深中通道现浇墩身大体积混凝土裂缝控制技术

王康臣，徐文，谢彪，吴玲正，邹威，夏丰勇

（1.广东省公路建设有限公司，广东 广州 510600；2.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211103；3.高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏 南京 211103；4.深中通道管理中心，广东 中山 528400）

1 工程概况

深中通道是继港珠澳大桥之后，我国的又一世界级跨海通道集群工程，深中通道地处珠江中游核心区域，位于虎门大桥与港珠澳大桥之间，连接深圳与中山市、江门市等地，全长约24 km，由桥、岛、隧、水下互通组成，其通航主桥伶仃洋大桥有着1666 m 的特大跨度[1-2]，未来有望成为全球最高海中大桥，而非通航孔桥段也包括高度从几米至上百米不等的大量墩身结构，身处外海域作业环境，墩身施工风险和难度也是极大。墩身为钢筋混凝土现浇结构，墩形普遍采用变截面的六边形实心结构，对比不同桥梁标段墩身结构尺寸，外形尺寸比例差别不大，因此选取具有代表性的西泄洪区34#墩进行分析和研究。

典型桥墩34#墩身高56.867 m，平面尺寸为[4 m（顺桥向）×12.062 m（横桥向）]～[3.33 m（顺桥向）×8 m（横桥向）]，四周倒角从0.503 m 变换到0.333 m，墩身标准浇筑节段为6 m，底部0.367 m 和承台一起浇筑，上部墩身6 m×9+2.5 m 十层浇筑，结构示意如图1所示。墩身混凝土设计强度等级为C50，混凝土配合比中矿物掺合料掺量高，且矿粉占胶凝材料比例大，混凝土绝热温升高，同时，工程区域地处海洋环境，伴有季节性强降雨及冷击天气，若混凝土各方面温度控制不当，混凝土极易因内部温度应力过大而导致结构开裂[3-5]，且不同季节相对湿度变化大，干燥收缩相对较大，这也进一步增大墩身结构开裂风险。因此，根据数值模拟计算及有限元分析结果，并经过墩身足尺模型试验验证实际施工工况，依据试验结果针对性地进行试验方案优化，制定科学合理有效的大体积混凝土控裂措施对保障大体积混凝土顺利施工至关重要。

图1 墩身结构示意

2 结构混凝土开裂风险评估

2.1 开裂风险系数定义

开裂风险系数采用结构混凝土主拉应力与极限抗拉强度之比表示，具体定义为：

式中：σ（t）——t时刻混凝土的最大拉应力，MPa；

f（tt）——t时刻混凝土的抗拉强度，MPa。

混凝土开裂风险评判准则：一般认为η＞1.0 时，混凝土一定会开裂；考虑材料性能的波动性，认为0.7＜η＜1.0 时，混凝土存在较大的开裂风险；η＜0.7 时，混凝土基本不会开裂。

2.2 开裂风险评估

多因素耦合作用下的大体积混凝土裂缝控制研究已成为一项重要的研究课题[6-7]，本工程现浇墩身结构具有强度等级高、一次性浇筑方量大、横截面大、先浇混凝土对后浇混凝土约束大、内部温升高并且工程所处气候环境复杂等特点，总体开裂风险较高。本工程通过建立混凝土“水化-温度-湿度-约束”多场耦合机制与模型[8]，更准确地反映大体积混凝土开裂风险，对墩身结构的温度、应力场及开裂风险进行计算，根据计算结果完善墩身大体积混凝土裂缝控制方案。

结合现场情况，选取基本工况如下，模板类型为钢模板，入模温度28 ℃，环境温度25 ℃，承台与第1 层浇筑时间间隔5 d，上表面蓄水保温。由于墩身为分节段浇筑，现选取外约束最大的第1 层进行数值模拟计算，主要计算采用冷却水管以及不采用冷却水管的2种工况条件。混凝土配合比见表1，水泥为中材亨达P·Ⅱ42.5、粉煤灰为国电泰州F 类Ⅰ级、矿粉为唐山曹妃甸S95 级、砂为清远北江细度模数2.6 中砂、石子为开平市锦兴5～20 mm 碎石（表观密度2670 kg/m3）、减水剂为苏博特缓凝型HPW R-R 高性能减水剂（减水率27.3%，总掺量占胶凝材料质量的1.0%）、阻锈剂为江苏苏博特新材料有限公司复合氨基醇类阻锈剂。混凝土工作性能及力学性能实测结果见表2。物理热学参数、线膨胀系数、泊松比根据经验取值，绝热温升、自收缩（“-”代表收缩、“+”代表膨胀）、抗拉强度、弹性模量根据数值计算取值如图2所示。

表1 C50 墩身大体积混凝土的配合比 kg/m3

表2 墩身混凝土实测工作性及力学性能

图2 计算取值参数

使用结构混凝土开裂风险评估分析系统，并结合ANSYS数值分析软件对本工程墩身大体积混凝土结构进行数值模拟分析，图3 为墩身第1 层不布设冷却水管工况的计算结果。

由图3（a）可知，不布设冷却水管时，混凝土内部最高温度达75.7 ℃，内表温差超过25 ℃，若考虑原材料以及施工措施等波动因素，中心温度及内表温度很容易进一步增高。由图3（b）可知，墩身下部由于受到承台强约束作用，最大开裂风险系数超过1.0，开裂风险极高，而中心位置最大开裂风险系数也接近0.8，中心部位也存在较大的开裂风险。由图3（c）可知，墩身上表面和侧表面2.5～3.5 d 时结构开裂风险系数达到峰值，均超过1.0，开裂风险极大，墩身上表及侧表面混凝土一定会开裂。同时结合图3（d）～（f）不同龄期墩身温度应力分布可知，浇筑层混凝土早期膨胀，5 d 内应力发展较快，且侧表及上表面倒角部位应力集中现象明显，早期混凝土开裂风险极大，随着龄期的增长有部分应力有由表面向内部逐渐转移和发展的趋势，若表层裂缝向内延伸，将极大的降低混凝土在服役期内的工作和耐久性能。

图3 墩身第1 层不布设冷却水管工况的计算结果

图4 为墩身第1 层布设冷却水管工况的计算结果。

图4 墩身第1 层布设冷却水管工况的计算结果

由图4（a）可知，布设冷却水管明显降低了墩身中心的最高温度以及内表温度差，中心最高温度为62.9 ℃，混凝土内部温差始终小于15.0 ℃，冷却水管温度调控效果明显。由图4（b）可知，混凝土中心开裂风险系数始终小于0.7，中心基本不会开裂，而开裂风险最大的下部开裂风险系数也能控制在0.7内，但富余系数不够，后期施工过程中仍然需要注意强化温控及保温等事项，总体来看，布设冷却水管控裂方案效果明显。由图4（c）可知，墩身上表面和侧表面2.0～2.5 d 时混凝土开裂风险系数达到峰值，侧表面及上表面开裂风险系数始终小于0.7，基本不会开裂，但富余系数不足，即使铺设冷却水管，依然还需要进一步强化表面保温措施。同时结合图4（d）～（f）墩身早期内部温度场以及2 d、60 d 应力场分布可知，布设冷却水管对于早期温控作用明显，浇筑层混凝土早期呈膨胀状态，且由内外温差而引起的拉应力在3 d 内发展较快，拉应力早期主要集中在结构上表面和侧表面，但应力作用明显降低，温峰后混凝土呈逐渐收缩状态，混凝土表层的拉应力逐渐开始向内部转移，通过计算分析，设置冷却水管对于墩身大体积混凝土控裂效果明显。

3 足尺墩身模型试验

通过模型计算分析，冷却水管控裂效果明显，因此后续墩身浇筑采用铺设冷却水管的温控工艺，并在实体结构施工前通过足尺墩身模型试验验证和完善大体积混凝土控裂方案。

试验足尺墩身大体积混凝土浇筑高度3.0 m，采用C50 混凝土，浇筑总量约137 m3，配合比见表1。混凝土内设3 层冷却水管，冷却水管均垂直于纵桥向布设，水管水平间距100 cm，垂直间距100 cm，水管距离上下表面50 cm，距离模板侧面不小于50 cm，墩身大体积混凝土控裂技术主要指标见表3。

表3 墩身大体积混凝土裂缝控制关键施工技术指标

温控数据如图5所示。

由图5 可见，混凝土的入模温度为29.1 ℃，略高于≤28 ℃的控制标准，这可能是由于运输时间及泵送摩擦所致，后期还需要继续优化以控制入模温度。混凝土中心最高温度达77.4℃，不符合≤75 ℃的控制标准，胶凝材料水化热高于预期，混凝土缓凝时间偏短，测点在混凝土浇筑覆盖后26～29 h 即达到温峰值。后期温降过程中实际最大温降速率达4.7 ℃/d，超过控制要求的≤2.0 ℃/d。除上述指标外，其他指标满足要求。拆模后墩身模型并未发现裂缝，但在第2 天构件表面开始出现典型竖向间隔分布的温度裂缝、裂纹。

通过图5 分析及现场跟踪，发现受海上作业场地空间所限，冷却循环水箱容量较小，水化温升期间降温效率较低，未能充分发挥冷却水管的最大降温效果，这也是导致中心混凝土温度偏高原因之一，因此建议在后续实体结构中，水化温升期间实时监测水温变化，勤换水箱中的水，必要时可投入冰块控温；另外，水管间距也是影响温降效率的主要因素之一，缩短水管水平间距能有效提高水管温降效率，在后续的施工中水管水平间距由1.0 m 调整为0.75 m；而针对中心温升较快的问题，在后期施工中可适当调整缓凝型聚羧酸减水剂用量进行控制。且按规定时间拆模后，现场养护力度还有继续提升空间，养护膜及篷布未及时覆盖，这也是导致构件第2 天出现裂缝的主要原因。另外，考虑到现场目前施工条件，混凝土的温降速率极难控制≤2 ℃/d，即使能控制，也需要较大的经济代价，从刚拆模时的表观并未发现明显裂缝来看，说明早期随的抗拉强度已经具有了一定抵抗温度收缩应力的能力，但海上环境温度昼夜温差较大并伴随有大风，在拆模未及时养护的情况下，此时裂缝容易产生，综合考虑现场施工条件，温降速率可适当放宽，但必须强化拆模前后混凝土侧表及顶面养护措施，必要时可适当延长拆模时间。

图5 墩身足尺模型温度监测曲线

4 现场温控措施执行情况及裂缝控制效果

根据墩身模型试验结果并结合现场作业情况，进一步优化大体积混凝土裂缝控制方案，以完善实体墩身施工工艺。根据优化后的控裂方案进行施工，实体墩身结构大体积结构典型温度曲线如图6所示。

图6 墩身大体积混凝土典型温度曲线

由图6 可见，混凝土的入模温度控制在26 ℃左右，约30 h 达到最大温峰值，内部最高温度72.6 ℃。虽然降温速率超过2 ℃/d，但通过强化模板保温，内表温差最大值仅12.3 ℃，而其他相关指标基本满足表3 大体积混凝土裂缝控制的要求。

在墩身实际施工过程中，施工单位对大体积混凝土进行了严格的温控措施，包括控制强化混凝土入模温度控制、铺设冷却水管、监控冷却循环水温度及强化墩身保温保湿等措施，整个施工过程进行实时监测，及时调整，控裂措施基本到位，该墩身从浇筑拆模至今，经过多次现场观测，均未发现明显有害裂缝，控裂效果明显改善。

5 结语

（1）采用基于混凝土“水化-温度-湿度-约束”多因素耦合机制与模型，结合本工程实际特点，模拟计算设置冷却水管和不设置冷却水管2种工况，同时以开裂风险系数评估结构大体积混凝土的开裂风险，依此获得混凝土裂缝控制参数，对优化和指导工程大体积控裂施工有重要意义。

（2）不设置冷却水管时，墩身开裂风险极大，通过设置冷却水管，能有效降低结构开裂风险，但同时也需要加强墩身侧表面以及上表面的保温保湿养护。

（3）通过墩身模型试验数据结果分析，混凝土入模温度、最高温峰值分别超过28 ℃及75 ℃，因此在后期还需强化原材料温度控制以及冷却循环水效率，冷却水管水平间距由1.0 m 调整至0.75 m，且必要时可向循环水箱中加入冰块控温。另外，墩身模型内部温降最大速率达4.7 ℃/d，且裂缝出现时间是在拆模第2 天，因此为避免温度收缩裂缝产生，拆模后结构外部还需加强的保温保湿养护。按照优化后的方案实施下，实体结构混凝土入模温度、最高温峰值、内外温差均能满足设计指标。同时根据现场调研，该方案能有效地减少墩身结构有害裂缝产生，对减少大体积混凝土裂缝产生起到积极作用。