基于海洋環(huán)境的大體積水工混凝土施工技術(shù)分析

李樹國

(盤錦市盤山縣農(nóng)業(yè)水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 盤錦 124000)

近年來，橋梁技術(shù)的研究應(yīng)用在一定程度上促進了海上橋梁工程的不斷發(fā)展，特別是在大型橋梁結(jié)構(gòu)中大體積混凝土承臺的使用越來越多。海洋環(huán)境下的施工條件比較惡劣，如材料轉(zhuǎn)運困難、風(fēng)速快、晝夜溫差大、混凝土表面抗裂能力差、海水腐蝕性強等，施工過程中大體積承臺混凝土極易產(chǎn)生各種裂縫。

按照不同成因，可以將裂縫劃分成溫度收縮和干燥收縮兩種裂縫類型，其中混凝土內(nèi)部與表層拉應(yīng)力是形成溫度收縮裂縫的主要原因[1]。具體而言，內(nèi)部溫降受到基礎(chǔ)約束會產(chǎn)生混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力，而內(nèi)表溫差形成的自約束會產(chǎn)生混凝土表層拉應(yīng)力。混凝土出現(xiàn)淺層裂縫和表面裂縫后外界的酸堿、空氣等侵蝕性介質(zhì)會腐蝕鋼筋，鋼筋發(fā)生銹蝕后體積會變大，并進一步加速裂縫的發(fā)展，這種惡性循環(huán)致使鋼筋被徹底腐蝕掉，混凝土耐久性嚴(yán)重降低。一般地，貫穿或深層裂縫不僅會影響工程結(jié)構(gòu)的整體受力，直接破壞結(jié)構(gòu)完整性，還會導(dǎo)致混凝土耐久性的降低。因此，裂縫控制直接決定了海洋環(huán)境下大體積水工混凝土質(zhì)量，對于維持工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定運行極為重要[2]。鑒于此，文章以盤錦遼東灣大橋為例，在詳細(xì)分析裂縫成因的基礎(chǔ)上擬定溫度監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，并考慮實際情況提出相應(yīng)的裂縫控制對策，施工過程中未發(fā)現(xiàn)混凝土裂縫，溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)正常達到了較好的防裂效果。

1 工程概況

盤錦遼東灣大橋工程分為引橋(現(xiàn)澆普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋梁)+主橋(單塔斜拉橋)的東橋和引橋(現(xiàn)澆普通預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)橋)+主橋(系桿拱橋)的中橋兩座橋梁。橋位區(qū)屬遼河口三角洲濱海地帶，經(jīng)人工吹填地勢開闊、平坦，地下水與海水密切相關(guān)，海水潮汐作用對地下水位影響較大，場地范圍內(nèi)鉆探揭露地下水埋深1.65-3.30m。設(shè)計主墩索塔為規(guī)格相同的3個承臺，承臺形式用整體式六邊形，厚度6.0m，外輪廓縱向32.0m，橫向51.0m。工程選用C40水工混凝土，分兩次澆筑，第一次、第二次澆筑厚度2.0m和4.5m，澆筑總方量8960.52m3。

2 大體積水工混凝土施工技術(shù)

2.1 溫度監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

考慮工程實際情況和溫度裂縫成因，混凝土開裂受降溫速率、內(nèi)表溫差和內(nèi)部最高溫度的影響較大。施工過程中應(yīng)采取有效措施，促使溫度變化不超過標(biāo)準(zhǔn)要求，確?；炷量估瓘姸冗_到溫度應(yīng)力要求。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)合理擬定大體積混凝土溫度監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

表1 溫度監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)

2.2 裂縫控制措施

2.2.1 優(yōu)化設(shè)計配合比

通過多次試驗比選水膠比、粉煤灰摻量等參數(shù)，以混凝土抗拉性能好、水化熱峰值出現(xiàn)時間晚、峰值低為指標(biāo)優(yōu)化配合比，以實現(xiàn)絕熱溫升值的有效控制。其中，C40水工混凝土的絕熱溫升值(7d)只有36.7℃，粉料的單位散熱量350kJ，混凝土配合比為水：水泥∶礦粉∶粉煤灰∶砂∶碎石∶阻銹劑∶減水劑=125∶128∶136∶155∶732：1100∶25：4.2。

2.2.2 優(yōu)選原材料

采用渾河P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水化熱指標(biāo)及化學(xué)成分符合相關(guān)要求，細(xì)度適中，有效避免了早期發(fā)熱過快、水泥細(xì)度過小等不利因素影響。粗骨料選用粒徑5-25mm級配的人工碎石，細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.8的天然河砂，所用骨料具有較低的熱脹系數(shù)并且沒有堿活性。粉煤灰選用綏中電廠生產(chǎn)的F類Ⅰ級灰，其需水量比為102%，燒失量不超過5%，各項性能穩(wěn)定且組分均勻。為減少用水量以及改善混凝土和易性、耐久性，有效控制絕熱溫升，將適量SBT?-ZX(Ⅴ)復(fù)合氨基醇阻銹劑和PCA?-Ⅳ聚羧酸減縮、抗裂減水劑摻入混凝土中，其減水率達到20%以上。

2.2.3 降低入模溫度

夏季高溫情況下大體積混凝土的重要溫控措施是盡可能地降低入模溫度，對于傳熱邊界條件及混凝土配合比一定的條件下，入模溫度越高則混凝土溫度峰值越高，由此形成的溫度應(yīng)力、溫度變化及內(nèi)外溫差就越大。另外，混凝土入模溫度越高則水化反應(yīng)速率越快，初期釋放出絕大部分水化熱，導(dǎo)致早期彈性模量和強度快速增長，不利于溫度控制。

拌合水和骨料用量占混凝土配比高達81%，故降低混凝土出機溫度最經(jīng)濟可行且最為有效的途徑是降低拌合水和骨料溫度。澆筑之前，試驗人員要仔細(xì)檢查拌合水及骨料溫度，澆筑過程中及時關(guān)注溫度變化，為確保混凝土入模溫度每4h抽查一次材料溫度，其主要措施如下：

1)粗細(xì)骨料控制。對砂、石等原材料實行側(cè)面遮擋+頂蓋防曬存儲措施，夏季高溫時段可以采取噴灑冰水降溫措施，控制砂石料實測溫度≤25℃，局部最高溫度達到26.1℃。

2)水泥控制。正式開工前提前做好原材料儲備工作，經(jīng)充分放置冷卻后實測水泥溫度處于37～40℃范圍，實測粉煤灰溫度29～32℃，符合≤60℃的溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。工程中，原材料實際溫度和混凝土入模溫度均達到較好控制，實測結(jié)果見表2。

3)拌合水控制。實際工程中選用拌合船施工，較陸地拌合站而言拌合船加冰的成本較高，操作難度較大，并且拌合船水倉加冰后周圍機器散熱較大，水溫上升較快難以達到理想降溫效果。因此，可以由冰水船直接供應(yīng)拌合船拌合水，控制水溫處于5～15℃范圍，水溫超過16℃時更換冰水船，控制拌合水溫度≤15℃。

2.2.4 使用聚苯板材料

因晝夜溫差和風(fēng)速較大致使混凝土表面具有較快的散熱速度，若保持表面溫度不低于50℃則內(nèi)表溫差將明顯增大，從而形成溫度收縮裂縫。因此，為防止表面溫度過低有效控制內(nèi)表溫差，采用聚苯板對混凝土表面做保溫處理。首先，將一層塑料薄膜鋪設(shè)于承臺頂面，達到保濕的作用，然后鋪設(shè)一層土工布和一層聚苯板，達到保溫的作用。通過保溫保濕處理混凝土表面最高溫度可接近50℃，取得較好的保溫效果，內(nèi)表溫差得到有效控制。

2.2.5 縮短層間施工間歇

溫降階段下部的基礎(chǔ)會對承臺混凝土收縮產(chǎn)生約束，這使得混凝土極易產(chǎn)生貫穿裂縫，破壞結(jié)構(gòu)整體性。為有效控制這種裂縫的形成，通過優(yōu)化施工工藝、增加人員和機械投入等措施，采取后場預(yù)制勁性骨架和現(xiàn)場整體吊裝的方式有效縮短層間間歇?？刂频谝?、第二層承臺施工間歇不超過30d的規(guī)范要求，實際施工間歇只有18d。通過縮減層間施工間歇促使上、下層混凝土的彈性模量相差不宜過大，最大程度地維持上、下層混凝土同步收縮，有效減小收縮過程中上層混凝土的收縮拉應(yīng)力及其開裂風(fēng)險。

2.2.6 設(shè)計冷卻水管

冷卻水管布設(shè)使用時，最高可以降低混凝土內(nèi)部溫度6～10℃，有利于控制內(nèi)表溫差。冷卻水管壁厚3.0mm，直徑40mm，布置方式為S形，控制冷卻水管的單條回路總長在200m以內(nèi)。上下層之間冷卻水管交替布置，水平、層間間距均為1m，控制流量1.2m3/h，進水溫度20℃。通過采取表面保溫措施，充分利用水化熱來減少內(nèi)表溫差，混凝土頂面離冷卻水管的間距≥1m。

混凝土通水一層、覆蓋一層，為保證升溫階段的降溫效果控制冷卻水流量為1.2m3/h，要考慮內(nèi)部降溫情況及時調(diào)整降溫階段的冷卻水流量。具體而言，降溫速率低于0.1℃/h時應(yīng)增大流量以降低冷卻水溫度，降溫速率超過0.1℃/h時應(yīng)減小流量以控制內(nèi)部溫降速率。

2.2.7 表面二次收面

施工現(xiàn)場風(fēng)速較大使得混凝土表面快速失水，為防止干燥收縮裂縫的出現(xiàn)，對承臺頂面實施二次收面處理，即在澆筑完成后、初凝前實行二次或三次抹面，通過二次收面施工工藝有效控制初凝前干燥收縮裂縫的形成，收面完成后還要及時覆蓋塑料薄膜，達到保濕養(yǎng)護的作用。

3 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為準(zhǔn)確獲取內(nèi)部溫度變化數(shù)據(jù)，在承臺混凝土澆筑前將溫度監(jiān)測系統(tǒng)埋設(shè)于內(nèi)部，該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)傳輸模塊、采集模塊和溫度傳感器所組成[15-17]。其中，溫度傳感器可以有效反應(yīng)混凝土內(nèi)表溫差和內(nèi)部降溫速率，一般布設(shè)于承擔(dān)對稱軸線上，監(jiān)測結(jié)果見圖1、圖2，詳見表3。

表3 混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測結(jié)果

從圖1可以看出，第一層承臺混凝土的內(nèi)表溫差最大值達到24.0℃，24h內(nèi)中心溫度達到峰值56.8℃，降溫速率整體處于0.1℃/h以下，其符合溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。從圖2可以看出，第二層承臺混凝土的內(nèi)表溫差最大值達到27.1℃，48h內(nèi)中心溫度達到峰值67.5℃，降溫速率整體處于0.1℃/h以下，也符合溫控標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 論

海洋環(huán)境下，混凝土裂縫會造成嚴(yán)重的工程質(zhì)量問題，甚至帶來巨大的經(jīng)濟損失，必須嚴(yán)格控制混凝土裂縫。文章以盤錦遼東灣大橋為例，詳細(xì)分析了溫度應(yīng)力開裂和收縮開裂等引起大體積混凝土開裂的主要原因，并結(jié)合開裂成因明確了溫控指標(biāo)，規(guī)定了降溫速率、內(nèi)表溫差和混凝土絕熱溫升等。針對溫度應(yīng)力裂縫提出使用聚苯板保溫材料、預(yù)埋冷卻水管、優(yōu)化配合比、優(yōu)選原材料、縮短層間間歇期和降低入模溫度等解決方法，為有效控制收縮裂縫提出保濕養(yǎng)護和二次收面施工工藝。通過采取有效的措施，有效控制了混凝土裂縫的形成，改善了水工結(jié)構(gòu)的耐久性、防腐蝕性和防水性能，研究成果可以為海洋環(huán)境下水工結(jié)構(gòu)防裂控制和施工質(zhì)量提供一定技術(shù)借鑒。