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72.5mx27m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 28C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1C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 ； R
冰的融解热，335kJ/kg ；
C 水的比热，4.2 kJ/kg?k ； Th――混凝土出机温度控制值，C。
设定Th=22C，根据计算，每方混凝土降低 1C,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 C，混凝土入模温度不超过 28 C，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 28C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。
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