℃的控制標準，這可能是由于運輸時間及泵送摩擦所致，后期還需要繼續優化以控制入模溫度?；炷林行淖罡邷囟冗_77.4℃，不符合≤75 ℃的控制標準，膠凝材料水化熱高于預期，混凝土緩凝時間偏短，測點在混凝土澆筑覆蓋后26～29 h 即達到溫峰值。后期溫降過程中實際最大溫降速率達4.7 ℃/d，超過控制要求的≤2.0 ℃/d。除上述指標外，其他指標滿足要求。拆模后墩身模型并未發現裂縫，但在第2 天構件表面開始出現典型豎向間隔分布的溫度裂縫、裂紋。

通過圖5 分析及現場跟蹤，發現受海上作業場地空間所限，冷卻循環水箱容量較小，水化溫升期間降溫效率較低，未能充分發揮冷卻水管的最大降溫效果，這也是導致中心混凝土溫度偏高原因之一，因此建議在后續實體結構中，水化溫升期間實時監測水溫變化，勤換水箱中的水，必要時可投入冰塊控溫；另外，水管間距也是影響溫降效率的主要因素之一，縮短水管水平間距能有效提高水管溫降效率，在后續的施工中水管水平間距由1.0 m 調整為0.75 m；而針對中心溫升較快的問題，在后期施工中可適當調整緩凝型聚羧酸減水劑用量進行控制。且按規定時間拆模后，現場養護力度還有繼續提升空間，養護膜及篷布未及時覆蓋，這也是導致構件第2 天出現裂縫的主要原因。另外，考慮到現場目前施工條件，混凝土的溫降速率極難控制≤2 ℃/d，即使能控制，也需要較大的經濟代價，從剛拆模時的表觀并未發現明顯裂縫來看，說明早期隨的抗拉強度已經具有了一定抵抗溫度收縮應力的能力，但海上環境溫度晝夜溫差較大并伴隨有大風，在拆模未及時養護的情況下，此時裂縫容易產生，綜合考慮現場施工條件，溫降速率可適當放寬，但必須強化拆模前后混凝土側表及頂面養護措施，必要時可適當延長拆模時間。

圖5 墩身足尺模型溫度監測曲線

4 現場溫控措施執行情況及裂縫控制效果

根據墩身模型試驗結果并結合現場作業情況，進一步優化大體積混凝土裂縫控制方案，以完善實體墩身施工工藝。根據優化后的控裂方案進行施工，實體墩身結構大體積結構典型溫度曲線如圖6所示。

圖6 墩身大體積混凝土典型溫度曲線

由圖6 可見，混凝土的入模溫度控制在26 ℃左右，約30 h 達到最大溫峰值，內部最高溫度72.6 ℃。雖然降溫速率超過2 ℃/d，但通過強化模板保溫，內表溫差最大值僅12.3 ℃，而其他相關指標基本滿足表3 大體積混凝土裂縫控制的要求。

在墩身實際施工過程中，施工單位對大體積混凝土進行了嚴格的溫控措施，包括控制強化混凝土入模溫度控制、鋪設冷卻水管、監控冷卻循環水溫度及強化墩身保溫保濕等措施，整個施工過程進行實時監測，及時調整，控裂措施基本到位，該墩身從澆筑拆模至今，經過多次現場觀測，均未發現明顯有害裂縫，控裂效果明顯改善。

5 結語

（1）采用基于混凝土“水化-溫度-濕度-約束”多因素耦合機制與模型，結合本工程實際特點，模擬計算設置冷卻水管和不設置冷卻水管2種工況，同時以開裂風險系數評估結構大體積混凝土的開裂風險，依此獲得混凝土裂縫控制參數，對優化和指導工程大體積控裂施工有重要意義。

（2）不設置冷卻水管時，墩身開裂風險極大，通過設置冷卻水管，能有效降低結構開裂風險，但同時也需要加強墩身側表面以及上表面的保溫保濕養護。

（3）通過墩身模型試驗數據結果分析，混凝土入模溫度、最高溫峰值分別超過28 ℃及75 ℃，因此在后期還需強化原材料溫度控制以及冷卻循環水效率，冷卻水管水平間距由1.0 m 調整至0.75 m，且必要時可向循環水箱中加入冰塊控溫。另外，墩身模型內部溫降最大速率達4.7 ℃/d，且裂縫出現時間是在拆模第2 天，因此為避免溫度收縮裂縫產生，拆模后結構外部還需加強的保溫保濕養護。按照優化后的方案實施下，實體結構混凝土入模溫度、最高溫峰值、內外溫差均能滿足設計指標。同時根據現場調研，該方案能有效地減少墩身結構有害裂縫產生，對減少大體積混凝土裂縫產生起到積極作用。