刘 伟
(中铁十八局集团天津国际工程分公司，天津 300222)
混凝土是公路桥梁、港口隧道等基础设施建设中应用最广泛的建材之一。随着大跨度桥梁结构的飞速发展，大体积混凝土在桥梁工程中的应用也日益普及。预防混凝土箱梁开裂是桥梁工程质量控制和评价标准之一，但由于工程的繁杂性，加上混凝土现浇箱梁裂缝成因复杂，尤其是施工中存在高温、骨料质量、施工人员浇筑作业水平等各种不确定因素，均易导致现浇箱梁在施工和运营阶段出现裂缝。在高温地区通过科学的施工工艺和有效的温控措施，防止大体积箱梁出现裂缝，对确保混凝土桥梁耐久性具有重要意义[1-3]。
中国企业参建的沙特麦麦高铁麦加车站特大桥是世界超宽桥梁之一，也是“一带一路”的代表性工程。现浇梁在渐变段由两室向单箱六室的渐变在设计和施工中十分少见。麦麦高速铁路位于沙特阿拉伯沙漠地区，全年气温高，混凝土质量要求高，施工难度大。因此麦加车站特大桥箱梁大体积混凝土温控的关键是根据气候条件、水温、建筑结构尺寸、混凝土试验参数、化学性能指标、配合比等因素，确定混凝土施工最佳方案。
本文通过建模对温度场进行研究分析，采取混凝土温控措施，降低入模温度，辅以加配筋、设置后浇带、加强养护、避免高温浇筑、分层浇筑，并在梁外涂防碳化涂层等举措减少混凝土致裂因素。采取系列措施后，经过试验检测，混凝土的强度、密实度等关键质量指标都符合设计要求，外观裂缝数量也在合理范围内。证明高温环境下超宽鱼尾形高铁箱梁预防裂缝施工技术和温控举措是可行的，也为类似环境下的大体积混凝土浇筑施工、温度控制及裂缝预防提供了实例参考。
麦麦高铁是连接麦加和麦地那之间的高铁，总长约450.19 km，设计最高时速360 km/h，其中麦加站特大桥全长约1 574.9 m（见图1）。麦加站特大桥超宽鱼尾形段现浇箱梁共14 联40 跨，梁高4 m，渐变桥面最窄处为P6 桥墩处，断面宽20.3 m，渐变桥面最宽处为A1 桥台处，断面宽67.3 m，超宽鱼尾形段现浇箱梁结构形式见图2～3。
图1 麦加站特大桥全景
高温环境下如何避免产生裂缝是大体积箱梁特别是超宽鱼尾形现浇箱梁的施工难点。为确保箱梁工程质量，在施工前对施工环境展开分析，并通过有限元建模进行温度场分析、混凝土配合比试验、施工工艺研究等详细分析致裂原因。
（1）施工环境气温偏高。由于麦加站特大桥鱼尾型渐变段箱梁施工时间约为2015 年1～8 月，整体浇筑集中在夏季5～8 月，该时段麦加区域最高气温在49℃以上，混凝土水分蒸发快。
图3 麦加站特大桥超宽鱼尾形段横断面（单位：m）
（2）内部应力过于集中。通过MIdas/civil 模拟构建实体单元模型，对混凝土浇筑过程展开模拟分析。由图4 分析可得，箱梁第二段底板部分最大拉应力达3.33 MPa，该区域必须重点加强养护，通过改善配合比，最大程度避免开裂。
图4 水化热引起的应力分析单元模型
（3）配合比设计不科学。麦加站特大桥现浇箱梁采用C50 高强度混凝土，原设计水灰比为0.32（见表1）。由于水灰比偏高，早期强度发展较快，如果水泥、骨料等原材不是最佳配合比，在混凝土内部水分蒸发过程中会导致更多裂缝出现。
（4）施工工艺缺陷。由于箱梁箱室顶板和底面不便洒水养护，而如果养护不到位，混凝进行水化热反应时会出现内外温差，不同区域混凝土表面收缩幅度不一致，若遇暴雨天气，气温剧降，内外温差徒增，可使混凝土构件加剧产生裂缝。
为避免超宽多箱室现浇箱梁产生裂纹，优化施工工艺，可从涂抹防碳涂料保护层等多方面着手预防开裂问题。
3.1 优化结构
由于该桥桥面超宽，经建模分析，箱梁剪力滞效应较为显著，箱梁底板和顶板存在刚度不足现象。另外麦加站特大桥地处地震带，为防止开裂，在接缝面设置剪力键，在箱梁底板和顶板分别增设一层Φ16@15 cm 纵向钢筋。另外为削弱顶板纵向约束，可增设后浇带。
3.2 优化混凝土配合比
由于麦加站特大桥桥梁配筋率较高，钢筋较密，导致振捣难度大。经过反复试验研究，为确保梁体质量，最终采用自密实混凝土进行浇筑。混凝土添加硅灰、Structuro507M 聚羧酸高效减水剂、POZZOLITH LD-10 缓凝剂，通过5 组不同配合比混凝土性能对比试验，选择最佳配合比。
（1）设计配合比。该自密实混凝土设计强度等级C50，设计5 组不同水胶比的混凝土配合比及其初拌合温度（见表1）。
（2）试验分析。对5 组配合比进行试验，依据最终试验结果（见表2）选择最佳的混凝土配合比进行施工。
由表1、表2 可知，试验5 配合比初拌和温度最低，水量和砂子用量最少，其配合比为：水泥449 kg、水135 kg（含冰）、硅灰34.9 kg、 Structuro 507M11 kg，混凝土7 d 强度为58.59 MPa，符合规范要求。另外，试验5 配合比坍落扩展度651 mm与最佳参考值650 mm 最为接近，且含气量最小、粘聚性最好，7 d、28 d 抗压强度最大，无泌水，内部孔隙率最低，不易产生裂缝，所以最终选择试验5 配合比进行施工。
表1 不同水胶比的自密实混凝土配合比及其初拌合温度
表2 自密实混凝土性能试验结果
3.3 原材料和环境温度降温举措
3.3.1 控制混凝土入模前温度
搅拌时向混凝土中添加冰块。受配合比限制，需要对冰块进行合理配置。美国ACI305 委员会报告提出了混凝土最终拌和温度的计算公式：
式中：T 为混凝土最终拌和温度；
Tc 为水泥初始温度；
Wc 为水泥质量；
Ww 为冷水重量；
Tw 为加入混凝土的冷水初始温度；
Wx 为含有水分骨料（外加剂）重量；
Wz 为冰重量；
Wa 为干骨料重量；
Ta 为外加剂初始温度；
Tz 为冰的原始温度。材料重量单位均为Kg，温度单位均为℃。通过公式验算当拌合站室内气温分别为50℃、40℃、35℃、30℃时，拌和26℃混凝土所需的原始水温分别为1℃、4℃、7℃和10℃左右。按照计算结果以及实际温度记录，得出夏季22:00～6:00 较为适合浇筑混凝土[4-6]。
3.3.2 严控混凝土罐车运输时间
由于沙特夏季室外气温超过35℃，通常避开中午高温时段错峰施工，安排混凝土罐车运输时间为15:00 以后。罐车数量根据科学计算合理安排，本工程考虑配置20 台混凝土罐车，每车装载量为7 m³；
考虑浇筑安全因素，混凝土输出量需控制在40 m³/h 左右。
3.4 箱梁养护
喷淋降温是夏季高温环境下箱梁施工的重要质量保障措施。当气温很高时模板浇筑前应洒水降温，减少裂缝出现概率，提高混凝土质量。此外，还需做好以下几点养护：
（1）蓄水养护。箱梁浇筑完混凝土后，用泡沫胶条封闭顶板顶面四周及各种预留孔洞，确保密贴不出现渗水。浇筑完成3～5 小时混凝土初凝后开始蓄水，深度至少70 mm。梁体内腔标准段通过泡沫胶条封闭泄水孔底板表面，浇筑完混凝土初凝后进行蓄水，深度至少30 mm，端头加厚段通过铺设一层塑料薄膜及一层土工布进行养护。
（2）喷淋养护。箱梁其他部位如底板、腹板、翼缘板外侧、每两联箱梁之间的伸缩缝处要定期喷淋养护，做好降温保湿[7]。养护时间间隔按照环境温度进行调节，高温时每20～30 分钟至少喷洒一次，确保梁体混凝土充分湿润。初张拉完成后，箱梁混凝土养生时间至少14 d。
（3）芯室保湿。将喷雾保湿装置（即雾炮）加装到每片箱梁的梁端，雾炮机射程确保有30 m，该装置与芯室梁端距离小于1.5 m，喷雾出口面向芯室范围。喷雾保湿器通过喷射水雾对箱梁芯室保湿养护，确保其有效湿度，同时能避免浪费用水。
3.5 增加防碳化涂层保护措施
麦加站特大桥设计使用年限为100 年，沙特区域全年干旱高温、日照时间长、昼夜温差大，混凝土表面堪称“混凝土面膜”的防碳化涂料保护层显得尤为重要。箱梁底板、腹板、翼缘板外侧、每两联箱梁间的伸缩缝处等均需进行防碳化涂层施工（见图5）。其施工工艺流程为：施工准备→混凝土表面处理→用FC 修复及找平→涂刷底漆→涂刷防碳化面层涂料→涂层厚度检测。
图5 喷涂防碳化涂层后的箱梁混凝土
施工时需注意以下事项：混凝土结构物表面用FC 砂浆找平时，其厚度不能超过3 mm，超过部分用砂纸打磨掉，否则易导致防碳化涂层脱落；
底漆ConcureA 涂刷完毕并形成薄膜层后，需尽快涂刷防碳化面层涂料，避免薄膜积灰导致粘结性下降；
当温度低于5℃或下雨天时，均不能进行涂抹FC、涂刷底漆及防碳化面层涂料的施工；
结构物防水和防碳化涂层的交界处施工时，提前用透明胶带贴于防水顶部标高线处，防碳化涂料施工完成后移除胶带，使交界处整齐美观；
为防止施工人员皮肤直接接触底漆ConcureA，工作区域应保证良好通风，并避免在封闭空间内使用该材料。
以沙特麦麦高铁麦加车站特大桥超宽鱼尾形现浇箱梁为研究对象，从设计、施工工艺等分析产生裂缝原因，通过控温、加大配筋、设置后浇带、优化自密实混凝土配合比、优化模板施工工艺以及混凝土入模工艺、梁体外部涂上防碳化涂料保护层等措施有效减少裂缝。本文高温环境下超宽鱼尾形高铁箱梁预防裂缝施工技术可为国内外类似复杂结构工程施工提供借鉴。
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