1 1、前言
西堠门大桥是舟山大陆连岛工程中的第四座大桥，北端连接册子岛，南端连接金塘岛，横跨西堠门水道，为主跨1650m的大跨径悬索桥。其南北承台混凝土平面尺寸为16.8×22.8m、高7m，单个承台混凝土方量约2643m3，砼设计强度等级C30。南北承台均采用桩基础，承台底部为12根Ф2.8m嵌岩桩。
大体积混凝土由于水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这个阶段中混凝土的体积亦随之伸缩，若各块混凝土体积变化受到约束就会产生温度应力，如果该应力超过混凝土的抗裂能力，混凝土就会开裂。
为防止大体积混凝土温度裂缝的产生，应主要从两方面着手：一是提高混凝土材料本身的抗裂特性；二是减小外力、温度、约束等作用在结构内部产生的效应。
大体积混凝土施工主要难度在于如何控制水化热，避免混凝土开裂或造成过大的温度应力。目前采用的通用办法就是优化配合比，调节混凝土材料的入模温度，混凝土内部进行温度调节，合理划分浇筑高度及浇筑顺序，加强混凝土的养护等措施。
2、混凝土配合比优选及原材料选择
为使大体积混凝土具有水化热低、可泵性好、体积稳定性好、抗侵蚀性和抗裂性能优良等性能，砼进行如下试配：
2.1水泥：选用采用华新32.5矿渣硅酸盐水泥，备选南京双猴32.5矿渣硅酸盐水泥，根据试验结果，水泥的细度、标准稠度、凝结时间、安定性、胶砂强度均满足规范要求。
2.2粉煤灰：选用谏壁电厂I级粉煤灰，其品质检验指标符合规范要求。
2.3外加剂：选用江苏建科院JM-2缓凝高效降水剂，其品质检验指标符合规范要求。
2.4砂子：选用福建闽江砂，其性能检验指标符合规范要求。
2.5石子：选用镇海大东方石场石子，其物理、化学性能检验指标符合规范要求。
2.6水：自来水。
2.7砼的水胶比为0.414，经过多次试配及监理试验室平行试验，确定C30泵送砼每立方材料用量：水泥259kg、中砂759kg、碎石1069kg、水153.2kg、粉煤灰111kg、外加剂2.22kg；坍落度为80～185mm。
3、大体积混凝土温度应力仿真计算
大体积砼施工的关键是控制温度裂缝的出现，为了验算砼温差和砼收缩所产生的温度应力是否超过当时承台砼的极限抗拉强度，进行了防裂理论计算：
3.1数值模型
计算中使用的绝热温升、弹性模量、徐变度的数值模型分别为：
3.1.1绝热温升
绝热温升公式取双曲线函数
3.1.2 弹性模量
3.1.3徐变度
3.2混凝土材料参数
承台混凝土弹性模量、劈裂抗拉强度、绝热温升、线膨胀系数根据经验取值。
表3－1混凝土物理热学参数
|
工程部位
|
混凝土标号
|
弹模增长
指数
|
最终弹模
(×104MPa)
|
热胀系数
(10-6/℃)
|
混凝土绝热温升(℃)
|
|
承台
|
C30
|
0.15
|
3.4
|
8.46
|
32.0
|
表3－2混凝土劈裂抗拉强度取值表（MPa）
|
龄期(d)
|
7
|
14
|
28
|
60
|
|
C30
|
1.21
|
2.15
|
3.01
|
3.4
|
3.3其他计算条件
u单个承台混凝土平面尺寸为16.8×22.8m，高7m，分四层浇筑，浇筑厚度分别为1.5m、1.5m、1.5m、2.5m。
承台受12根Ф2.8m桩基约束，计算时基础弹模取2.4×104MPa。
计算时考虑混凝土表面的保温，按侧面覆盖一层聚乙烯卷材和一层彩条布、顶部覆盖两层麻袋考虑。
计算时考虑冷却水管降温效果。承台混凝土共布设五层冷却水管，冷却水管水平间距为0.9m。取C30承台混凝土水化热温升32℃。
气温资料参考招标文件，平均风速按6m/s考虑。
计算时考虑徐变对混凝土应力的影响。
3.4计算结果
表3－3承台混凝土内部最高温度计算结果
|
工程部位
|
混凝土标号
|
最高温度(℃)
|
龄期(d)
|
最大内表温差(℃)
|
|
承台第一层
|
C30
|
41.8
|
2-3
|
12.5
|
|
承台第二层
|
C30
|
42.0
|
2-3
|
12.6
|
|
承台第三层
|
C30
|
42.0
|
2-3
|
12.6
|
|
承台第四层
|
C30
|
42.3
|
1-2
|
12.6
|
表3－4承台混凝土温度应力特征值（MPa）
|
龄期
部位
|
7d
|
14d
|
28d
|
60d
|
90d
|
120d
|
|
承台第一层
|
0.83
|
1.25
|
1.51
|
1.91
|
2.32
|
2.29
|
|
承台第二层
|
0.87
|
1.27
|
1.55
|
1.89
|
2.30
|
2.26
|
|
承台第三层
|
0.87
|
1.26
|
1.52
|
1.85
|
2.30
|
2.25
|
|
承台第四层
|
0.97
|
1.24
|
1.48
|
1.79
|
2.32
|
2.23
|
对比表3－2、表3－4可以看出，承台分四次浇筑，砼内部各龄期主拉应力均小于混凝土劈裂抗拉强度，混凝土抗裂安全系数K≥1.3，能满足要求。
4、温控标准
混凝土温度控制的原则是：1）尽量降低混凝土温升、延缓最高温度出现时间；2）降低降温速率；3）降低混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间的温差以及控制混凝土表面和气温之间温差。温度控制的方法和制度需根据气温（季节）、混凝土内部温度、结构尺寸、约束情况、混凝土配合比等具体条件确定。根据本工程的实际情况，控制如下温控标准：
混凝土夏季最高浇筑温度≤30℃；
混凝土最大水化热温升：承台C30混凝土≤29℃；
最大内表温差及相邻块温差：承台≤25℃；
冬季混凝土表面温度与气温之差≥20℃，混凝土表面养护水温度与混凝土表面温度之差≤15℃；
允许混凝土最大降温速率≤2.0℃／d。
5、施工
5.1混凝土浇筑温度的控制
降低混凝土的浇筑温度对控制混凝土裂缝非常重要。相同混凝土，入模温度高的温升值要比入模温度低的大许多。混凝土的入模温度应视气温而调整。在炎热气候下不应超过30℃，冬季不应低于5℃。在混凝土浇筑之前，通过测量水泥、粉煤灰、砂、石、水的温度，可以估算浇筑温度。若浇筑温度不在控制要求内，则应采取相措施。
5.1.1夏季降低混凝土入仓温度的措施有：
1）水泥使用前应充分冷却，确保施工时水泥温度≤50℃。
2）搭设遮阳棚，堆高骨料、底层取料、用水喷淋骨料。
3）避免模板和新浇筑混凝土受阳光直射，入模前的模板与钢筋温度以及附近的局部气温不超过40℃。为此，应合理安排工期，尽量采用夜间浇筑。
4）当浇筑温度超过30℃，应采用拌和水加冰措施。
5）当气温高于入仓温度时，应加快运输和入仓速度，减少混凝土在运输和浇筑过程中的温度回升。混凝土输送管外用草袋遮阳，并经常洒水。
6）混凝土升温阶段，为降低最高温升，应对模板及混凝土表面进行冷却，如洒水降温、避免暴晒等。
5.1.2冬季施工
如日平均气温低于5℃时，为防止混凝土受冻，可采取拌和水加热及运输过程的保温等措施。
5.2控制混凝土浇筑间歇期、分层厚度各层混凝土浇筑间歇期应控制在5－7天左右，最长不得超过10天。为降低老混凝土的约束，需做到薄层、短间歇、连续施工。如因故间歇期较长，应根据实际情况在充分验算的基础上对上层混凝土层厚进行调整。
结合施工要求，承台砼拟分四层浇筑，浇筑厚度分别为1.5m、1.5m、1.5m、2.5m。为减小基础约束并考虑结构的特点，分层厚度由薄到厚，分层厚度示意图见图5－1。
5.3冷却水管的埋设及控制
5.3.1水管位置
根据混凝土内部温度分布特征，承台混凝土2m以下布设一层冷却水管，2m以上布设两层冷却水管，共布设五层冷却水管。冷却水管均为φ40×2mm的电焊钢管，其水平间距为0.9m，每根冷却水管最大长度为150－200m，冷却水管进出水口集中布置，以利于统一管理。
5.3.2、冷却水管使用及其控制
1）冷却水采用自来水，不得采用海水；
2）冷却水管使用前进行压水试验，防止管道漏水、阻水；
3）为确保大体积混凝土内部通水冷却效果，冷却水通水流量应达到32－40L/min，且应控制冷却水流向，使冷却水从砼高温区域流向低温区域；
4）为确保大体积混凝土内部冷却均匀，冷却水管进出水温差小于5℃。
5）混凝土浇筑到各层冷却水管标高后开始通水，各层混凝土峰值过后，降温速率超过2℃／d时停止通水。为防止上层混凝土浇筑后下层混凝土温度的回升，采取二次通水冷却，通水时间根据测温结果确定。
6）控制进出水温度，夏季进水温度不宜超过25℃，可选取地下水或水库深层水；冬季不应低于10℃，可与冷却水出水混合提高温度。
为保证冷却水的初期降温效果，项目部应与温控单位协调配合，根据现场实际情况，优化冷却水管的管路布置，合理选择水泵，并配备检修人员，以保证冷却系统正常工作。
5.4内表温差控制
对于大体积混凝土，由于水化放热会使温度持续升高，如果气温不是过低，在升温的一段时间内应加强散热，如模板洒水降温等。当混凝土处于降温阶段则要保温覆盖以降低降温速率。
混凝土在降温阶段如气温较低或突遇寒潮，内表温差大于25℃或气温低于混凝土表面温度超过20℃，必须对大体积混凝土进行保温养护。做法如下：混凝土侧面采用吊挂麻袋（土工布）外包一层彩条布保温。必要时塔设保温棚，用碘钨灯照射混凝土表面并洒热水养护。混凝土的拆模时间不仅要考虑混凝土强度，还要考虑混凝土的温度和内外温差，以免突然接触空气时降温过快而开裂。冬季应延长拆模时间不少于一周，且拆模时间应选择一天中温度较高时段。拆模后应及时覆盖保温。
5.5混凝土养护
混凝土养护包括湿度和温度两个方面。结构表层混凝土的抗裂性和耐久性在很大程度上取决于施工养护过程中的温度和湿度养护。因为水泥只有水化到一定程度才能形成有利于混凝土强度和耐久性的微结构。目前工程界普遍存在的问题是湿养护不足，对混凝土质量影响很大。湿养护时间应视混凝土材料的不同组成和具体环境条件而定。对于低水胶比又掺用掺和料的混凝土，潮湿养护尤其重要。不同混凝土养护的最低期限见表5-1。
本工程可采用冷却水管出水养护，既能达到保温、保湿养护的效果，又可以减少水资源的浪费。夏季或气温较高时，混凝土表面应加强潮湿养护，在条件允许的情况下尽可能采用表面蓄水，防止混凝土出现干缩裂缝。当气温急剧下降或气温低于5℃时，应洒热水养护或采用塑料薄膜养护。湿养护的同时，还要控制混凝土的温度变化。根据季节不同采取保温和散热的综合措施，保证混凝土内表温差及气温与混凝土表面的温差在控制范围内。
表5－1不同混凝土温养护的最低期限
|
混凝土类型
|
水胶比
|
大气湿度（50％
无风，无阳光直射
|
大气湿度干燥（RH<50%）
有风，或阳光直射
|
||
|
日平均气温
|
湿养护期限
|
气温日平均
|
湿养护期限
|
||
|
胶凝材料中掺有粉煤灰（15％）或矿渣（>30%）
|
≥0.45
|
5℃
|
14天
|
5℃
|
21天
|
|
10℃
|
10天
|
10℃
|
14天
|
||
|
≥20℃
|
7天
|
≥20℃
|
7天
|
||
|
≤0.45
|
5℃
|
10天
|
5℃
|
14天
|
|
|
10℃
|
7天
|
10℃
|
10天
|
||
|
≥20℃
|
5天
|
≥20℃
|
7天
|
||
|
胶凝材料主要为硅酸盐或普通硅酸盐水泥
|
≥0.45
|
5℃
|
10天
|
5℃
|
14天
|
|
10℃
|
7天
|
10℃
|
10天
|
||
|
≥20℃
|
5天
|
≥20℃
|
7天
|
||
|
≤0.45
|
5℃℃
|
7天
|
5℃
|
10天
|
|
|
10℃
|
5天
|
10℃
|
7天
|
||
|
≥20℃
|
3天
|
≥20℃
|
5天
|
||
注：当有实测混凝土表面温度数据时，表中气温用实测表面温度代替。
5.6施工控制
为确保大体积混凝土施工质量，提高混凝土的均匀性和抗裂能力，必须加强对每一环节的施工控制，混凝土施工严格按照《公路桥涵施工技术规范》（JTJ04189）执行，并特别注意以下方面：
1）混凝土拌至配料前，各种衡器清计量部门进行计量标定，称料误差符合规范要求，严格按确定的配合比拌制。
2）混凝土按规定厚度、顺序和方向分层浇筑，在下层混凝土初凝前浇筑完上层混凝土，混凝土分层布料厚度不超过30cm。
3）严格按规范要求进行各层间和各块间水平和垂直施工缝处理，沿侧面混凝土表面布设防裂金属网，防止表面裂缝的产生。
5.7现场监控
通过大量的工作对大体积混凝土的施工过程温度控制将取到实质的成果，但是现场监控仍然是不可缺少的重要环节。为检验施工质量和温控效果，掌握温控信息，以便及时调整和改进温控措施，做到信息化施工，需对混凝土进行温度及应变进行监测。因为大体积混凝土的温度、应力发展及防裂是一个十分复杂的问题，外界温度、湿度、施工条件、原材料变化等都会引起温度、应力的变化，只有通过温控及应力监测，才能更准确地了解结构的质量与抗裂安全状况。现场监控主要包括温度和应力监控。
6、监理
针对大体积混凝土施工，监理应首先仔细审查施工组织设计、施工方案和温控方案，检查浇筑的施工方案和施工程序是否可行，检验和审查工程材料、设备的质量，杜绝质量事故的隐患，保证大体积混凝土的顺利浇筑。
6.1针对大体积混凝土所需的材料、设备进行检查
由于大体积混凝土中材料用量大，监理必须要求施工单位保证水泥、砂、石、水、粉煤灰、外加剂等均满足数量和质量双重要求，在有试验报告和质保证书的前提下，再审核混凝土的配合比是否正确。由于在海岛上施工，还必须保证淡水的供应。
针对大体积混凝土的施工时间长，加上地理位置在一个海岛上，为保证施工连续进行，防止因设备故障而中途停止大体积混凝土浇筑，必须要求配备备用设备。而且，在开始施工前，还要求施工单位对主要设备进行试运行，校核各种计量器具，并提供计量部门的计量合格证。
6.2在大体积混凝土施工前全面检查
为保证结构质量，在大体积混凝土施工前，必须全面检查浇筑部位的钢筋及其接头、模板、冷却水管的型号、位置等是否与图纸相符。对于预埋钢筋和预埋件要逐一核对，防止少埋或错埋现象。对于钢筋接头，由于采用了机械连接和焊接多种形式，因此，在每层浇筑前监理都要抽检，合格后方能进行浇筑。
针对大体积混凝土厚度高，模板有横向接缝。为保证质量，模板接缝处必须保证不漏浆，内部光滑无明显接缝。
对冷却水管还要进行压水试验，防止管道漏水、阻水。
6.3在大体积混凝土施工时应全过程旁站监理
对于大体积混凝土施工过程中，现场监理工程师必须全天候的、24小时跟班旁站监理，如发现问题应及时处理。试验监理工程师必须亲自在混凝土搅拌站现场监督，检查生产配合比是否正确，测定砼坍落度是否稳定，并查看混凝土出料温度记录情况，试件抽取、制作是否符合要求，并抽检取样。如发现质量问题，及时通知整改，消灭质量隐患。
6.4在大体积混凝土浇筑结束后，要随时抽查温度记录和养护情况
在大体积混凝土施工后，必须对其温度检查记录和混凝土的养护工作引起重视。如果发现温度超出设计温度，必须马上要求施工单位处理，防止温度裂缝产生。如发现养护不及时或天气有突变的可能，必须提前采取措施，防止混凝土发生开裂。
7、结束语
大体积混凝土，通过采用冷却技术，把温度控制在设计要求内，能有效防止温度裂缝的出现。通过施工前的试验、计算，加上施工单位的精心组织和监理单位的监督指导，不但为承台大体积混凝土施工创造了良好的条件，而且为大体积混凝土结构的质量提供了有利保证，更为其他大体积混凝土施工提供了宝贵的资料。