桥梁大体积混凝土承台施工的裂缝控制技术

郭 伟

摘要：桥梁结构大体积混凝土具有强度高、水化热量大等特点，在施工中措施不当极易出现混凝土开裂。本文从分析裂缝的成因入手，介绍了高家花园大桥主塔承台的控温防裂施工技术，结果表明，施工中采取的施工措施合理，效果显著，为后续的桥墩承台的施工提供了可靠依据。

关键词：桥梁；大体积混凝土；承台；裂缝控制；温度监测

随着交通建设的快速发展，近年来，桥梁的跨径越来越大，大体积混凝土的基础承台、锚锭、主塔等亦随之出现。大体积的混凝土在施工时会产生大量水化热，使得混凝土内外产生较大的温差和温度应力，导致混凝土固结后出现裂缝，从而影响其耐久性。笔者结合高家花园大桥主塔承台的施工，探讨大体积混凝土裂缝的影响因素和控制措施。

1 桥梁大体积混凝土承台的特点

桥梁大体积混凝土和水工结构大体积混凝土一样，都有着结构体积庞大、水泥用量多，防水抗渗要求高、受温度应力影响大等共性。但桥梁大体积混凝土有着自己的特点，在桥梁结构中，桥墩、基础承台、主塔以及主梁零号块设计强度高，多采用高标号水泥，单方混凝土水泥用量大，水泥水化热量多，绝热温升大，温度峰值高，内外温差和温度梯度大，升降温速度快，而且，相对于水工坝体结构，桥梁结构混凝土的配筋率较高，其温度应力受钢筋的影响较明显[2]。

2 裂缝的形成和影响因素

2.1裂缝的形成

大体积混凝土在施工中出现裂缝，其原因主要是由于温度应力和混凝土的收缩。前者引起的裂缝称为温度裂缝，后者引起的称为收缩裂缝。

大体积混凝土浇筑中，由于水泥水化产生大量水化热并积累，浇筑后3至4天内部温度急剧上升，混凝土膨胀变形，内部应力表现为压应力，此时混凝土的弹性模量很小，压应力仍很小。温度峰值过后，混凝土由升温期转至降温期，混凝土开始收缩，内部应力表现为拉应力，此时混凝土的弹性模量已经较大，降温引起的拉应力也很大，当拉应力超过混凝土同龄期的抗拉强度时，就会产生温度裂缝。此外，当混凝土内部温度较高，外部环境温度较低或气温骤降时，由于内外温差过大在混凝土表面也会产生较大的拉应力而出现裂缝。

混凝土的收缩现象有好几种，主要有干燥收缩、温度收缩、自身收缩和塑性收缩，其中干燥收缩和塑性收缩比较显著。干燥收缩多出现在混凝土浇筑完毕一周左右或养护结束后的一段时间里。混凝土受外部条件影响，表面水分损失过快，变形较大，而内部变形较小，较大的表面干缩变形由于受到内部混凝土约束，产生较大的拉应力而产生干缩裂缝。环境湿度较低时，水泥浆体干缩大，也容易产生裂缝。塑性收缩多发生在混凝土终凝前，尤其在干热和大风天气出现。混凝土终凝前，其处于塑性状态且泌水明显减少，表面蒸发的水分如果得不到及时的补充，稍微一受力表面就会出现分布不规则的裂缝。开裂后体内的水分蒸发进一步加快，导致裂缝迅速扩展[1]。

2.2 影响因素

大体积混凝土产生裂缝的影响因素和裂缝形成的原因有着直接的联系。追寻上述裂缝形成的原因，可知影响因素主要有如下方面。

（1）水泥水化热。在大体积混凝土中，水泥在水化过程中散发的热量聚集在结构内部形成内外温度梯度场和温度应力场。水泥水化热与水泥品种和混凝土的配合比有关。

（2）外界气温。外界气温高，混凝土入模温度也高，相应地混凝土中心温度就会高。当外界气温下降时，尤其是急剧下降时，会大大增加混凝土的内外温差和温度梯度，从而产生更大的温度应力，对混凝土的施工极为不利。

（3）约束条件。由于混凝土内部非均匀的温度及收缩分布，各部位变形不均匀产生相互约束，产生应力。

（4）施工养护方式。在施工环节中，合理的施工工艺将有利于内外温差幅度的降低。将大体积结构分次、分层、分块浇筑，铺设冷水管，搭设暖棚等方式都直接有益于施工质量。

3.工程概况

高家花园大桥工程项目是重庆市轨道交通环线的节点工程，由南引桥（17）m和主桥（52+68+340+66.5+50.5）m两部分组成，合计线路长约594米。桥梁采用双塔双索面混合梁斜拉桥形式，边跨设置辅助墩。边跨为砼箱梁，中跨为钢箱梁。桥塔塔高约141.5米.主塔承台为31.0×17.0m，长边两端为圆弧构（见图1），混凝土强度等级为C40，混凝土方量为2324.33m3，属于大体积混凝土。该承台于2014年4月施工，采取了一系列措施后，承台混凝土未出现任何缺陷，取得了较好的效果。

图1. 主塔承台结构示意

4. 混凝土温控设计和监测

采用有限元软件对承台大体积混凝土浇筑进行模拟计算，考虑了混凝土一次性浇筑、入仓温度、混凝土水化热的散发规律、混凝土及基础弹性模量的变化、养护方式、冷却水管降温效果、外界水温及气温的变化、混凝土的自身体积变形及徐变影响等因素。根据有限元热分析的结果，在设定1.5的安全系数前提下，制定了温控标准：（1）承台混凝土内部的最高温度不大于55℃；（2）内外温度差不大于25℃；（3）混凝土降温速率不大于1.5℃/天；（4）混凝土入仓温度不大于平均气温温度+4℃。

由于承臺结构为双对称结构，分析时只考虑1/4结构。为保证承台砼浇筑质量，更好地监控承台砼内部及表面温度发展情况，从而后续指导施工，在承台内部布设测温元件。

根据承台结构对称特点，布置在1/4范围，沿承台厚度方向共布设六层，每层9个测得，共设54个测温点。具体布置位置如下图所示。

监测仪器采用XMZG1638数据采集仪。监测频次：第1天～第4天内，每1 h测温一次；第5天～第6天，每2 h测温一次；第7天～结束，每4 h测温一次，按照规范要求养护循环14天后停止。

图2. 混凝土温度测点布置图（左图为水平方向，右图为竖直方向）

5. 混凝土的控温防裂措施[3，4]

5.1. 原材料及配合比优化

水泥用量直接影响到混凝土的水化热温升，混凝土配合比在满足施工要求的基础上尽量降低水泥用量，控制水化热温升。在设计时利用"双掺"技术，以粉煤灰取代部分水泥。通过反复试验优选出混凝土配合比如表1所示。

表1. 混凝土配合比（kg/m3）

強度等级

水泥

粉煤灰

矿渣粉

细骨料

粗骨料

水

外加剂

C40

290

50

50

699

1141

155

5.4

（1）水泥：采用重庆富皇建材有限公司生产的42.5普通水泥。

（2）粉煤灰：采用重庆珞璜电厂的II级粉煤灰，质量符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB1596-2005）的规定。

（3）细骨料：采用机制砂，压碎值10%，含泥量0%，石粉含量2.9%，其他指标符合规范规定。

（4）粗骨料：机轧碎石，级配连续，粒径2.36-19.0mm，当地石场生产，母岩平均强度95MPa，堆积密度1577 kg/m3，含泥粉量0.2%，各级针片状颗粒含量6%。

（5）矿渣粉：采用重庆市富皇建材有限公司的粒化高炉矿渣，活性指数89%。

（6）外加剂：江苏博特（HWR）高效减水剂剂，减水率24%。

（7）水：自来水，经检验水质合格。

5.2. 浇筑方式

混凝土采用商品混凝土，混凝土浇筑采用泵送，通过2台汽车泵进行浇筑。浇筑方式为水平分层两次浇筑，分别为2m和3m，单次每层厚度控制在35cm。外界气温在19-22℃，对混凝土的自然拌和比较有利。掺加粉煤灰的混凝土，浮浆和泌水较多，浇筑过程中将其赶至较低处用橡胶桶排出。

5.3. 冷水管设置

布设冷却水管是重要的温控措施。冷却水管采用50mm的薄壁钢管，沿高度方向布置5层，每根管总长度小于300米。为便于管理，水管进出水口集中布设，水管布置如图3所示。使用前通过一定压力的水检查水管，确认有无漏水。每层管完全被混凝土覆盖后，立即通水循环，防止冷却管堵塞。

图3. 冷却水管布置图

5.4. 蓄水保温养护

混凝土浇筑完毕后，进行洒水保温养护，以期降低混凝土表面温度，使结构物升温速度减慢。用钢管和预埋钢筋作为支架，覆盖双层土工布防止保证混凝土表面湿度，避免日照干裂。混凝土结硬后，用出水口水流在表面蓄水，水面超过模板后，自然溢流到侧模上。对承台结构侧面的养护也不能忽视，混凝土浇筑1/3高度时，用中间夹塑料薄膜的双层彩条布将侧模包裹起来，并用橡胶管引流出水口的温水不断地淋洒侧面模板，确保彩条布和混凝土表面之间的温度和湿度。

6.温控防裂效果

经过温度监测，承台混凝土入模温度大致在22-25℃，1.5天后中心下部温度最高达30℃，3天后温度达35-40℃，随后温度回落。依据监测的温度情况调整冷水的流速，经过10天后承台中心与边界点温差接近10℃，中心温度基本稳定。在施工中，由于措施得当，现场组织严密，承台混凝土没有出现有害裂纹。

7.结束语

通过对高家花园大桥主塔承台的施工，积累了桥梁大体积混凝土施工控温防裂的如下经验，为其他桥墩承台的施工提供了借鉴。

（1）控制混凝土的出罐、入模温度。施工前要经过计算，选择合理的浇注时间、配合比及养护材料、方法，在施工过程中采取信息化温度控制，控制内外温差。

（2）优化混凝土配合比设计。通过"双掺法"既能有效降低水化热，又能改善混凝土的和易性、稳定性和可泵性，还节约不少成本。

（3）采用内冷外保的控温措施。冷却水管不仅带走混凝土内部的部分热量，其产生的热水还可用于混凝土外表面保温保湿的热水浴养护。

（4）温度监测的数据揭示了承台混凝土的温度变化规律，为下一步桥墩承台的冷却管布置设计提供了依据。

参 考 文 献：

[1].朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京：中国电力出版社，1999.

[2].张小川.桥梁大体积混凝土温控与防裂[D]（西南交通大学硕士学位论文）.2006.

[3].甘新平，孙同兴.江阴长江公路大桥北塔承台大体积混凝土温度控制和温度检测技术[J].水运工程.2000.（3），7-12.

[4].田克平，付欣，任威等.灌河大桥索塔承台大体积混凝土的施工与温度控制[J].公路.2005.（10），50-55.