牛栏江特大桥大体积砼防裂技术控制

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摘要 本文介绍了牛栏江特大桥4＃、5＃主墩承台大体积砼防裂纹所采取的技术措施，为防止水泥水化热产生温度裂纹，采用了多种方法，以期为今后的施工提供借鉴。

关键词 承台大体积砼；温度监控；裂缝；观测

中图分类号U445 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）47-0041-03

0 引言

昭待高速公路牛栏江特大桥地处云南省昭通市鲁甸县江底镇与曲靖市会泽县梨园乡交界处，属云贵高原中山河谷地貌，地形陡峭，坡角40°~55°，相对高差140m，海拔介于1 240.0m~1 375.0m之间，系云南省七大地震带，地震活动十分频繁。中心里程为昭（通）~待（补）公路K260+597，全长600m，桥跨为3×40+90+170+90+3×40m，主桥长350m，桥宽12m，在牛栏江两岸各设一交界墩，桥轴线近斜50度跨越牛栏江。主桥箱梁为预应力钢筋砼单箱单室变高度变截面连续梁，主墩墩高126.06m，为已建同类桥梁亚洲第一高墩。该桥主墩承台几何尺寸为17.8×17.8×5.1m，砼强度等级为C30，方量为1 615.9m3。该处江谷宽约70m，垂直气候分带明显，常有劲风，区域性温差较大，年平均气温12.1℃~12.7℃，极端最高气温31.7℃，极端最低气温-15.6℃，年无霜期长达295d~310d，平均降水在800mm~1 000mm之间，多集中在5月份~10月份。

1 裂缝及温度应力的分析

在大体积砼中，温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先，在施工中砼常常会出现温度裂缝，影响到结构的整体性和耐久性。其次，在运转过程中，温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝，在此笔者仅对牛栏江特大桥施工中砼裂缝的成因和防止措施做一介绍。

1.1 裂缝的原因

砼中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，砼的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。

砼硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在砼内部出现拉应力。同时气温的降低也会在砼表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出砼的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多砼的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部砼的约束，也往往导致裂缝。且砼是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期和长期加荷时的极限拉伸变形都很小。由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块砼中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低的易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋砼中，拉应力主要是由钢筋承担，砼只是承受压应力。但在素砼内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠砼自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中砼由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在砼内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可能超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

对于大体积砼，其形成的温度应力与其结构尺寸相关，在一定尺寸范围内，砼结构尺寸越大，温度应力也越大，因而引起裂缝的危险性也越大，这就是大体积砼易产生温度裂缝的主要原因。

1.2 温度应力的分析

水泥水化热在1d~3d可放出热量的50%，由于热量的传递、积存，砼内部的最高温度大约发生在浇筑后的3d~5d，因为砼内部和表面的散热条件不同，所以砼中心温度低，形成温度梯度，造成温度变形和温度应力。温度应力和温差成正比，温度越大，温度应力也越大。当这种温度应力超过砼的内外约束应力（包括砼抗拉强度）时，就会产生裂缝。这种裂缝的特点是：裂缝出现在砼浇筑后的3d~5d，初期出现的裂缝很细，随着时间的发展而扩大，甚至达到贯穿的情况。

根据温度应力的形成过程可分为以下3个阶段：

1）早期

自浇筑砼开始至水泥放热基本结束，一般约30d。这个阶段的具有两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化，这一时期在砼内形成残余应力。

2）中期

自水泥放热作用基本结束时起至砼冷却到稳定温度时止，这个时期中，温度应力主要是由于砼的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝上的弹性模量变化不大。

3）晚期

砼完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相迭加。

根据温度应力引起的原因可分为两类：

1）自生应力：边界上没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，该桥主墩，结构尺寸相对较大，砼冷却时表面温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。

2）约束应力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而引起的应力。

这两种温度应力往往和砼的干缩所引起的应力共同作用。在大多数情况下，要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小，需要依靠模型试验或数值计算。砼的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响。

2 防止大体积砼开裂措施

为了防止大体积砼开裂，根据牛栏江特大桥的具体情况，施工中的关键问题是降低砼浇筑和养护过程的水化热，避免温度应力集中造成砼结构开裂，以保证砼的质量，为此不仅从砼配合比上控制水化热，而且还要从施工工艺进行控制。因此，在施工过程中采取了如下几项具体措施：

2.1减少水泥用量，优选水泥品种，降低砼水化热

大体积钢筋砼引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚，使砼出现早期升温和后期降温，产生内部和表面的温差。减少温差的措施是选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，在掺加泵送剂或粉煤灰时，也可选用矿渣硅酸盐水泥。再有，可充分利用砼后期强度，以减少水泥用量。根据大量试验研究和工程实践表明，每m3砼的水泥用量增减10kg，其水化热将使砼的温度相应升高或降低1℃。

因此，预防和控制砼裂缝首先应从降低水泥水化热着手并确定施工配合比，优先考虑级配较好的原材料。降低水化热的途径主要有掺入适量的减水剂和粉煤灰来代替一部分水泥（减少水泥用量）用量两种方法。

1）原材料来源

（1）水泥：云南曲靖云维股份有限公司云维牌P.S42.5（旋窑）；

（2）细集料：坪子料场机制砂，中砂；

（3）粗集料：坪子料场5mm~31.5mm碎石，联合破碎料；

（4）水：鲁甸县江底牛栏江江水；

（5）粉煤灰：昆明阳宗海发电有限责任公司Ⅱ级粉煤灰，掺量为胶凝材料的15％；

（6）外加剂：昆明仁维外加剂厂RW泵送剂（缓凝剂），掺量为水泥用量的0.8％。

2）承台C30砼配合比（见表1）

3）7d抗压强度25.8MPa，28d抗压强度38.5MPa

4）设计塌落度为160mm~180mm，实测塌落度为165mm，和易性良好

2.2 砼温度控制与防裂措施

就理论计算而言，水泥水化过程中产生大量的热量，每g水泥释放出502J的热量，如果以水泥用量350kg/m3~550kg/m3来计算，每m3砼将放出17 500kJ~27 500 kJ的热量，从而使砼内部温度升高，在浇筑温度的基础上，通常升高35℃左右。如果按照该大桥所处地理位置的最高浇筑温度为30℃，则可使砼内部温度达到65℃左右。对大体积砼而言，如果不采取降温措施，砼内部温度可达90℃以上。