高溫環境下超寬魚尾形高鐵箱梁防裂技術探微

劉 偉

(中鐵十八局集團天津國際工程分公司，天津 300222)

混凝土是公路橋梁、港口隧道等基礎設施建設中應用最廣泛的建材之一。隨著大跨度橋梁結構的飛速發展，大體積混凝土在橋梁工程中的應用也日益普及。預防混凝土箱梁開裂是橋梁工程質量控制和評價標準之一，但由于工程的繁雜性，加上混凝土現澆箱梁裂縫成因復雜，尤其是施工中存在高溫、骨料質量、施工人員澆筑作業水平等各種不確定因素，均易導致現澆箱梁在施工和運營階段出現裂縫。在高溫地區通過科學的施工工藝和有效的溫控措施，防止大體積箱梁出現裂縫，對確?；炷翗蛄耗途眯跃哂兄匾饬x[1-3]。

中國企業參建的沙特麥麥高鐵麥加車站特大橋是世界超寬橋梁之一，也是“一帶一路”的代表性工程?，F澆梁在漸變段由兩室向單箱六室的漸變在設計和施工中十分少見。麥麥高速鐵路位于沙特阿拉伯沙漠地區，全年氣溫高，混凝土質量要求高，施工難度大。因此麥加車站特大橋箱梁大體積混凝土溫控的關鍵是根據氣候條件、水溫、建筑結構尺寸、混凝土試驗參數、化學性能指標、配合比等因素，確定混凝土施工最佳方案。

本文通過建模對溫度場進行研究分析，采取混凝土溫控措施，降低入模溫度，輔以加配筋、設置后澆帶、加強養護、避免高溫澆筑、分層澆筑，并在梁外涂防碳化涂層等舉措減少混凝土致裂因素。采取系列措施后，經過試驗檢測，混凝土的強度、密實度等關鍵質量指標都符合設計要求，外觀裂縫數量也在合理范圍內。證明高溫環境下超寬魚尾形高鐵箱梁預防裂縫施工技術和溫控舉措是可行的，也為類似環境下的大體積混凝土澆筑施工、溫度控制及裂縫預防提供了實例參考。

1 項目概況

麥麥高鐵是連接麥加和麥地那之間的高鐵，總長約450.19 km，設計最高時速360 km/h，其中麥加站特大橋全長約1 574.9 m（見圖1）。麥加站特大橋超寬魚尾形段現澆箱梁共14 聯40 跨，梁高4 m，漸變橋面最窄處為P6 橋墩處，斷面寬20.3 m，漸變橋面最寬處為A1 橋臺處，斷面寬67.3 m，超寬魚尾形段現澆箱梁結構形式見圖2～3。

圖1 麥加站特大橋全景

2 產生裂紋的原因分析

高溫環境下如何避免產生裂縫是大體積箱梁特別是超寬魚尾形現澆箱梁的施工難點。為確保箱梁工程質量，在施工前對施工環境展開分析，并通過有限元建模進行溫度場分析、混凝土配合比試驗、施工工藝研究等詳細分析致裂原因。

（1）施工環境氣溫偏高。由于麥加站特大橋魚尾型漸變段箱梁施工時間約為2015 年1～8 月，整體澆筑集中在夏季5～8 月，該時段麥加區域最高氣溫在49℃以上，混凝土水分蒸發快。

圖3 麥加站特大橋超寬魚尾形段橫斷面（單位：m）

（2）內部應力過于集中。通過MIdas/civil 模擬構建實體單元模型，對混凝土澆筑過程展開模擬分析。由圖4 分析可得，箱梁第二段底板部分最大拉應力達3.33 MPa，該區域必須重點加強養護，通過改善配合比，最大程度避免開裂。

圖4 水化熱引起的應力分析單元模型

（3）配合比設計不科學。麥加站特大橋現澆箱梁采用C50 高強度混凝土，原設計水灰比為0.32（見表1）。由于水灰比偏高，早期強度發展較快，如果水泥、骨料等原材不是最佳配合比，在混凝土內部水分蒸發過程中會導致更多裂縫出現。

（4）施工工藝缺陷。由于箱梁箱室頂板和底面不便灑水養護，而如果養護不到位，混凝進行水化熱反應時會出現內外溫差，不同區域混凝土表面收縮幅度不一致，若遇暴雨天氣，氣溫劇降，內外溫差徒增，可使混凝土構件加劇產生裂縫。

3 裂縫防范舉措

為避免超寬多箱室現澆箱梁產生裂紋，優化施工工藝，可從涂抹防碳涂料保護層等多方面著手預防開裂問題。

3.1 優化結構

由于該橋橋面超寬，經建模分析，箱梁剪力滯效應較為顯著，箱梁底板和頂板存在剛度不足現象。另外麥加站特大橋地處地震帶，為防止開裂，在接縫面設置剪力鍵，在箱梁底板和頂板分別增設一層Φ16@15 cm 縱向鋼筋。另外為削弱頂板縱向約束，可增設后澆帶。

3.2 優化混凝土配合比

由于麥加站特大橋橋梁配筋率較高，鋼筋較密，導致振搗難度大。經過反復試驗研究，為確保梁體質量，最終采用自密實混凝土進行澆筑?；炷撂砑庸杌?、Structuro507M 聚羧酸高效減水劑、POZZOLITH LD-10 緩凝劑，通過5 組不同配合比混凝土性能對比試驗，選擇最佳配合比。

（1）設計配合比。該自密實混凝土設計強度等級C50，設計5 組不同水膠比的混凝土配合比及其初拌合溫度（見表1）。

（2）試驗分析。對5 組配合比進行試驗，依據最終試驗結果（見表2）選擇最佳的混凝土配合比進行施工。

由表1、表2 可知，試驗5 配合比初拌和溫度最低，水量和砂子用量最少，其配合比為：水泥449 kg、水135 kg（含冰）、硅灰34.9 kg、 Structuro 507M11 kg，混凝土7 d 強度為58.59 MPa，符合規范要求。另外，試驗5 配合比坍落擴展度651 mm與最佳參考值650 mm 最為接近，且含氣量最小、粘聚性最好，7 d、28 d 抗壓強度最大，無泌水，內部孔隙率最低，不易產生裂縫，所以最終選擇試驗5 配合比進行施工。

表1 不同水膠比的自密實混凝土配合比及其初拌合溫度

表2 自密實混凝土性能試驗結果

3.3 原材料和環境溫度降溫舉措

3.3.1 控制混凝土入模前溫度

攪拌時向混凝土中添加冰塊。受配合比限制，需要對冰塊進行合理配置。美國ACI305 委員會報告提出了混凝土最終拌和溫度的計算公式：

式中：T 為混凝土最終拌和溫度；Tc 為水泥初始溫度；Wc 為水泥質量； Ww 為冷水重量；Tw 為加入混凝土的冷水初始溫度；Wx 為含有水分骨料（外加劑）重量； Wz 為冰重量；Wa 為干骨料重量；Ta 為外加劑初始溫度；Tz 為冰的原始溫度。材料重量單位均為Kg，溫度單位均為℃。通過公式驗算當拌合站室內氣溫分別為50℃、40℃、35℃、30℃時，拌和26℃混凝土所需的原始水溫分別為1℃、4℃、7℃和10℃左右。按照計算結果以及實際溫度記錄，得出夏季22:00～6:00 較為適合澆筑混凝土[4-6]。

3.3.2 嚴控混凝土罐車運輸時間

由于沙特夏季室外氣溫超過35℃，通常避開中午高溫時段錯峰施工，安排混凝土罐車運輸時間為15:00 以后。罐車數量根據科學計算合理安排，本工程考慮配置20 臺混凝土罐車，每車裝載量為7 m3；考慮澆筑安全因素，混凝土輸出量需控制在40 m3/h 左右。

3.4 箱梁養護

噴淋降溫是夏季高溫環境下箱梁施工的重要質量保障措施。當氣溫很高時模板澆筑前應灑水降溫，減少裂縫出現概率，提高混凝土質量。此外，還需做好以下幾點養護：

（1）蓄水養護。箱梁澆筑完混凝土后，用泡沫膠條封閉頂板頂面四周及各種預留孔洞，確保密貼不出現滲水。澆筑完成3～5 小時混凝土初凝后開始蓄水，深度至少70 mm。梁體內腔標準段通過泡沫膠條封閉泄水孔底板表面，澆筑完混凝土初凝后進行蓄水，深度至少30 mm，端頭加厚段通過鋪設一層塑料薄膜及一層土工布進行養護。

（2）噴淋養護。箱梁其他部位如底板、腹板、翼緣板外側、每兩聯箱梁之間的伸縮縫處要定期噴淋養護，做好降溫保濕[7]。養護時間間隔按照環境溫度進行調節，高溫時每20～30 分鐘至少噴灑一次，確保梁體混凝土充分濕潤。初張拉完成后，箱梁混凝土養生時間至少14 d。

（3）芯室保濕。將噴霧保濕裝置（即霧炮）加裝到每片箱梁的梁端，霧炮機射程確保有30 m，該裝置與芯室梁端距離小于1.5 m，噴霧出口面向芯室范圍。噴霧保濕器通過噴射水霧對箱梁芯室保濕養護，確保其有效濕度，同時能避免浪費用水。

3.5 增加防碳化涂層保護措施

麥加站特大橋設計使用年限為100 年，沙特區域全年干旱高溫、日照時間長、晝夜溫差大，混凝土表面堪稱“混凝土面膜”的防碳化涂料保護層顯得尤為重要。箱梁底板、腹板、翼緣板外側、每兩聯箱梁間的伸縮縫處等均需進行防碳化涂層施工（見圖5）。其施工工藝流程為：施工準備→混凝土表面處理→用FC 修復及找平→涂刷底漆→涂刷防碳化面層涂料→涂層厚度檢測。

圖5 噴涂防碳化涂層后的箱梁混凝土

施工時需注意以下事項：混凝土結構物表面用FC 砂漿找平時，其厚度不能超過3 mm，超過部分用砂紙打磨掉，否則易導致防碳化涂層脫落；底漆ConcureA 涂刷完畢并形成薄膜層后，需盡快涂刷防碳化面層涂料，避免薄膜積灰導致粘結性下降；當溫度低于5℃或下雨天時，均不能進行涂抹FC、涂刷底漆及防碳化面層涂料的施工；結構物防水和防碳化涂層的交界處施工時，提前用透明膠帶貼于防水頂部標高線處，防碳化涂料施工完成后移除膠帶，使交界處整齊美觀；為防止施工人員皮膚直接接觸底漆ConcureA，工作區域應保證良好通風，并避免在封閉空間內使用該材料。

4 結語

以沙特麥麥高鐵麥加車站特大橋超寬魚尾形現澆箱梁為研究對象，從設計、施工工藝等分析產生裂縫原因，通過控溫、加大配筋、設置后澆帶、優化自密實混凝土配合比、優化模板施工工藝以及混凝土入模工藝、梁體外部涂上防碳化涂料保護層等措施有效減少裂縫。本文高溫環境下超寬魚尾形高鐵箱梁預防裂縫施工技術可為國內外類似復雜結構工程施工提供借鑒。