李 仲

中鐵十七局集團(tuán)第四工程有線公司，重慶 401121

0 引言

昭待高速公路牛欄江特大橋地處云南省昭通市魯?shù)榭h江底鎮(zhèn)與曲靖市會(huì)澤縣梨園鄉(xiāng)交界處，屬云貴高原中山河谷地貌，地形陡峭，坡角40°～55°，相對(duì)高差140m，海拔介于1240.0m～1375.0m之間，系云南省七大地震帶，地震活動(dòng)十分頻繁。中心里程為昭（通）～待（補(bǔ)）公路K260+597，全長(zhǎng)600m，橋跨為3×40+90+170+90+3×40m，主橋長(zhǎng)350m，橋?qū)?2m，在牛欄江兩岸各設(shè)一交界墩，橋軸線近斜50度跨越牛欄江。主橋箱梁為預(yù)應(yīng)力鋼筋砼單箱單室變高度變截面連續(xù)梁，主墩墩高126.06m，為已建同類橋梁亞洲第一高墩。該橋主墩承臺(tái)幾何尺寸為17.8×17.8×5.1m，砼強(qiáng)度等級(jí)為C30，方量為1615.9m3。該處江谷寬約70m，垂直氣候分帶明顯，常有勁風(fēng)，區(qū)域性溫差較大，年平均氣溫12.1℃～12.7℃，極端最高氣溫31.7℃，極端最低氣溫-15.6℃，年無霜期長(zhǎng)達(dá)295d～310d，平均降水在800mm～1000mm之間，多集中在5月份～10月份。

1 裂縫及溫度應(yīng)力的分析

在大體積砼中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中砼常常會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，在此筆者僅對(duì)牛欄江特大橋施工中砼裂縫的成因和防止措施做一介紹。

1.1 裂縫的原因

砼中產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是溫度和濕度的變化，砼的脆性和不均勻性，以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等。

砼硬化期間水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束，又會(huì)在砼內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。同時(shí)氣溫的降低也會(huì)在砼表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出砼的抗裂能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。許多砼的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時(shí)干時(shí)濕，表面干縮形變受到內(nèi)部砼的約束，也往往導(dǎo)致裂縫。且砼是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右，短期和長(zhǎng)期加荷時(shí)的極限拉伸變形都很小。由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊砼中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低的易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋砼中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，砼只是承受壓應(yīng)力。但在素砼內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠砼自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中砼由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度，往往在砼內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時(shí)溫度應(yīng)力可能超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。

對(duì)于大體積砼，其形成的溫度應(yīng)力與其結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，在一定尺寸范圍內(nèi)，砼結(jié)構(gòu)尺寸越大，溫度應(yīng)力也越大，因而引起裂縫的危險(xiǎn)性也越大，這就是大體積砼易產(chǎn)生溫度裂縫的主要原因。

1.2 溫度應(yīng)力的分析

水泥水化熱在1d～3d可放出熱量的50%，由于熱量的傳遞、積存，砼內(nèi)部的最高溫度大約發(fā)生在澆筑后的3d～5d，因?yàn)轫艃?nèi)部和表面的散熱條件不同，所以砼中心溫度低，形成溫度梯度，造成溫度變形和溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力和溫差成正比，溫度越大，溫度應(yīng)力也越大。當(dāng)這種溫度應(yīng)力超過砼的內(nèi)外約束應(yīng)力（包括砼抗拉強(qiáng)度）時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。這種裂縫的特點(diǎn)是：裂縫出現(xiàn)在砼澆筑后的3d～5d，初期出現(xiàn)的裂縫很細(xì)，隨著時(shí)間的發(fā)展而擴(kuò)大，甚至達(dá)到貫穿的情況。

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下3個(gè)階段：

1）早期

自澆筑砼開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30d。這個(gè)階段的具有兩個(gè)特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時(shí)期在砼內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

2）中期

自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至砼冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中，溫度應(yīng)力主要是由于砼的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。

3）晚期

砼完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。

根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：

1）自生應(yīng)力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，該橋主墩，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，砼冷卻時(shí)表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。

2）約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。

這兩種溫度應(yīng)力往往和砼的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。在大多數(shù)情況下，要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小，需要依靠模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算。砼的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松弛，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，必須考慮徐變的影響。

2 防止大體積砼開裂措施

為了防止大體積砼開裂，根據(jù)牛欄江特大橋的具體情況，施工中的關(guān)鍵問題是降低砼澆筑和養(yǎng)護(hù)過程的水化熱，避免溫度應(yīng)力集中造成砼結(jié)構(gòu)開裂，以保證砼的質(zhì)量，為此不僅從砼配合比上控制水化熱，而且還要從施工工藝進(jìn)行控制。因此，在施工過程中采取了如下幾項(xiàng)具體措施：

2.1 減少水泥用量，優(yōu)選水泥品種，降低砼水化熱

大體積鋼筋砼引起裂縫的主要原因是水泥水化熱的大量積聚，使砼出現(xiàn)早期升溫和后期降溫，產(chǎn)生內(nèi)部和表面的溫差。減少溫差的措施是選用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥，在摻加泵送劑或粉煤灰時(shí)，也可選用礦渣硅酸鹽水泥。再有，可充分利用砼后期強(qiáng)度，以減少水泥用量。根據(jù)大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明，每m3砼的水泥用量增減10kg，其水化熱將使砼的溫度相應(yīng)升高或降低1℃。

因此，預(yù)防和控制砼裂縫首先應(yīng)從降低水泥水化熱著手并確定施工配合比，優(yōu)先考慮級(jí)配較好的原材料。降低水化熱的途徑主要有摻入適量的減水劑和粉煤灰來代替一部分水泥（減少水泥用量）用量?jī)煞N方法。

1）原材料來源

（1）水泥：云南曲靖云維股份有限公司云維牌P.S42.5（旋窯）；

（2）細(xì)集料：坪子料場(chǎng)機(jī)制砂，中砂；

（3）粗集料：坪子料場(chǎng)5mm～31.5mm碎石，聯(lián)合破碎料；

（4）水：魯?shù)榭h江底牛欄江江水；

（5）粉煤灰：昆明陽宗海發(fā)電有限責(zé)任公司Ⅱ級(jí)粉煤灰，摻量為膠凝材料的15%；

（6）外加劑：昆明仁維外加劑廠RW泵送劑（緩凝劑），摻量為水泥用量的0.8%。

2）承臺(tái)C30砼配合比（見表1）

表1 承臺(tái)C30砼配合比

3）7d抗壓強(qiáng)度25.8MPa，28d抗壓強(qiáng)度38.5MPa

4）設(shè)計(jì)塌落度為160mm～180mm，實(shí)測(cè)塌落度為165mm，和易性良好

2.2 砼溫度控制與防裂措施

就理論計(jì)算而言，水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，每g水泥釋放出502J的熱量，如果以水泥用量350kg/m3～550kg/m3來計(jì)算，每m3砼將放出17500kJ～27500 kJ的熱量，從而使砼內(nèi)部溫度升高，在澆筑溫度的基礎(chǔ)上，通常升高35℃左右。如果按照該大橋所處地理位置的最高澆筑溫度為30℃，則可使砼內(nèi)部溫度達(dá)到65℃左右。對(duì)大體積砼而言，如果不采取降溫措施，砼內(nèi)部溫度可達(dá)90℃以上。

2.2.1 絕熱升溫理論計(jì)算

式中，Tmax為絕熱升溫（℃）是指在基礎(chǔ)四周無任何散熱條件無任何耗損條件下，水泥與水化合后產(chǎn)生的熱反映（水熱化）全部轉(zhuǎn)化為溫升后的最高溫度；

W為每立方米砼中的水泥實(shí)際用量；

Q為水泥水化熱（J/kg），用42.5普通硅酸鹽水泥其為28d的水化熱為362×103J/kg.C；

C為砼的比熱J/kg.C；

Y為砼的重量kg/m3，取2450kg/m3；

即 Tmax=353×362×103/0.96×103×2450=54.3℃。

考慮該墩基礎(chǔ)砼表面和四周可散熱，散熱影響系數(shù)取0.6，水化熱溫升值則為Tmax=54.3×0.6=32.6℃。

預(yù)測(cè)基礎(chǔ)中心最高溫度應(yīng)為：32.6+30=62.6℃（30度為砼入模溫度）。

2.2.2 防裂措施

為了改善砼的性能，提高抗裂能力，在砼澆筑過程中我們加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，具體措施如下：

1）盡可能采用粒徑大的粗細(xì)集料，降低水灰比，摻入混合料、外加劑等方法來減少水泥用量，采用水化熱低的P.S42.5水泥，減小砼澆筑層厚度，加快砼散熱速度。碎石粒徑偏小，砂細(xì)度太大都會(huì)加大水泥用量而增加水化熱。故以采用級(jí)配良好的中砂為宜。經(jīng)驗(yàn)證明，采用細(xì)度模數(shù)2.8的中砂比采用細(xì)度模數(shù)2.3的中砂，可減少用水量20kg/m3～25kg/m3，可降低水泥用量28kg/m3～35kg/m3，因而降低了水泥水化熱、砼溫升和收縮；

2）砼用粗細(xì)集料應(yīng)遮陽、灑水，用冷水?dāng)嚢枰越档晚湃肽囟龋?/p>

3）嚴(yán)格控制粗細(xì)集料的含泥量。砂含泥量控制3%以內(nèi)，碎石含泥量控制在1%以內(nèi)。因集料含泥量過大會(huì)加大砼的收縮變形，從而引起砼的開裂；

4）因水化熱造成大體積砼中心溫度太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外界溫度，從而導(dǎo)致大體積砼內(nèi)外溫差過大，溫度應(yīng)力引起砼開裂，為了解決這一問題，在砼澆筑前預(yù)埋φ125鋼管作為冷卻管，豎向間距為250cm，共6排，橫向間距為250cm，共6排，通水冷卻如下圖所示。砼澆筑后注入流動(dòng)冷水進(jìn)行散熱處理，再將管內(nèi)流出的熱水回收噴灑在砼表面，以減小砼內(nèi)外溫差，通過“內(nèi)排外保”，防止因溫度應(yīng)力引起的裂紋產(chǎn)生，降溫管布置圖如圖1。

圖1

在鋼筋骨架中預(yù)埋6根φ50mm鋼管用來測(cè)量砼表面和內(nèi)部溫度，1＃、2＃管埋入砼20cm用來測(cè)量砼表面溫度，3＃、4＃、5＃、6＃管埋入4m用來測(cè)量砼內(nèi)部溫度。砼澆筑完后1h向冷卻管內(nèi)注入冷水，并在澆筑砼表面蓄水，使各散熱管內(nèi)水與承臺(tái)表面水連通，形成對(duì)流養(yǎng)生。

5）砼罐車外部淋水降溫，以降低砼入模溫度，同時(shí)適度降低砼澆筑速度。規(guī)定合理的拆模時(shí)間，進(jìn)行表面保溫，以免砼表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

6）為了與砼生產(chǎn)量相匹配采用兩組拌合站供料。一是牛欄江拌合站230m，二是小石橋拌合站9km，合計(jì)平均最小產(chǎn)量約35m3/h，按“斜面分層、薄面澆筑、連續(xù)推進(jìn)、一次到頂”原則進(jìn)行砼澆筑，以保證砼澆筑質(zhì)量。

7）嚴(yán)格控制鋼筋加工制作與模板安裝質(zhì)量，從而保證砼的澆筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量。因主墩承臺(tái)259.6 T鋼筋，墩身預(yù)埋17.2 T鋼筋，鋼材用量較大，需認(rèn)真進(jìn)行鋼筋加工制作與安裝，同時(shí)鋼筋架設(shè)、模板支撐要牢固，模板剛度應(yīng)滿足規(guī)范要求，避免施工荷載造成鋼筋嚴(yán)重下沉及傾斜現(xiàn)象發(fā)生，施工中本著經(jīng)濟(jì)、安全、質(zhì)量第一的原則，采用如下措施：（1）承臺(tái)內(nèi)部鋼筋用Φ28交叉加固；（2）墩身四周用L100×10的等邊角鋼伸入承臺(tái)底部，在承臺(tái)內(nèi)部角鋼之間用8根角鋼對(duì)角邊接；（3）在承臺(tái)之上，每2.5m加設(shè)角鋼一圈，一直至承臺(tái)之上墩身10m處，一共5圈。

8）加強(qiáng)砼振搗

因砼振搗越密實(shí)越不易開裂，為此設(shè)置插入式振搗器10臺(tái)，振動(dòng)工作面24h輪流值班，各部位責(zé)任到人，各行其事，各負(fù)其責(zé)，嚴(yán)防漏振。

振蕩器移動(dòng)間距，與側(cè)模的距離及插入下層砼深度必須滿足規(guī)范要求，避免振動(dòng)棒碰撞模板、鋼筋及其他預(yù)埋件，對(duì)每一振動(dòng)部位必須振動(dòng)到砼停止下沉不再冒出氣泡、表面呈現(xiàn)平坦、泛漿為止。同時(shí)檢查支架、模板、鋼筋和預(yù)埋件等穩(wěn)固情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)、變形、移位時(shí)，應(yīng)及時(shí)處理。

9）前期砼表面保溫養(yǎng)護(hù)

砼的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。砼的早期養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)方面的效果，一方面使砼免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮。一方面使水泥水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的。混凝上的保溫措施常常也有保濕的效果。在砼澆筑完畢收漿后盡快予以覆蓋和灑水養(yǎng)護(hù)。表面砼和空氣接觸溫度較中心溫度低，故表面砼采用麻袋和塑料布覆蓋灑水保溫，覆蓋時(shí)不得損傷或污染砼的表面，并使模板在養(yǎng)護(hù)期間經(jīng)常保持濕潤(rùn)。每d灑水次數(shù)以能保證砼表面經(jīng)常處于濕潤(rùn)狀態(tài)為度，在砼強(qiáng)度達(dá)到2.5MPa之前，嚴(yán)禁行人、運(yùn)輸工具、模板、支架及腳手架在其上面運(yùn)行和停留。

從理論上分析，新澆砼中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或防礙水泥的水化，表面砼最容易而且直接受到這種不利影響。因此砼澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來。

在砼的施工中，一般為了提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆筑的砼盡早拆模。當(dāng)砼溫度高于氣溫時(shí)應(yīng)適當(dāng)考慮拆模時(shí)間，以免引起砼表面的早期裂縫。新澆砼早期拆模，在表面引起很大的拉應(yīng)力，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象。在砼澆筑初期，由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，此時(shí)表面溫度亦較氣溫為高，此時(shí)拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上砼干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)，但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋一輕型保溫材料，如泡沫海棉麻袋等，對(duì)于防止砼表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，具有顯著的效果。

10）選擇適宜溫度澆筑砼

主墩兩個(gè)承臺(tái)的砼澆筑都選在多云天氣開盤澆筑，但澆完后又是晴天，經(jīng)測(cè)砼表面平均溫度29.0℃，前三日用麻布口袋覆蓋灑水使砼表面濕潤(rùn)，采用前述冷卻管注水降溫，經(jīng)測(cè)定砼中心平均溫度51.1℃，內(nèi)外溫差19.8℃，滿足規(guī)范要求。三日后保溫工作量可適減，同時(shí)中心降溫工作要加強(qiáng)，因大體積砼溫度受澆筑時(shí)砼入模溫度影響，故也需選擇適宜天氣施工。

2.3 溫度監(jiān)控

1）采用 SDW 型數(shù)字點(diǎn)溫儀和100℃水銀溫度計(jì)。采用多點(diǎn)位， 24h監(jiān)控溫度；

2）前五d2～4h測(cè)一次；之后6h～8h測(cè)一次；

3）經(jīng)測(cè)中心平均溫度51.1℃ ；表面最高平均溫度31.3℃ ，內(nèi)外溫差19.8℃；

4）根據(jù)測(cè)溫情況應(yīng)及時(shí)調(diào)整冷水注入和表面保溫、養(yǎng)護(hù)工作；

5）7d后整體降溫，勻速降溫，15d后基本降到灑水養(yǎng)護(hù)可保證內(nèi)外溫差不超標(biāo)（溫差≤25℃）；

6）測(cè)溫結(jié)果簡(jiǎn)評(píng)：測(cè)溫從砼入模計(jì)算，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，砼高溫區(qū)在2～7d段，3d最高，單個(gè)測(cè)點(diǎn)最高溫度為60℃，平均最高溫度為51.1℃，小于理論計(jì)算值62.6℃，這主要是砼內(nèi)部降溫管循環(huán)水起到了良好的降溫效果，同時(shí)也說明我們采用的降溫措施是成功的。

中心及表面溫度變化曲線如圖2：

圖2

2.4 裂紋觀測(cè)

1）裂紋觀測(cè)與砼澆筑同步進(jìn)行，即與溫度監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行；

2）澆筑10d后拆模，并立即進(jìn)行砼側(cè)面觀測(cè)；

3）經(jīng)觀測(cè)，最大裂紋寬度0.12mm，最長(zhǎng)裂紋 132mm，單位面積裂紋61mm/m2，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

3 結(jié)論

實(shí)踐證明，牛欄江特大橋主墩承臺(tái)大體積砼施工很成功。施工中科學(xué)施工組織管理，改善施工工藝，做好配合比選定工作，做細(xì)溫度監(jiān)控和裂紋觀測(cè)，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等方面的工作，完全可以保證大體積砼的施工質(zhì)量。

[1]公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范（JTJ041-2000）.

[2]公路工程集料試驗(yàn)規(guī)范（JTJ058-2000）.

[3]建筑用砂（GB/T14684-2001）.

[4]水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法（GB/T1346-2001）（ISO.9597：18989）.