摘要：大体积混凝土表面容易出现裂缝，影响混凝土质量。从材料选择、配合比设计和施工工艺等方面阐述了大体积海工混凝土裂缝控制方法。
关键词：大体积混凝土；裂缝；配合比；防裂措施
中图分类号：TU746．3 文献标识码：A
对于大坝、建筑、桥梁等大体积混凝土结构，施工期因水泥水化热产生的混凝土内外温差，易在结构中产生早期裂缝，而对于海工结构物，会对本身的耐久性和安全性产生影响，本文将结合杭州湾跨海大桥承台施工中温度控制的具体措施，对海工大体积混凝土裂缝控制方法进行探讨。
1工程概况
杭州湾跨海大桥工程北起浙江省海盐县的郑家埭，跨越杭州湾海面及南岸滩涂，止于慈溪市所辖的水路湾，全长36 km，其中海上桥长约31．5 km。大桥水中区采用钢管桩、承台基础、预制安装墩身和箱梁。
杭州湾是著名的强潮海湾，潮差大，潮流急，本海域表层流速达5．16 m／s，加上风浪和台风的影响，承台施工中工程结构很可能受水流风浪直接作用，或受施工船舶的撞击而发生变形，甚至破坏，给工程带来难以弥补的损失或造成难以处理的状况。通过安全、进度、质量等方面的综合比选，采用混凝土套箱工艺施工114个直径12 m、高3 m的圆承台；采用钢套箱工艺施工其中直径12 m、高3 m的承台13个；长23．825 m、宽l0．8 m、高3 m的长圆型承台9个；直径10．5 m、高3 m的承台14个；长29．6 m、宽12 m、高3 m的长圆型承台1个。
工程设计使用期为100年，承台混凝土的施工质量将直接影响大桥的使用寿命，由于承台体积大，在施工过程中很容易由于热胀冷缩产生早期裂缝，所以承台裂缝控制成为技术、质量工作的重点。
2配合比的设计与优化
本工程采用海工耐久混凝土，承台处于水位变动区，混凝土设计强度等级C40，氯离子扩散系数≤2．5x10—12 m2／ ，混凝土中要求掺加阻锈剂；墩身处于浪溅区，混凝土强度等级C40，氯离子扩散系数≤1．5x10- m2／s。
2．1原材料的选择 -
进行混凝土配合比试验前，经过反复讨论研究，将每立方米混凝土胶凝材料用量确定为450和436kg两种，水泥和矿粉的掺和比例为3：7，水泥采用P．Ⅱ42．5水泥，阻锈剂采用山西凯翕克生产的亚硝酸钙，矿粉采用上海宝田和安徽朱家桥$95矿粉，粉煤灰采用镇江谏壁电厂一级粉煤灰。粗集料采用5～25m m 连续级配碎石，细集料采用闽江中砂，水胶比O．35～0．36，坍落度180+20 mm，阻锈剂掺量2％，在此基础上选用高效减水剂，减水剂首先选用上海格雷斯$20 C减水剂(第二代奈系减水剂)，掺量2％，减水率15％～2O％ 。
混凝土试拌后主要存在三个方面的问题：1)混凝土坍落度损失大，混凝土试拌后30 min左右损失为为8O～100 mm；2)混凝土含气量超标(大于《杭州湾跨海大桥专用技术规范》要求≤6％)；3)泌水严重。针对试配过程中出现的问题，项目部及时调整了减水剂类型，第二代奈系减水剂是一种高效减水剂，对水泥能起到强分散作用，可以使混凝土基准塌落度从6~8 em提高到1 8～22 em，但混凝土塌落度往往损失很快，减水剂在3O～6O min失去流动性。在此基础上引进了上海麦斯特第三代羧酸类减水剂，减水率25～3O％，掺量1％，羧酸类减水剂由于具有分散性好、保塌性好、对混凝土凝结时间影响小以及合成过程环保等
特点，在混凝土领域有了很好地应用。再次试拌后发现以上三个方面的问题基本得到控制。
2．2模拟试验阶段
尽管试配混凝土在强度、坍落度和氯离子扩散系数三项指标上均符合设计及规范要求，为了控制混凝土温度裂缝，保证大体积混凝土的浇注质量，进行配合比的优化，我们针对降低混凝土的水化热进行了一系列的试验。
首先在试验室模拟现场套箱预制混凝土圆模，按照不同配合比在圆模内浇筑混凝土，在混凝土中心、沿圆模四周埋
设应变片，分别测试混凝土的升温过程和圆模内部混凝土对圆模内壁产生的应力，进而对配合比进行选择，同时对裂缝产生的原因进行分析。
浇筑模拟大体积混凝土块体2个。对块体进行连续7 d地测试混凝土温度及应变。现将试验结果简述如下：
(1)项目正式采用的配合比，浇筑1个模拟块体，配合比为：1fO．3水泥+O．7矿渣1：1．76砂子：2．35石子：0．01l减水剂：0．02阻锈剂：0．36水，记为D。
(2)另在项目部配合比的基础上复加特种缓凝剂浇筑1个模拟块体，模拟块体中特种缓凝剂的掺量为胶凝材料用量的1．2 mL／kg，记为C。
外钢模板的直径为1．2 m、高1．2 m，内钢模板直径1．14 m、高度1．2 m。在内外钢模之间形成O．O3 m的间隙。采用水泥砂浆浇筑0．03 m的间隙，形成0．03 m厚的砂浆套筒，砂浆材料配比为1：2，W／C=0．3。浇筑砂浆套筒3 d后拆除内钢模板。
在块体C套筒内壁西侧半面先涂刷M1500(用量4～5 kg／mz)，之后再涂刷经处理的特种缓凝剂(用量1．7 mL+66 mL水／m2)。
在块体D套筒内壁西侧半面先涂刷M1500(用量4～5 kg／m2)，之后再涂刷经处理的特种缓凝剂(用量8．8 mL+66 mL水／m2)。
用指定配合比在搅拌站拌灰，运至实验站前，将2个块体连续浇筑完毕。对块体温度进行观测，并制作成图
a．温度测试结果：见图2；
b．强度测试结果见表2。
2．3试验结果分析
(1)通过绝热升温试验发现混凝土内部温度峰值低、峰值出现时间晚的裂缝明显减少，与现场套箱裂缝的发展情况比较，发现套箱裂缝产生和发展的时间与混凝土内部水化热峰值的变化有直接关系，裂缝出现的时间为混凝土浇筑4 5 h，停止发展的n,-Jl'~3为混凝土浇筑20～30 h，即与混凝土内部温度发展的周期基本相同，因此控制混凝土内部温度峰值和延长混凝土温度峰值出现的时间是控制套箱裂缝产生和发展的主要途径。我们通过对不同原材料、不同配合比进行比对，选择水化热引起的温度峰值较小的配合比，进而控制套箱裂缝的开展。
(2)胶凝材料用量的调整
通过试验，粉煤灰产生的水化热较水泥、矿粉的水化热要小得多，同时矿粉是通过与水泥水化热的产物作用产生水化热，延长了混凝土水化热完全释放的时间，降低了混凝土内部升温的幅度和温度峰值。因此在满足混凝土强度、氯离子扩散系数要求的前提下，胶凝材料由水泥、矿粉调整为水泥、矿粉和粉煤灰，尽量减少胶凝材料中水泥用量、能够有效减少混凝土的水化热。通过不断调整胶凝材料的比例和降低胶凝材料的用量是我们进行配合比不断优化的重点。反复试验，将胶凝材料用量由原来的435 kg调整到405kg，水泥、矿粉、粉煤灰的用量分别为162、81和162 kg，大大降低了水化热。
为了满足工程开工和施工进度的要求，施工初期采用配合比一进行承台混凝土的浇注，随着配合比试验和研究的不断深入，粉煤灰料源及拌和船上料计量系统的改造，不同季节采用不同的配合比，加上采取的工艺上的措施，使大体积混凝土裂缝得到了很好地控制。 ’
3工艺相技术措旖
通过调整混凝土中胶凝材料的用量，并增加矿粉、粉煤灰的用量和减少水泥的用量，选择水化热小的水泥，可以大大降低水化热，进而达到控制混凝土裂缝的开展。但材料的控制并非是唯一途径，施工中工艺和技术措施也是控制混凝土裂缝的开展的重要措施。
3．1套箱施工工艺
套箱施工中，施工工艺也是控制混凝土裂缝的重要措施，重点从以下几个方面人手加强对混凝土套箱预制质量的控制，以提高套箱本身的抗裂能力：
（1）控制套箱混凝土浇注质量，特别是对套箱顶部高性能混凝土浮浆的处理，加强二次振捣。
（2）加强对套箱的养护，混凝土套箱采取洒水养护，养护期间对套箱进行不问断地潮湿养护，不得出现干湿循环现象，在满足强度要求的前提下，养护时间不少于14 d。
（3）加强对套箱内壁的凿毛处理，特别是加强对预留槽口的凿毛，以保证新老混凝土结合良好”。
（4）加强对在套箱内壁预埋铁件上焊接钢结构的控制，焊接时间控制在套箱满足养护期之后进行，焊接时不得在同一位置连续进行焊接作业，避免因焊接使预埋铁件局部温度过高而对套箱局部混凝土产生不利影响。
（5）混凝土套箱顶部预留槽口，使新老混凝土施工缝从结构上加强抗渗透能力[2]。
（6）调整套箱配筋，增加环向钢筋数量，将原环向钢筋~25@150调整为~20@75，配筋率增加了28％，提高了套箱抗竖向裂缝的能力。
（7）调整和控制套箱保护层厚度，据有关资料介绍，钢筋控制混凝土裂缝出现的影响范围为钢筋直径的6倍，因此调整后的套箱配筋为 2O，保护层75 mm，钢筋间距75 mm。
3．2现场承台结构混凝土施工采取的技术措施
(1)I~t于海工耐久性混凝土中胶凝材料掺入了大量的矿粉、粉煤灰，水化时间较长，同时由于采用了减水率高达25％～3O％的高效减水剂，混凝土本身水灰比较小，为了满足混凝土二次水化的要求，必须加强混凝土的养护。
加强了对结构混凝土的养护，特别要加强混凝土开始养护时间的控制。通过绝热升温实验得知，混凝土浇注24 h左右，混凝土温度达到峰值，在此时期内混凝土温度上升较快，因此特别要控制混凝土开始养护的时间。混凝土初凝后对底层混凝土进行蓄水养护，顶层混凝土采用土工布覆盖，蓄水进行养护，养护时间不少于14 d。
(2)循环水降温
承台混凝土施工采取循环水降低混凝土内部因水化热引起内部温度升高的峰值，进而降低混凝土内外温差。承台混凝土分两层浇注，第一层埋设1层循环水管，第二层埋设2层循环水管，循环水管间距9Ocm，层距75 cm，循环水管采用 33．5 mm的薄壁钢管，混凝土浇注终凝前即对其进行通循环水降低混凝土内部温度，循环水养生时间不少于7 d，循环水每隔12 h调整一次通水方向，便于混凝土内部水化热的均匀散发。
随着工程的逐步进展，通过将循环水管直径由33．5 mm调整为48 mm，增大循环水的流量，同时对循环水管的布置方式进行调整，按照最外层水管距混凝土表面50 cm，水管间距由90 cm向中心逐渐调整为60 cm的原则布置，增加混凝土中心区域循环水管布置的密度，进而加强混凝土内部温度的散发。
(3)混凝土冷水拌和
在“永和”号混凝土拌和船上增加了冷水机组，冷水机组可以将拌和用水的温度降低20℃，船舱内的拌和用水通过冷水机组降温后储存到水罐内，混凝土拌和采用冷水拌和，降低混凝土的出机温度和入模温度，在施工过程中对混凝土的入模温度进行测定和控制，通过降低混凝土入模温度降低混凝土内部温度峰值和内外温差，减小在混凝土表面产生拉应力的温度梯度，进而控制裂缝的产生与发展。
(4)混凝土套箱结构混凝土分两次进行浇注承台结构直径12 m，高3 m，结构混凝土分两次进行浇注，第一次浇注1．3 m，第二次浇注1．7 m，减少了混凝土一次浇注的体积，有利于混凝土温度梯度和峰值的控制。
(5)分层下灰及振捣措施
混凝土浇注分层下灰，尽量减小分层厚度，延长混凝土的浇注时间，合理控制混凝土布料位置，由四周逐渐向中间下灰，混凝土分层振捣密实。
4总结 ．
海工混凝土体积大，设计寿命长，使用安全性不仅关系建筑物本身，往往影响地区经济，甚至影响国计民生，混凝土早期裂缝控制是技术、质量工作的重点。在工程实践中要注意：
(1)适当降低施工队7 d对混凝土强度达到设计强度标准值80％的要求，在保证14 d强度达到设计强度标准值80％及28 d强度要求或利用56 d强度的前提下，使混凝土水化热温峰推迟并降低水化热，使套箱结构混凝土的内外温差缓慢增大，降低温差增大的变化对套箱结构混凝土产生的温度应力，其中适时适量掺缓凝剂是有效途径之一。
(2)由于浇筑套箱混凝土后混凝土水化热的释放，套箱结构混凝土壁呈内热外冷状态，套箱外壁受拉应力，内壁受压应力，因此在制作套箱时在套箱内侧埋设冷却水管或安装套箱后在套箱内侧安装冷却水管，用水冷却内壁区域，使套箱内外壁温差减少，进而降低套箱外壁的拉应力，抑制套箱开裂。
(3)与第二个建议相反，采用套箱外壁保温措施，也将降低套箱内外壁温差，减轻套箱开裂趋势。
(4)由于套箱结构的上部边缘有“边缘效应”，上边缘外壁拉应力增加较大，因此在上边缘0．5 m范围可浇筑钢纤维混凝土，以抵抗“边缘效应”，减少套箱上边缘混凝土的开裂【3]。
(5)为降低混凝土温升，可选择低热或中热水泥，将减少水化热及降低温升。
(6)根据杭州湾大桥承台混凝土质量要求，确定承台混凝土所要求达到的裂缝控制水平，与甲方、设计及监理共同确定允许的裂缝宽度。
(7)其它措施例如降低人模温度(加冰屑、冷却骨料等)、提高套箱预制质量等措施不再赘述。
(8)进行温度经时监测，检验温控措施的效果，同时对打灰的时间间隔给予指导，不断完善措施，使综合防裂措施有效运行。
参考文献：
【1】朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制fM】．北京：中国电力出版社，1999．
【2】王铁梦．工程结构裂缝控制【M】．北京：中国建筑工业出版社，1997．
【3】杨秋玲，马可栓．大体积混凝土水化热温度场三维有限元分析哈尔滨工业大学学报，2004，36(2)：261—263．
