高大塔柱墩柱混凝土的養護

楊義文

(中鐵武漢大橋工程咨詢監理有限公司，湖北 武漢 430000)

1 工程概況

武漢楊泗港長江大橋(以下稱大橋)主橋為雙層公路懸索橋，跨度465 m+1 700 m+465 m。主塔采用鋼筋混凝土門式框架結構，漢陽側主塔全高228.8 m，武昌側塔柱全高240.8 m(見圖1)。

塔柱采用液壓爬模施工，分節高度為6 m，為減輕爬架自重，采用木制工字梁膠合板模板。漢陽側主塔高228.8 m，分39個節段，液壓爬模施工38個節段；武昌側主塔高240.8 m，分41個節段，液壓爬模施工40個節段(見圖2)。塔柱壁厚1.4 m～4.0 m，塔柱鞍座下5.9 m高節段為實心段，塔柱、橫梁均采用C60高性能混凝土，均為高標號大體積混凝土，60 d配制強度70 MPa，基準配合比見表1。

表1 塔柱混凝土配合比

為控制主塔各節段混凝土出現危害性裂縫，對主塔各節段混凝土從混凝土配合比、入模溫度、表面保濕保溫養護、埋設冷卻水管等幾個方面按規范要求采取了措施。其中，針對高空高強大體積混凝土的水化熱升溫降溫與拆模時間的關系特點，對平常容易被忽視和極易出現問題的環節，塔柱節段混凝土保濕保溫養護措施進行了分析和總結。

2 現行高大塔柱、墩柱節段混凝土的養護措施分析

塔柱、墩柱由于其獨特的豎向、立式結構，能夠采取濕養護的面積相對較小，不像混凝土箱梁、路面那樣直觀明了，采取的養護工藝不盡一致，效果千差萬別，養護工藝是否恰當關系到塔、墩柱施工期裂縫的產生。目前常見的混凝土養護方法有：蓄水養護、連續噴霧、濕覆蓋養護、塑料布養護、噴涂養護劑，基本都是對敞露在外的混凝土面進行養護。塔柱由于其敞露在外的混凝土面在養護最關鍵的前7 天只有相對面積很小的節段頂面，其他側面都被模板包裹，此時只能對其頂面進行濕覆蓋養護或者蓄水養護；在側模拆除前要不要對占塔柱節段主要面積的側面進行養護，如何養護沒有統一的看法，在側模拆除后的養護措施主要有兩種：一種是噴涂養護劑，第二種是噴淋水養護。有的用水泥對表面缺陷進行修補后什么也不做，對于塔柱這樣的結構如何養護沒有統一的養護方案、措施，也缺少相關文獻的理論指導，因而塔柱混凝土在施工期因養護方法不恰當而產生裂縫的情況不在少數。

3 大橋主塔節段混凝土養護措施

3.1 主塔節段混凝土水化熱溫度變化時間與拆模時間

采用半導體智能溫度數字傳感器,結合應用軟件和檢測模塊進行溫度測量。本次在壁厚2.4 m～3.0 m的第六個空心澆筑段沿塔柱截面厚度方向均勻布置了6個溫度測點，塔柱表面溫度實測表面內10 cm處的水化熱溫度；中心點取塔壁的實際中心(距表面1.5 m)。水化熱溫度在混凝土入模后即進行監測,之后每隔1 h電腦自動采集一次數據,結果見表2,溫度變化曲線見圖3。

表2 水化熱溫度實測值

從圖3可看出,水化熱溫度隨時間發展曲線分為4個階段：急劇上升段、緩慢上升段、緩慢下降段和較快下降段。水化熱溫升在早期變化很快,之后進入緩慢上升階段直到最高溫度。從表2可知塔柱混凝土表面點在入模后40 h便到達了最高溫度58.14 ℃,而中心點在入模后100 h才達到最高溫度72.31 ℃。為避免塔柱早期開裂采用晚拆模的施工方法,即混凝土澆筑完成至拆模最少100 h。

從圖3曲線可看出,混凝土水化熱溫度發展曲線是一條依賴于齡期的復合指數曲線。溫度上升段曲線很陡,而在溫度下降段卻很平緩,這樣的溫度變化便會在塔柱表面留下殘余溫度拉應力。降低水化熱溫度可以有效減少塔柱早期開裂[1]。降低水化熱溫度的措施在前期控制方面主要有：選用最優配合比、選用低熱水泥、采用最優的骨料級配、冷水拌和設置冷卻管等，為了防止內外過大溫差引起的表面裂縫,混凝土澆筑完成后可以采用的措施有:加強墩身的養護、合理控制拆模時間等。

3.2 塔柱節段頂面混凝土的養護

主塔一個節段混凝土澆筑完畢，在節段頂面混凝土收漿后盡快采用麻袋或者土工布覆蓋后再對其進行灑水濕潤，后續灑水過程中在頂面形成蓄水養護，混凝土水化熱開始時就蓄水完成，確保蓄水水溫與混凝土溫度同時增長，過程中及時緩慢小流量補充水量，在下節節段混凝土澆筑前使混凝土表面仍是濕潤狀態。由于塔柱頂面豎向鋼筋和勁性骨架的影響，頂面混凝土要做到完全覆蓋幾乎不可能，塔柱節段在混凝土灌注后至拆模前采用頂面蓄水的方法是最好的養護方法(見圖4)。

3.3 塔柱節段側面混凝土的養護

3.3.1 拆模前的養護

塔柱側模給混凝土的澆筑成型和強度增長提供支撐，也給混凝土養護提供了條件，即平常說的帶模養護。大橋南北兩岸塔柱均采用木模，減輕了爬架自重也給混凝土的保溫保濕養護帶來益處，塔柱的內外模板和頂面的蓄水層共同為新澆混凝土打造出一個相對密閉的養護空間。內外模板的材質、厚度、整體完整性、安裝的緊密性、孔洞的多少大小及脫模劑的質量和涂刷質量等直接關系到空間的密閉程度，防止混凝土水分蒸發的快慢程度，保水效果的好壞。塔柱側面模板越密實、安裝越緊密，對新澆混凝土的保水保溫效果越好，養護效果就越好。此時因養護不當或模板選擇不當使混凝土的內外產生大的溫度梯度，混凝土即會因溫度應力而產生表面裂縫。采取保溫性好熱導系數低的木模能顯著降低混凝土的內外溫差，減少表面裂縫的產生。采用鋼模對保溫不利，應根據保溫養護的需要再增加保溫措施；采用木模時，保溫性能較好，可將其直接作為保溫材料考慮[2]。

3.3.2 拆模后的養護

大橋南岸主塔施工周期：上游塔柱從2017年2月24日開 始施工第一節到2017年12月27日完成塔頂段，下游塔柱從2017年3月1日開始施工第一節到2017年12月23日完成塔頂段。平均7.5 d一個節段，拆模時間基本在4 d～5 d時間段。在塔柱混凝土澆后的3 d內嚴禁拆模，一是從混凝土的強度考慮確保施工、結構的安全；二是混凝土水化熱正處于相對高峰期，此時拆模側面混凝土失去保護屏障失水加速，造成混凝土干縮裂縫的出現，同時混凝土表面散熱急劇加速造成混凝土內外溫差過大產生過高的溫度應力造成溫度裂縫。拆模后采取的養護措施是塔柱、高大墩柱是否產生早期裂縫或者已有表層裂縫是否發展成深層裂縫的關鍵。目前主要有兩種養護措施：

第一種是拆模后噴涂養護劑,也是大橋南北兩塔采取的養護工藝。養護劑是一種噴灑或涂刷于混凝土表面，能在混凝土表面形成一層連續不透水的密閉養護薄膜的乳液或高分子溶液。養護劑具備養護保水功能，且不影響混凝土的各項物理力學性能，其自身水分蒸發后，能防止混凝土硬化早期的水分蒸發，不但可用于新澆混凝土的養護，也可用來繼續養護脫模后的混凝土以及經過早期濕養的混凝土[3]。大橋塔柱節段拆模后立即在塔柱側面噴涂養護劑兩道，確保能在混凝土表面形成一層連續不透水的密閉養護薄膜。盡可能的減少側面混凝土水分的散失，同時利用養護劑形成的養護薄膜給混凝土表面保溫。爬架的多層工作平臺給養護劑的涂刷創造了良好的工作環境(見圖5)。噴涂養護劑同樣要講究及時，成立了專門的班組在拆模后及時在每個側面同時噴涂，最大限度的縮短拆模后的養護間斷時間。在現代的混凝土施工中噴刷養護劑已成為混凝土養護的重要措施。養護劑在水泥混凝土路面、滑膜施工的高聳建筑物上使用比較多(混凝土澆筑后立即使用，通過養護劑的成膜密封保水進行養護)；在橋梁塔柱上也有使用,如金塘大橋、武漢二七長江大橋、鄂東長江公路大橋等(塔柱側模拆除后使用，通過養護劑的成膜密封保水繼續進行養護)。通過相關試驗研究表明，對混凝土表面涂刷養護劑，可以增強混凝土早期的保水能力，與不涂刷養護劑的混凝土相比抗壓強度有一定程度的增長，降低混凝土的干縮率，并可改善混凝土的抗開裂性能[4]。

第二種是拆模后噴水或者淋水養護，此種養護方式風險較大，實際操作過程中極易造成塔柱表面產生裂縫，或者使拆模后的表面裂縫發展成深層裂縫。以大橋南岸主塔拆模后的混凝土表面溫度實測數據統計，可以看出在拆模的一般時間段80 h～120 h此時塔柱混凝土表面溫度在52 ℃～56 ℃左右，這時在混凝土表面澆以環境溫度溫差太大的冷水，則可能會使混凝土表面溫度急速冷卻而造成混凝土斷面上的溫度梯度驟升，從而引起混凝土的“熱震”[5]。JTG/T F50—2011公路橋涵施工技術規范第6.13.2條第6款：利用冷卻水管中排出的降溫用水，在混凝土頂面蓄水保溫養護時，養護水溫度與混凝土表面溫度的差值應不大于15 ℃[6]。這是能在規范里找到的唯一關于養護水溫度的要求，雖然是對混凝土水化熱開始時頂面蓄水保溫養護時的要求，但對養護水溫度與混凝土表面溫度的差值應不大于15 ℃的規定仍然有意義，目的是防止混凝土內外溫差過大而產生裂縫。《鋼筋混凝土結構裂縫控制指南》提出：表面淋水及拆模引起的瞬時溫差不宜超過15 ℃[7]。以塔柱拆模時混凝土表面溫度55 ℃計算，向塔柱側面噴淋水的水溫需達到40 ℃以上，這在施工現場較難實現，施工用水、養護用水都是自然溫度，基本都在30 ℃以下。較冷的養護用水直接噴淋在拆模后的高溫混凝土表面，使混凝土表面溫度快速下降，而混凝土內部溫度下降慢，從而加大了混凝土的內外溫度梯度，溫度應力加大，塔柱、墩柱施工期柱壁裂縫由此產生。裂縫產生的大小、深度與側面噴淋水溫、現場水管流量大小及持續時間有關，也就是冷卻的速度相關。拆模后對高溫的塔壁噴淋冷水，看似在對塔壁進行養護，其實加速了塔壁表面混凝土的冷卻，是人為的環境降溫，也是塔柱、墩柱一直存在的養護誤區。塔壁在水化熱單獨作用下不會發生開裂[8]，但若疊合環境降溫作用，或者是人為降溫，塔壁表面應力將超出混凝土在該時刻的抗拉強度，導致混凝土開裂。

4 塔柱橫梁混凝土養護

橫梁在澆筑完后其敞露在外的混凝土面相對塔柱一個節段多，能采取濕養護的面積大，相當于一段高截面的現澆混凝土單室箱梁，采取濕覆蓋養護是通常的做法。楊泗港長江大橋中橫梁梁高10 m，上橫梁梁高11 m，均分兩次澆筑，為減輕托架荷載采用膠合板模板。中橫梁第一次澆筑底板和5.5 m高腹板，澆筑完成，混凝土收漿后立即對水平混凝土敞露面進行濕覆蓋養護。養護至混凝土強度達到設計強度的90%后張拉部分底板索，張拉完成后安裝模板進行剩余4.5 m高腹板、頂板混凝土的澆筑。第二次澆筑完成只剩下頂板混凝土敞露在外，一個大面積的水平面相當好進行濕覆蓋養護。橫梁模板拆除時間比塔柱側模晚，提供保溫養護的時間長，很少出現表面裂縫。橫梁養護參照現澆箱梁的做法,養護在混凝土澆筑至頂板時即可開始，收光一段用塑料薄膜覆蓋一段，前段還在澆筑，后段已經覆蓋，至澆筑完成，覆蓋也跟隨完成。真正做到了混凝土開始養護的時間應盡早及時。待頂面混凝土可以上人踩不出腳印再覆蓋土工布、灑水養護。箱梁養護還有一個優點：養護水濕潤整個頂面覆蓋的土工布過程中自然通過箱梁人孔流入箱梁內室，在內室形成蓄水養護。此時箱梁頂面有塑料薄膜和濕潤的土工布覆蓋層防止混凝土的水分蒸發，箱梁內室有30 cm左右蓄水層與混凝土溫度一同升高，在箱梁內室形成一個相對濕度很高的環境，箱梁底部有底板、翼板木模板的保溫養護，且拆模時間長達一個月左右，經此養護箱梁很少有表面裂縫，底板光潔有鏡面效果。

5 結語

1)對采用爬模施工的塔柱或墩柱的養護，提倡柱壁混凝土養護利用木模板保水保溫養護，拆模后噴涂混凝土養護劑保水保溫養護銜接，塔柱節段頂面蓄水養生的組合養護工藝。大橋南北兩岸塔柱均采用此種養護工藝，施工期塔柱表面均未見有害裂縫出現。

2)拆模后對塔柱、墩柱側面噴淋冷水造成混凝土表面溫度應力的突然加大是施工期塔柱、墩柱柱壁混凝土產生裂縫的主要原因。

3)對采用翻模施工的塔柱或墩柱的養護，節段頂面蓄水養生，柱壁利用木模板或者經加保溫層處理的鋼模保溫養護至少7 d后可拆模，此時最低要求的養護期已完成，沒有工作平臺的可以不涂刷養護劑，提前拆模或者向柱壁淋水將增大柱壁裂縫產生的風險。