摘要：大體積混凝土表面容易出現(xiàn)裂縫，影響混凝土質(zhì)量。從材料選擇、配合比設(shè)計和施工工藝等方面闡述了大體積海工混凝土裂縫控制方法。
關(guān)鍵詞：大體積混凝土；裂縫；配合比；防裂措施
中圖分類號：TU746．3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
對于大壩、建筑、橋梁等大體積混凝土結(jié)構(gòu)，施工期因水泥水化熱產(chǎn)生的混凝土內(nèi)外溫差，易在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生早期裂縫，而對于海工結(jié)構(gòu)物，會對本身的耐久性和安全性產(chǎn)生影響，本文將結(jié)合杭州灣跨海大橋承臺施工中溫度控制的具體措施，對海工大體積混凝土裂縫控制方法進(jìn)行探討。
1工程概況
杭州灣跨海大橋工程北起浙江省海鹽縣的鄭家埭，跨越杭州灣海面及南岸灘涂，止于慈溪市所轄的水路灣，全長36 km，其中海上橋長約31．5 km。大橋水中區(qū)采用鋼管樁、承臺基礎(chǔ)、預(yù)制安裝墩身和箱梁。
杭州灣是著名的強(qiáng)潮海灣，潮差大，潮流急，本海域表層流速達(dá)5．16 m／s，加上風(fēng)浪和臺風(fēng)的影響，承臺施工中工程結(jié)構(gòu)很可能受水流風(fēng)浪直接作用，或受施工船舶的撞擊而發(fā)生變形，甚至破壞，給工程帶來難以彌補(bǔ)的損失或造成難以處理的狀況。通過安全、進(jìn)度、質(zhì)量等方面的綜合比選，采用混凝土套箱工藝施工114個直徑12 m、高3 m的圓承臺；采用鋼套箱工藝施工其中直徑12 m、高3 m的承臺13個；長23．825 m、寬l0．8 m、高3 m的長圓型承臺9個；直徑10．5 m、高3 m的承臺14個；長29．6 m、寬12 m、高3 m的長圓型承臺1個。
工程設(shè)計使用期為100年，承臺混凝土的施工質(zhì)量將直接影響大橋的使用壽命，由于承臺體積大，在施工過程中很容易由于熱脹冷縮產(chǎn)生早期裂縫，所以承臺裂縫控制成為技術(shù)、質(zhì)量工作的重點。
2配合比的設(shè)計與優(yōu)化
本工程采用海工耐久混凝土，承臺處于水位變動區(qū)，混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級C40，氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤2．5x10—12 m2／ ，混凝土中要求摻加阻銹劑；墩身處于浪濺區(qū)，混凝土強(qiáng)度等級C40，氯離子擴(kuò)散系數(shù)≤1．5x10- m2／s。
2．1原材料的選擇 -
進(jìn)行混凝土配合比試驗前，經(jīng)過反復(fù)討論研究，將每立方米混凝土膠凝材料用量確定為450和436kg兩種，水泥和礦粉的摻和比例為3：7，水泥采用P．Ⅱ42．5水泥，阻銹劑采用山西凱翕克生產(chǎn)的亞硝酸鈣，礦粉采用上海寶田和安徽朱家橋$95礦粉，粉煤灰采用鎮(zhèn)江諫壁電廠一級粉煤灰。粗集料采用5～25m m 連續(xù)級配碎石，細(xì)集料采用閩江中砂，水膠比O．35～0．36，坍落度180+20 mm，阻銹劑摻量2％，在此基礎(chǔ)上選用高效減水劑，減水劑首先選用上海格雷斯$20 C減水劑(第二代奈系減水劑)，摻量2％，減水率15％～2O％ 。
混凝土試拌后主要存在三個方面的問題：1)混凝土坍落度損失大，混凝土試拌后30 min左右損失為為8O～100 mm；2)混凝土含氣量超標(biāo)(大于《杭州灣跨海大橋?qū)Ｓ眉夹g(shù)規(guī)范》要求≤6％)；3)泌水嚴(yán)重。針對試配過程中出現(xiàn)的問題，項目部及時調(diào)整了減水劑類型，第二代奈系減水劑是一種高效減水劑，對水泥能起到強(qiáng)分散作用，可以使混凝土基準(zhǔn)塌落度從6~8 em提高到1 8～22 em，但混凝土塌落度往往損失很快，減水劑在3O～6O min失去流動性。在此基礎(chǔ)上引進(jìn)了上海麥斯特第三代羧酸類減水劑，減水率25～3O％，摻量1％，羧酸類減水劑由于具有分散性好、保塌性好、對混凝土凝結(jié)時間影響小以及合成過程環(huán)保等
特點，在混凝土領(lǐng)域有了很好地應(yīng)用。再次試拌后發(fā)現(xiàn)以上三個方面的問題基本得到控制。
2．2模擬試驗階段
盡管試配混凝土在強(qiáng)度、坍落度和氯離子擴(kuò)散系數(shù)三項指標(biāo)上均符合設(shè)計及規(guī)范要求，為了控制混凝土溫度裂縫，保證大體積混凝土的澆注質(zhì)量，進(jìn)行配合比的優(yōu)化，我們針對降低混凝土的水化熱進(jìn)行了一系列的試驗。
首先在試驗室模擬現(xiàn)場套箱預(yù)制混凝土圓模，按照不同配合比在圓模內(nèi)澆筑混凝土，在混凝土中心、沿圓模四周埋
設(shè)應(yīng)變片，分別測試混凝土的升溫過程和圓模內(nèi)部混凝土對圓模內(nèi)壁產(chǎn)生的應(yīng)力，進(jìn)而對配合比進(jìn)行選擇，同時對裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析。
澆筑模擬大體積混凝土塊體2個。對塊體進(jìn)行連續(xù)7 d地測試混凝土溫度及應(yīng)變?，F(xiàn)將試驗結(jié)果簡述如下：
(1)項目正式采用的配合比，澆筑1個模擬塊體，配合比為：1fO．3水泥+O．7礦渣1：1．76砂子：2．35石子：0．01l減水劑：0．02阻銹劑：0．36水，記為D。
(2)另在項目部配合比的基礎(chǔ)上復(fù)加特種緩凝劑澆筑1個模擬塊體，模擬塊體中特種緩凝劑的摻量為膠凝材料用量的1．2 mL／kg，記為C。
外鋼模板的直徑為1．2 m、高1．2 m，內(nèi)鋼模板直徑1．14 m、高度1．2 m。在內(nèi)外鋼模之間形成O．O3 m的間隙。采用水泥砂漿澆筑0．03 m的間隙，形成0．03 m厚的砂漿套筒，砂漿材料配比為1：2，W／C=0．3。澆筑砂漿套筒3 d后拆除內(nèi)鋼模板。
在塊體C套筒內(nèi)壁西側(cè)半面先涂刷M1500(用量4～5 kg／mz)，之后再涂刷經(jīng)處理的特種緩凝劑(用量1．7 mL+66 mL水／m2)。
在塊體D套筒內(nèi)壁西側(cè)半面先涂刷M1500(用量4～5 kg／m2)，之后再涂刷經(jīng)處理的特種緩凝劑(用量8．8 mL+66 mL水／m2)。
用指定配合比在攪拌站拌灰，運(yùn)至實驗站前，將2個塊體連續(xù)澆筑完畢。對塊體溫度進(jìn)行觀測，并制作成圖
a．溫度測試結(jié)果：見圖2；
b．強(qiáng)度測試結(jié)果見表2。
2．3試驗結(jié)果分析
(1)通過絕熱升溫試驗發(fā)現(xiàn)混凝土內(nèi)部溫度峰值低、峰值出現(xiàn)時間晚的裂縫明顯減少，與現(xiàn)場套箱裂縫的發(fā)展情況比較，發(fā)現(xiàn)套箱裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的時間與混凝土內(nèi)部水化熱峰值的變化有直接關(guān)系，裂縫出現(xiàn)的時間為混凝土澆筑4 5 h，停止發(fā)展的n,-Jl'~3為混凝土澆筑20～30 h，即與混凝土內(nèi)部溫度發(fā)展的周期基本相同，因此控制混凝土內(nèi)部溫度峰值和延長混凝土溫度峰值出現(xiàn)的時間是控制套箱裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的主要途徑。我們通過對不同原材料、不同配合比進(jìn)行比對，選擇水化熱引起的溫度峰值較小的配合比，進(jìn)而控制套箱裂縫的開展。
(2)膠凝材料用量的調(diào)整
通過試驗，粉煤灰產(chǎn)生的水化熱較水泥、礦粉的水化熱要小得多，同時礦粉是通過與水泥水化熱的產(chǎn)物作用產(chǎn)生水化熱，延長了混凝土水化熱完全釋放的時間，降低了混凝土內(nèi)部升溫的幅度和溫度峰值。因此在滿足混凝土強(qiáng)度、氯離子擴(kuò)散系數(shù)要求的前提下，膠凝材料由水泥、礦粉調(diào)整為水泥、礦粉和粉煤灰，盡量減少膠凝材料中水泥用量、能夠有效減少混凝土的水化熱。通過不斷調(diào)整膠凝材料的比例和降低膠凝材料的用量是我們進(jìn)行配合比不斷優(yōu)化的重點。反復(fù)試驗，將膠凝材料用量由原來的435 kg調(diào)整到405kg，水泥、礦粉、粉煤灰的用量分別為162、81和162 kg，大大降低了水化熱。
為了滿足工程開工和施工進(jìn)度的要求，施工初期采用配合比一進(jìn)行承臺混凝土的澆注，隨著配合比試驗和研究的不斷深入，粉煤灰料源及拌和船上料計量系統(tǒng)的改造，不同季節(jié)采用不同的配合比，加上采取的工藝上的措施，使大體積混凝土裂縫得到了很好地控制。 ’
3工藝相技術(shù)措旖
通過調(diào)整混凝土中膠凝材料的用量，并增加礦粉、粉煤灰的用量和減少水泥的用量，選擇水化熱小的水泥，可以大大降低水化熱，進(jìn)而達(dá)到控制混凝土裂縫的開展。但材料的控制并非是唯一途徑，施工中工藝和技術(shù)措施也是控制混凝土裂縫的開展的重要措施。
3．1套箱施工工藝
套箱施工中，施工工藝也是控制混凝土裂縫的重要措施，重點從以下幾個方面人手加強(qiáng)對混凝土套箱預(yù)制質(zhì)量的控制，以提高套箱本身的抗裂能力：
（1）控制套箱混凝土澆注質(zhì)量，特別是對套箱頂部高性能混凝土浮漿的處理，加強(qiáng)二次振搗。
（2）加強(qiáng)對套箱的養(yǎng)護(hù)，混凝土套箱采取灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間對套箱進(jìn)行不問斷地潮濕養(yǎng)護(hù)，不得出現(xiàn)干濕循環(huán)現(xiàn)象，在滿足強(qiáng)度要求的前提下，養(yǎng)護(hù)時間不少于14 d。
（3）加強(qiáng)對套箱內(nèi)壁的鑿毛處理，特別是加強(qiáng)對預(yù)留槽口的鑿毛，以保證新老混凝土結(jié)合良好”。
（4）加強(qiáng)對在套箱內(nèi)壁預(yù)埋鐵件上焊接鋼結(jié)構(gòu)的控制，焊接時間控制在套箱滿足養(yǎng)護(hù)期之后進(jìn)行，焊接時不得在同一位置連續(xù)進(jìn)行焊接作業(yè)，避免因焊接使預(yù)埋鐵件局部溫度過高而對套箱局部混凝土產(chǎn)生不利影響。
（5）混凝土套箱頂部預(yù)留槽口，使新老混凝土施工縫從結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)抗?jié)B透能力[2]。
（6）調(diào)整套箱配筋，增加環(huán)向鋼筋數(shù)量，將原環(huán)向鋼筋~25@150調(diào)整為~20@75，配筋率增加了28％，提高了套箱抗豎向裂縫的能力。
（7）調(diào)整和控制套箱保護(hù)層厚度，據(jù)有關(guān)資料介紹，鋼筋控制混凝土裂縫出現(xiàn)的影響范圍為鋼筋直徑的6倍，因此調(diào)整后的套箱配筋為 2O，保護(hù)層75 mm，鋼筋間距75 mm。
3．2現(xiàn)場承臺結(jié)構(gòu)混凝土施工采取的技術(shù)措施
(1)I~t于海工耐久性混凝土中膠凝材料摻入了大量的礦粉、粉煤灰，水化時間較長，同時由于采用了減水率高達(dá)25％～3O％的高效減水劑，混凝土本身水灰比較小，為了滿足混凝土二次水化的要求，必須加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)。
加強(qiáng)了對結(jié)構(gòu)混凝土的養(yǎng)護(hù)，特別要加強(qiáng)混凝土開始養(yǎng)護(hù)時間的控制。通過絕熱升溫實驗得知，混凝土澆注24 h左右，混凝土溫度達(dá)到峰值，在此時期內(nèi)混凝土溫度上升較快，因此特別要控制混凝土開始養(yǎng)護(hù)的時間?；炷脸跄髮Φ讓踊炷吝M(jìn)行蓄水養(yǎng)護(hù)，頂層混凝土采用土工布覆蓋，蓄水進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時間不少于14 d。
(2)循環(huán)水降溫
承臺混凝土施工采取循環(huán)水降低混凝土內(nèi)部因水化熱引起內(nèi)部溫度升高的峰值，進(jìn)而降低混凝土內(nèi)外溫差。承臺混凝土分兩層澆注，第一層埋設(shè)1層循環(huán)水管，第二層埋設(shè)2層循環(huán)水管，循環(huán)水管間距9Ocm，層距75 cm，循環(huán)水管采用 33．5 mm的薄壁鋼管，混凝土澆注終凝前即對其進(jìn)行通循環(huán)水降低混凝土內(nèi)部溫度，循環(huán)水養(yǎng)生時間不少于7 d，循環(huán)水每隔12 h調(diào)整一次通水方向，便于混凝土內(nèi)部水化熱的均勻散發(fā)。
隨著工程的逐步進(jìn)展，通過將循環(huán)水管直徑由33．5 mm調(diào)整為48 mm，增大循環(huán)水的流量，同時對循環(huán)水管的布置方式進(jìn)行調(diào)整，按照最外層水管距混凝土表面50 cm，水管間距由90 cm向中心逐漸調(diào)整為60 cm的原則布置，增加混凝土中心區(qū)域循環(huán)水管布置的密度，進(jìn)而加強(qiáng)混凝土內(nèi)部溫度的散發(fā)。
(3)混凝土冷水拌和
在“永和”號混凝土拌和船上增加了冷水機(jī)組，冷水機(jī)組可以將拌和用水的溫度降低20℃，船艙內(nèi)的拌和用水通過冷水機(jī)組降溫后儲存到水罐內(nèi)，混凝土拌和采用冷水拌和，降低混凝土的出機(jī)溫度和入模溫度，在施工過程中對混凝土的入模溫度進(jìn)行測定和控制，通過降低混凝土入模溫度降低混凝土內(nèi)部溫度峰值和內(nèi)外溫差，減小在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力的溫度梯度，進(jìn)而控制裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展。
(4)混凝土套箱結(jié)構(gòu)混凝土分兩次進(jìn)行澆注承臺結(jié)構(gòu)直徑12 m，高3 m，結(jié)構(gòu)混凝土分兩次進(jìn)行澆注，第一次澆注1．3 m，第二次澆注1．7 m，減少了混凝土一次澆注的體積，有利于混凝土溫度梯度和峰值的控制。
(5)分層下灰及振搗措施
混凝土澆注分層下灰，盡量減小分層厚度，延長混凝土的澆注時間，合理控制混凝土布料位置，由四周逐漸向中間下灰，混凝土分層振搗密實。
4總結(jié) ．
海工混凝土體積大，設(shè)計壽命長，使用安全性不僅關(guān)系建筑物本身，往往影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)，甚至影響國計民生，混凝土早期裂縫控制是技術(shù)、質(zhì)量工作的重點。在工程實踐中要注意：
(1)適當(dāng)降低施工隊7 d對混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值80％的要求，在保證14 d強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值80％及28 d強(qiáng)度要求或利用56 d強(qiáng)度的前提下，使混凝土水化熱溫峰推遲并降低水化熱，使套箱結(jié)構(gòu)混凝土的內(nèi)外溫差緩慢增大，降低溫差增大的變化對套箱結(jié)構(gòu)混凝土產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，其中適時適量摻緩凝劑是有效途徑之一。
(2)由于澆筑套箱混凝土后混凝土水化熱的釋放，套箱結(jié)構(gòu)混凝土壁呈內(nèi)熱外冷狀態(tài)，套箱外壁受拉應(yīng)力，內(nèi)壁受壓應(yīng)力，因此在制作套箱時在套箱內(nèi)側(cè)埋設(shè)冷卻水管或安裝套箱后在套箱內(nèi)側(cè)安裝冷卻水管，用水冷卻內(nèi)壁區(qū)域，使套箱內(nèi)外壁溫差減少，進(jìn)而降低套箱外壁的拉應(yīng)力，抑制套箱開裂。
(3)與第二個建議相反，采用套箱外壁保溫措施，也將降低套箱內(nèi)外壁溫差，減輕套箱開裂趨勢。
(4)由于套箱結(jié)構(gòu)的上部邊緣有“邊緣效應(yīng)”，上邊緣外壁拉應(yīng)力增加較大，因此在上邊緣0．5 m范圍可澆筑鋼纖維混凝土，以抵抗“邊緣效應(yīng)”，減少套箱上邊緣混凝土的開裂【3]。
(5)為降低混凝土溫升，可選擇低熱或中熱水泥，將減少水化熱及降低溫升。
(6)根據(jù)杭州灣大橋承臺混凝土質(zhì)量要求，確定承臺混凝土所要求達(dá)到的裂縫控制水平，與甲方、設(shè)計及監(jiān)理共同確定允許的裂縫寬度。
(7)其它措施例如降低人模溫度(加冰屑、冷卻骨料等)、提高套箱預(yù)制質(zhì)量等措施不再贅述。
(8)進(jìn)行溫度經(jīng)時監(jiān)測，檢驗溫控措施的效果，同時對打灰的時間間隔給予指導(dǎo)，不斷完善措施，使綜合防裂措施有效運(yùn)行。
參考文獻(xiàn)：
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