港珠澳大桥承台大体积混凝土防裂技术与控制措施

黎敏，李青，徐鸿玉，胡凯，张学政

（中交一航局第五工程有限公司，河北 秦皇岛 066000）

1 工程概况

港珠澳大桥属于G94珠三角环线高速的一部分，设计时速100 km，双向六车道，跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道。大桥主体工程采用桥隧组合方式，全长约29.6 km，海底隧道长6.7 km。港珠澳大桥的设计寿命为120 a，预计于2016年完工。本合同段CB03标东起西人工岛连接桥，西接深水区CB04标，总长8 670 m，共需预制非通航孔桥墩台68个，通航孔桥墩台4个，单件最大高度26.95 m，最大重量3 510 t。

承台为六边形结构，边缘顺桥向宽为10.3 m，中心顺桥向宽11.1 m，横桥向长14.8 m，高4.5 m。在桩基对应位置，承台设有6个预留后浇孔，预留孔直径3.6 m，预留孔底板厚0.6 m，底板开孔直径2.13 m。承台全部采用高性能双层环氧涂层钢筋，在底部、桩顶和中部设有D40 mm的HRB400钢筋作为受力主筋，承台表面钢筋、架立钢筋和拉筋均采用HRB335钢筋，设计最小净保护层厚度60 mm。承台作用环境属于海洋氯化物环境，环境作用等级为Ⅲ-D，E，F[1-2]。采用C45海工高性能混凝土。

2 混凝土裂缝产生原因

2.1 收缩变形

混凝土因收缩而导致的裂缝是混凝土裂缝最主要的原因。

2.2 温度应力变形

大体积混凝土多采用高强混凝土，水泥用量大，水泥水化反应过程中释放大量热量，又因混凝土尺寸较大，混凝土内部温度不断上升，而表面温度较低，内部与表面混凝土形成较大温差，内部膨胀大于外部，在混凝土表面受到很大的拉应力，早期混凝土抗拉强度较低，当温度应力超过混凝土的抗拉强度时就会出现裂缝。

2.3 施工工艺变形

根据在现场对施工过程的观察，发现以下施工因素导致裂缝产生：一是混凝土振捣不足，部分区域振捣不密实，存在蜂窝麻面；二是混凝土的养护不良，对混凝土整体质量影响十分显著，直接影响混凝土的抗裂能力；三是拆模时间过早以及在混凝土构件上过早从事后续工序，对混凝土强度的发展有一定影响，并导致裂缝的产生；四是混凝土浇注下灰高度过高，导致混凝土离析，容易产生裂缝。

3 采取的工程措施

为控制裂缝的产生，本工程从混凝土原材料比选、配合比优化、施工工艺以及混凝土养护各环节采取一系列措施，努力提高结构物自身的抗裂能力[3-4]。

3.1 材料比选

1）水泥：选择广东珠江水泥厂粤秀牌和华润（平南）水泥有限公司生产的华润牌P.Ⅱ42.5水泥。技术参数见表1。

依据C3A和水化热指标，优选珠江水泥有限公司粤秀牌P.Ⅱ42.5。

2）掺合料：掺合料选用Ⅰ级原状粉煤灰和S95级矿粉，优选符合技术要求的福建漳州电厂益材牌Ⅰ级原状粉煤灰和唐山唐钢产唐龙牌矿粉。

表1 两种水泥技术参数对照Table 1 Technical parameters contrast for two typesof cement

3）减水剂：选择江苏博特新材料有限公司产PCA-Ⅰ聚羧酸减水剂。

4）集料：采用反击破工艺生产的5~10 mm、10~20 mm双级配掺成5~20 mm连续级配碎石，产于广东江门新会。河砂选用符合技术要求的北江清远段天然河砂。

3.2 混凝土配合比设计

根据港珠澳大桥相关技术要求，承台采用C45海工高性能混凝土。系统配合比经实验室试配后，对其进行胶凝材料水化热、抗压强度、耐久性能、静力弹性模量、平板抗裂性能测试，优选抗裂能力最好的配合比。经系统试验后，最后确定配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶5~10 mm碎石∶10~20 mm碎石∶河砂∶水∶外加剂=203∶110∶128∶315∶736∶725∶150∶3.53（质量比，单位kg/m3），各项技术指标如表2所示。

表2 选定配合比技术参数Table 2 The selected mix technology parameters

3.3 混凝土搅拌过程控制

本工程要求粉料、外加剂、水、冰计量偏差不大于1.0%，粗细集料计量偏差不大于1.5%，混凝土拌合物入模温度10~28℃。为确保计量精度和出机温度，采取以下措施：

1）引进意大利ORU公司生产的2 m3搅拌站，搅拌站主机采用ORUMD3000/2000型搅拌机，共2台，单机生产能力达60 m3/h，进口搅拌站计量系统精准度高于国产设备，计量偏差满足要求。

2）配置了1组制冰机组和1组制冷水机组，制冰能力达40 t/d，制冷水能力达10 t/h，为控制混凝土出机温度提供保障。夏季时加冰60~70 kg/m3，所有拌合水采用冷水，水温不超过12℃。

3）配置8个粉料罐，延长存放时间。砂石料场采用钢结构顶棚覆盖，防雨防晒，既能降温，又能保证含水率稳定。

4）混凝土运输采用搅拌运输车，罐体外部包裹隔热棉，定时喷淋冷却水。

通过以上措施，在南方炎热夏季实测混凝土出机温度不超过26℃，符合港珠澳大桥质量控制标准。

3.4 承台防裂控温措施

为了最大限度降低承台内部混凝土温度峰值，除了严格控制入模温度，还在承台内埋设冷却水管（见图1），通水降温。冷却水管采用内径50 mm镀锌钢管，通过控制通水流量，使冷却管的进出水温差控制不超过10℃。混凝土内部温度峰值过后停止冷却，根据混凝土温度回升情况进行二次冷却。冷却水温与混凝土内部温度之差不超过25℃，并定期改变冷却水进出方向。

图1 承台冷却水管平面布置图Fig.1 Layout of water-cooled tubesin the bank pier

3.5 养护措施

本工程要求混凝土构件在任一养护时间内的内部最高温度与表面温度之差不大于25℃。混凝土拆模时，中心混凝土与表层的温差、表层混凝土与环境的温差均不得大于20℃。现场根据测温确定拆模时间，模拆后，立即覆盖薄膜浇水养护，养护期不低于15 d。

3.6 施工过程控制措施

混凝土浇注施工过程控制，能保证混凝土的均匀性和施工连续性，减少由于施工原因造成的裂缝，本工程主要采取以下措施：

1）严格控制分层浇注高度，要求混凝土浇注振捣厚度在30~50 cm，浇注过程中采用红外测距仪控制下灰厚度。

2）采用下灰导管，严格控制混凝土拌合物下灰高度不超过2 m，使混凝土拌合物在浇注过程中不会由于泵送压力而飞溅，保证混凝土拌合物的均匀性，避免局部浆体过多。

4 温度应变监控

4.1 测温

为了准确掌握承台内外部温度应力情况，并为通水冷却和拆模时间提供技术依据，在每座承台内部埋设测温装置。选用寰宇夺标TR32定时测温记录仪，测温点布置如图2。

典型的24号承台实测温度-时间变化曲线如图3所示，实测数据如表3、表4所示。

图2 承台测温点布置（单位：cm）Fig.2 Layout of temperature measuring points in the bank pier （cm）

图3 24号承台温度-时间变化曲线Fig.3 Thecurvesof temperature-time of No.24 bank pier

表3 承台降温梯度Table 3 Cooling gradient of the bank pier

表4 承台温差情况Table 4 Temperature difference of the bank pier

从测温数据分析得出：

1）大气温度34℃情况下，入模温度在26℃，满足浇筑温度不高于28℃要求，说明混凝土生产过程采取的措施是有效的。

2）承台内部峰值温度69.7℃，满足规范内部最高温度不应大于70℃要求。

3）承台内表温差最大值23.7℃，满足规范内表温差不大于25℃要求。

4）混凝土表面降温速率5~7.5℃/d（6号测温点），大于规定值4℃/d，表面降温速率过快，应在表面进行保温处理。

4.2 承台温度应力仿真分析

由于承台为X轴和Y轴对称结构，仿真计算只需1/4即可。根据承台实际尺寸，采用有限元软件MIDAD/Civil建立承台有限元模型。确定模型试验环境条件为大气平均温度选定为23℃，入模温度20℃，热传导率2.3 W/（m·K）。分析结果如图4、图5所示。

由上述有限元仿真计算结果分析可知：

1）承台内部拉应力SIG-XX、SIG-YY、SIGZZ始终小于容许拉应力，因此承台内部不会产生平行于YZ、XZ、XY平面的内部裂缝。

图4 承台48 h温度场剖面图Fig.4 Section of the temperature field of the bank pier for 48 hours

图5 承台表面应力最大点应力随时间变化图Fig.5 Variation of themaximum surface stress of the bank pier with time

2）承台表面点拉应力SIG-XX、SIG-ZZ在68 h后开始大于容许拉应力，由此可见承台表面会产生YZ、XY平面的表面裂缝。观测24号、29号承台实体，发现表面有细小裂纹，与有限元仿真试验结果一致。

5 结语

通过采取一系列裂缝控制措施，港珠澳大桥主体工程承台预制较好地解决了大体积混凝土开裂问题，在工程实体上没有发现有害裂缝。但在构件表面还有细小裂纹，这与表面降温过快，保水养护不足有一定关系，施工中还需要采取表面保湿保温等养护措施。

[1]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥大体积混凝土施工期裂缝控制技术规程[M].2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Standards for anticracking technology in mass concrete construction period of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[M].2013.

[2]港珠澳大桥管理局.港珠澳大桥大体积混凝土耐久性质量控制技术规程[M].2013.Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge Authority.Technology standards for thequality control of massconcretedurability of the Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge[M].2013.

[3]GB 50496—2009，大体积混凝土施工规范[S].GB 50496—2009，Codefor construction of massconcrete[S].

[4] 彭立海.大体积混凝土温控与防裂[M].郑州：黄河水利出版社，2005.PENG Li-hai.Temperature control and anti-cracking of mass concrete[M].Zhengzhou：Yellow River Hydraulic Press,2005.