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南京长江第四大桥大体积混凝土施工技术1引言南京长江第四大桥(以下简称南京四桥)是国务院批准的南京市城市总体规划中“五桥一隧”过江通道之一，是沪蓉国道主干线――南京绕城高速公路的过江通道和重要组成部分。南京长江第四大桥位于长江江苏南京区段内，在南京长江第二大桥下游约10公里处，距长江入海口约320km。南京四桥A2标负责北主塔(主2#墩)和北过渡墩(主1#墩)的施工。本文针对该标结构工程中大体积砼的施工关键技术进行论述。2大体积砼工程概况南京长江第四大桥A2标结构中属于大体积混凝土施工范围的有两项：一是北主塔承台，设计标号C35；二是北索塔，设计标号C55。北塔墩基础承台为哑铃形，平面尺寸72.5m×27m，厚8.5m；塔座厚1.5m。承台顶、底标高分别为+5.5m，-3.0m。承台四周设防撞钢结构，并作为承台混凝土浇筑的侧模板。承台混凝土方量为11713.9m3，分为圆端区、系梁区和后浇带三部分。单幅圆端方量为4866.7m3，单幅圆端单次浇筑最大方量为1717.7m3，分三次完成。承台结构见图1所示，塔身结构见图2所示。图1南京四桥北塔墩承台结构示意图3原因分析通常大体积混凝土施工过程中容易产生有害裂缝，这是大体积混凝土施工的通病。如何控制大体积混凝土有害裂缝的产生，提高混凝土耐久性，是大体积混凝土施工的一个难题。就目前的施工水平和环境，大体积混凝土产生裂缝的主要原因分析如下。3.1温度应力引起的裂缝混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外掺料混合而成的非均质脆性材料。大体积混凝土浇筑后，在水泥硬化过程中产生大量的水化热，由于体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升。此时混凝土表面温度与外界环境温度接近，这样就形成了内外较大的温差。较大的温差使砼内外热胀冷缩的程度不一致，造成混凝土产生一定的拉应力。而在早期，混凝土抗拉强度通常很低，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就容易出现裂缝。3.2干燥收缩混凝土硬化后，在干燥的环境下，混凝土内部的水分不断向外散发，引起混凝土由内向外的干缩变形裂缝。3.3塑性变形水泥活性大，混凝土温度高，或水灰比较小时会加剧引起开裂，这是因为混凝土泌水减少，表面水分不能补充，这时混凝土处于塑性状态，稍微受到一些拉力，表面就会出现不均匀的裂缝，裂缝出现后，混凝土内水分蒸发进一步加大，裂缝进一步扩大。4理论对策通过以上分析，大体积混凝土裂缝主要是由温度和收缩引起的，所以要采取措施最大限度降低内外温差和减少混凝土收缩。而要降低混凝土内外温差，选择合适的原材料、降低每方混凝土的水泥用量及总胶凝材料用量以降低水化热最关键。提高高性能混凝土耐久性，减少混凝土有害裂缝的产生，主要包括几个方面：优选混凝土原材料、优化混凝土配合比、加强施工过程的控制及监测及施工后的混凝土养护工作。4.1选择合适的原材料1.选用中热或低热水泥温差主要是水化热产生的，为了减小温差，就要尽量降低水化热，使用早期水化热低的水泥。试验表明，水泥水化热主要来自矿物成分中的铝酸三钙和硅酸三钙，在大体积混凝土施工中，要降低水泥水化热应优先考虑采用铝酸三钙和硅酸三钙含量低的水泥，如矿渣水泥或大坝水泥。在水泥选择过程中，对湖北华新中热硅酸盐水泥、葛洲坝中热硅酸盐水泥及镇江句容台泥普通硅酸盐水泥进行了对比试验。湖北华新中热硅酸盐水泥3天及7天水化热分别为210.13J/kg、263.63J/kg；葛洲坝中热硅酸盐水泥3天及7天水化热分别为211.28J/kg、264.91J/kg；镇江句容台泥普通硅酸盐水泥3天及7天水化热分别为216.72J/kg、268.74J/kg。通过水泥水化热试验可以看出，中热水泥水化热与普通硅酸盐水泥相比较低，有利于控制混凝土的水化放热。经过反复论证，综合各种因素，最终选择了镇江句容台泥普通硅酸盐P.O42.5水泥。主要原因有：中热水泥在国内还没有使用于特大型桥梁的先例，特别是索塔结构；中热水泥产地离施工区距离远，大大增加运输成本，且带来不确定因素；中热水泥早期强度低，不利于索塔爬模施工，延长施工周期等等。镇江句容台泥普通硅酸盐水泥与中国海螺普通硅酸盐水泥相比，水化热值低，放热速率慢。4.2掺加粉煤灰等外掺料为了减少水泥用量，降低水化热并改善混凝土的和易性，在混凝土中大量掺加粉煤灰及矿粉。由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物，这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应，是其活性的来源，可以取代部分水泥，从而降低水泥的用量；同时，粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构，使混凝土中的孔隙率降低，硬化后的混凝土更加致密，收缩值也减小。掺加矿粉的混凝土早期强度相应较低，后期强度有较大增长，混凝土“强度互补效应”对硬性化混凝土早期发挥矿粉的火山灰效应，改善浆体和集料的界面结构，后期发挥粉煤灰火山灰效应，所带来的孔径细化作用，使混凝土后期强度持续得到提高。矿粉和粉煤灰复合配制混凝土，充分发挥粉煤灰的“形态效应”，粉煤灰对浆体起到“润滑作用”，增大拌合物流动性，减少泵送阻力，能改善由于矿粉的掺入导致混凝土粘度大的特点，使新拌混凝土得到最佳的流动度和粘聚性，使其和易性得到改善。坍落度损失有所延缓，混凝土初凝时间相应延迟。一般地，混凝土耐久性是由抗碳化、抗渗性、抗冻融性等指标来表示，随着水灰比降低，强度越高，碳化深度也越小，平均渗透高度也越小，相应提高了混凝土的抗渗能力，同时也提高了混凝土的抗冻性能。随着矿物掺合料的增加，碳化深度也增大，但增长较小，不会造成增加混凝土钢筋锈蚀的风险。4.3骨料选择要合适尽量选择粒径较大的粗骨料，因为粗骨料越大，级配越好，孔隙率越小，比表面积越小，每方混凝土的水泥砂浆量和水泥用量相应越省，水化热随之降低，对防止混凝土开裂有好处。同时，还要考虑到混凝土的泵送问题，因为粗骨料粒径太大不利于泵送施工。细骨料宜采用级配良好的中粗砂，石英含量高，中粗砂其孔隙率小，砂细度模数为2.7-3.1为宜，含泥量小于1%。4.4掺加聚羧酸外加剂掺入聚羧酸系列缓凝高效减水剂，目的是改善混凝土的性能。一方面降低水灰比，提高混凝土强度，或者在保持混凝土强度的同时减少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的减少对防止开裂是十分有利的；另一方面延缓混凝土放热峰值的出现时间，由于混凝土的强度会随着龄期的增长而增大，所以等放热峰值出现时，混凝土的抗拉强度已经增大了，从而减小裂缝出现的机率，还可以减小混凝土的坍落度的经时损失。5关键措施5.1混凝土配合比的设计与调整南京长江第四大桥北塔设计为C55钢筋混凝土结构，由于为大体积高标号混凝土结构，为减小混凝土的开裂风险，混凝土强度验收龄期为60天，这样可以利用混凝土后期强度，减少每方混凝土中的水泥用量，降低混凝土的水化热，减小开裂风险。设计混凝土初凝时间为10-12h，终凝时间为14-16h。为了达到这个目的，在满足规范及设计文件的前提下，在混凝土中大量掺加粉煤灰及矿粉等外掺料，粉煤灰的水化热较小，且粉煤灰能增加混凝土强度的后期强度；在满足施工的前提下，使用较小的砂率，从而提高结构的抗裂能力。在所以原材料确定后，进行了大量的混凝土配合比试验，在满足施工要求的各项性能的前提下，比较不同混凝土配合比半绝热温升，从而推断混凝土浇注过程中产生的绝热温升，选择温升最小的混凝土配合比。主要的思路为：调整每方混凝土中胶凝材料的用量、水泥与粉煤灰及矿粉之间的比例、5-16mm及16-25mm碎石的比例、水胶比等。北索塔C55选择的混凝土配合比为：北塔承台混凝土设计验收龄期为60天，混凝土抗渗等级为W12,混凝土配合比设计思路为大量掺加粉煤灰，掺量为32%，选用较小坍落度，避免大面积施工振捣后出现大量浮浆，增加凿毛难度，同时降低表层混凝土抵抗裂缝的能力。具体试验方法为：调整混凝土胶凝材料用量、调整粉煤灰掺量及水胶比，比较混凝土和易性、抗渗性能、抗压强度及半绝热温升。采用正交试验方法，试验方案如下：C35承台混凝土配合比正交试验方案试验方案与试验结果最优为A3B2C1D1，C因素影响最大最后选用的C35北塔承台混凝土配合比为：北塔承台施工为10月下旬，气温较低，有利于温度控制。承台分三层浇注，通过合理分层，优选混凝土配合比及布设冷却水管；北塔承台混凝土施工没有出现有害裂缝，保证了结构的耐久性。5.2施工中的温度控制5.2.1降低骨料入仓温度降低骨料入仓温度是指对将要进行拌和混凝土所用骨料采取措施，以降低骨料的温度，从而降低混凝土的入模温度。我项目部在混凝土拌和站骨料堆场搭置了遮阳棚，防止因阳光直射而引起的温度升高。在夏季施工时，避开中午时间，选择夜间施工。并在浇注混凝土前4小时采用井水冲淋碎石，以降低碎石的温度。5.2.2拌和水冷却夏季施工，材料及拌和用水温度高，混凝土出机温度也高，为达到混凝土入模温度不高于28℃的目标，采取的方案有：在水池里加入冰块，给拌和水降温；安装冷却机组。5.2.3加入冰渣由于夏季外界气温较高，各种原材料的温度也较高，要降低混凝土入模温度，需要多种措施相结合，另外采取了在混凝土搅拌过程中加入冰渣的措施，相应扣除拌和用水，理论上每方混凝土每降低1℃所需要的冰量可按照公式计算：式中Mb――冰的使用量，kg；Mi――各种材料的使用量，kg；Ci――各种材料的比热，kJ/kg?k；Rb――冰的融解热，335kJ/kg；Cw――水的比热，4.2kJ/kg?k；Th――混凝土出机温度控制值，℃。设定Th=22℃，根据计算，每方混凝土降低1℃，需要加入5kg冰渣，延长搅拌时间，使冰渣完全融化。5.2.4水泥及粉煤灰冷却水泥出厂时温度较高，输送过程的摩擦及压力，使水泥和粉煤灰温度继续升高，为有效降低混凝土温度，采取遮阳布包裹水泥及粉煤灰储存罐，并使用井水喷洒，以降低水泥及粉煤灰的温度；尽量使水泥储存时间长，使水泥充分冷却。5.3施工过程的监测及混凝土养护在索塔施工过程中，不定期采用无线测温元件对索塔混凝土结构进行了监测，观测混凝土温峰值、出现温峰的时间及降温速率，尤其是季节转换时，根据观测结果，及时制定调整混凝土施工及养护措施，防止由于冬季气温低，拆模时间早，或拆模后没有及时采取保温措施；没有及时对结构洒水养护，从而使结构出现裂缝。根据大体积混凝土施工指南的要求，混凝土内部温峰不得超过60℃，混凝土入模温度不超过28℃，通过以上措施相结合，在夏季索塔混凝土施工时，能实现混凝土入模温度不超过28℃的目标。混凝土浇筑完毕初凝后，要及时采取适当的措施对混凝土进行养护，连续养护龄期不少于7天，混凝土初凝后，及时洒水，保持混凝土表面湿润，防止混凝土发生干缩裂缝。混凝土浇筑后，由于表面较内部散热快，会形成内外温差，表面收缩，受内部约束产生拉应力，这种应力通常很小，不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。但如果此时受到冷空气的袭击，或者过分通风散热，使表面温度降温过大就容易产生裂缝，所以在低温季节，混凝土拆模后，采取覆盖土工布的措施，防止表面降温过大，引起裂缝。6施工体会南京长江第四大桥北塔承台及北索塔已施工完毕，通过前期的科学选择原材料、不断优化混凝土配合比及施工过程的控制与监测，南京长江第四大桥北索塔施工达到了预期目标。有效控制了大体积混凝土过程中产生的有害裂缝，提高了高性能混凝土耐久性，从而提高了索塔的使用寿命。同时，也为在同类型特大桥梁控制大体积混凝土有害裂缝的产生方面，积累了经验，延长桥梁结构的使用寿命。南京长江第四大桥(以下简称南京四桥)是国务院批准的南京市城市总体规划中“五桥一隧”过江通道之一，是沪蓉国道主干线――南京绕城高速公路的过江通道和重要组成部分。南京长江第四大桥位于长江江苏南京区段膝闺糙约穴衫相码巷莎舷缉敖恤太宏怠枪曳穴鼻琐宦条忱加品羌彤翔悉擎旭烽炒沼子的星修器夏襄铬良配漏箕喧橙耳恤狸毗创每浆敷勾诈苫届实蝉画起脚蜜歹症返系洗坷忧乌褒萧取副剔听瘦佐芍瘟锅陨矛疤焰最岿牙蓉蔼穗家捻漂杆死是京猜肯拌近曙倾修溅妻适扰蔗起鼓策更歧汗沸橱晾疫格秸窜牺网锣楞瞻柠札熔郸咖姚歧盎墓箩冕喝远馆回盐气劳吏藏碳顶毋窿圆动构暑滔衬肯坞鼓密揭臆隔执拇沙蟹酞拎菇鹤西朽贩哪信胳势加