超大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化及裂縫控制技術(shù)研究

賈蓉蓉

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

某長(zhǎng)江公路大橋主墩?qǐng)A端矩形承臺(tái)外輪廓為67 m×35 m，高7 m，混凝土采用C40 混凝土，澆筑時(shí)混凝土方量非常大，該設(shè)計(jì)采用兩次澆筑方式，每層3.5 m。施工時(shí)，澆筑工期為6 月，白天最高氣溫38 ℃，夜間最低22 ℃，混凝土入模溫度較高，且分層施工，表面水分蒸發(fā)快，有可能導(dǎo)致層間塑性收縮開裂；另外，該大體積混凝土屬于長(zhǎng)條狀，可能會(huì)出現(xiàn)中部應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂；更重要的是該工程混凝土體積大，混凝土內(nèi)部水化熱量如不及時(shí)排除，很容易因內(nèi)外溫差過大導(dǎo)致溫度裂縫，最終引起混凝土的耐久性能下降[1-4]。本文首先從原材料優(yōu)選、礦物摻和料的摻入、配合比優(yōu)化方面作調(diào)整，另外充分利用實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在水化放熱不同階段采取合理、可行溫控措施，兩方面對(duì)超大體積承臺(tái)混凝土進(jìn)行防裂控制。

本項(xiàng)目采用粉煤灰、礦渣粉及超緩凝聚羧酸減水劑，三者疊加的效果實(shí)現(xiàn)水泥用量、用水量的降低使混凝土強(qiáng)度、密實(shí)度、耐久性能提高[5]。超緩凝聚羧酸減水劑可以推遲和削弱混凝土的溫峰，可將C40混凝土高溫期施工時(shí)實(shí)驗(yàn)室凝結(jié)時(shí)間控制在36～40 h。另外在承臺(tái)每次澆筑的頂面50 cm 厚混凝土中摻入聚丙烯纖維，起到加筋、增韌作用，提高干燥收縮的抵抗開裂能力。

1 試驗(yàn)原材料

水泥：P·O42.5 級(jí)水泥（簡(jiǎn)稱HXC），比表面積339 g/cm3；粉煤灰：F 類Ⅱ級(jí)粉煤灰（簡(jiǎn)稱 FA）；?；郀t礦渣粉（簡(jiǎn)稱GBFS）：比表面積為432 m2/kg；聚丙烯纖維：長(zhǎng)度12 mm；緩凝型聚羧酸高效減水劑（簡(jiǎn)稱 J）；中砂：細(xì)度模數(shù)為 2.6，表觀密度為2 713 kg/m3；粗集料：5～25 mm 碎石，表觀密度為2 671 kg/m3。

2 承臺(tái)大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能

2.1 大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)

項(xiàng)目對(duì)選用的配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在A0的基礎(chǔ)上，通過降低膠材總量，優(yōu)化出A1、A2、A3 三個(gè)配合比，優(yōu)化配合比見表1，性能指標(biāo)見表2。

表1 優(yōu)化配合比

表2 C40 混凝土性能指標(biāo)

從表2 可得，A0、A1、A2、A3 四組混凝土的工作性均較好，無(wú)離析、泌水等現(xiàn)象，但隨著水泥用量減少，初凝時(shí)間呈逐步增加的趨勢(shì)，均沒有超出初凝時(shí)間30～40 h 的范圍要求。28 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均大于48.2 MPa，符合C40 承臺(tái)混凝土技術(shù)要求。

2.2 大體積混凝土耐久性

考慮主墩承臺(tái)混凝土遭受雨水滲透及碳化作用而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，研究了4 組混凝土28 d、56 d電通量及28 d 碳化深度，表3 中x1代表表1 中水泥用量，x2代表表1 中粉煤灰用量，x3代表表1 中礦渣粉用量，通過與 28 d 電通量、56 d 電通量、28 d 碳化深度建立關(guān)系，試驗(yàn)及回歸結(jié)果見表3。

表3 主墩C40 承臺(tái)混凝土耐久性能

由表3 可知，4 組混凝土的 28 d、56 d 電通量均小于設(shè)計(jì)1 000 C 的技術(shù)要求，28 d 碳化深度均小于5 mm，符合耐久性技術(shù)要求。從回歸方程系數(shù)來看，影響水泥混凝土電通量及碳化深度的主要因素是礦渣粉摻量，其次是水泥，影響最小的為粉煤灰；從系數(shù)影響量看，礦渣粉摻量對(duì)水泥混凝土電通量及碳化深度影響量為60.8%～72.3%，水泥摻量的影響量為27.0%～27.8%，粉煤灰摻量的影響量為0～14.4%。主要原因?yàn)樗z比一定時(shí)，增加礦渣粉可有效填充水泥、粉煤灰反應(yīng)生成的空隙，進(jìn)一步提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度，最終表現(xiàn)為水泥混凝土的耐久性得到提高。所以，如果提高水泥混凝土的耐久性能，添加一定量的礦渣粉效果將更為明顯。

2.3 大體積混凝土中的膠凝材料水化熱

水泥反應(yīng)過程中釋放熱量的大小、溫峰的高度、溫峰持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)，對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力大小及溫度誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)生有著重要的影響。本文采用C80 微量熱儀對(duì)比測(cè)定了礦物摻合料和緩凝劑聚羧酸減水劑對(duì)膠凝材料水化放熱反應(yīng)的影響。

表4 不同膠材體系水化放熱特征參數(shù)

2.3.1 礦物摻合料的影響

與100%純水泥混凝土相比，在55%水泥中添加27%粉煤灰和18%礦渣粉后，水泥混凝土的最大放熱速率、不同水化時(shí)段的水化放熱量均有減小，最大放熱速率出現(xiàn)時(shí)間大幅延后，尤其在前3 h，水化放熱量抑制效果明顯。此外摻劑可使水泥的水化熱從集中爆發(fā)向后推移且實(shí)現(xiàn)緩慢爆發(fā)的效果。

2.3.2 緩凝型聚羧酸減水劑的影響

在55%水泥+27%粉煤灰+18%礦渣粉的基礎(chǔ)上，添加緩凝型聚羧酸鹽減水劑后，可以發(fā)現(xiàn)：相對(duì)未添加減水劑，最大放熱速率降低了53.7%；最大水化放熱速率出現(xiàn)時(shí)間延長(zhǎng)了354.7%；不同水化時(shí)段的水化放熱量分別降低了63.5%、59.4%、29.6%、8.3%、1.0 %，表明緩凝型減水劑對(duì)水化前期影響非常大，而到7 d 時(shí)水化放熱量與未摻相差無(wú)幾，但從水化開始到7 d 來講，整體水化熱降低約31.3%，所以緩凝型減水劑對(duì)水化熱生成的抑制非常有效。

2.4 大體積混凝土絕熱溫升

項(xiàng)目對(duì)表1 中A0、A1 和A2 三個(gè)配合比進(jìn)行絕熱溫升研究，為大體積混凝土啟動(dòng)降溫措施的時(shí)機(jī)提供數(shù)據(jù)支撐。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 主墩C40承臺(tái)混凝土7 d 絕熱溫升曲線

從圖1 可知，A0、A1 和 A2 三個(gè)配合比絕熱溫升曲線走勢(shì)基本趨于一致，0～36 h 為初始反應(yīng)期，到36 h 時(shí)，3 個(gè)配合比絕熱溫升值約為4.67 ℃；36～108 h 時(shí)段，屬于快速水化期，絕熱溫升值上升速度最快，到100 h 時(shí)3 個(gè)配合比絕熱溫升值才相繼出現(xiàn)偏差，最終表現(xiàn)為A2 絕熱溫升值漲幅最小，A0 漲幅最大。108 h 以后，3 個(gè)配合比的絕熱溫升速度基本保持一致，進(jìn)入穩(wěn)定期。相對(duì)來說，A2 配合比在整個(gè)絕熱溫升過程中，總體產(chǎn)生的熱量最小。

考慮降溫措施時(shí)間選擇時(shí)，36～108 h 時(shí)段，屬于快速水化期，絕熱溫升值上升速度最快，之后溫度不再隨時(shí)間的延長(zhǎng)繼續(xù)升高，所以36～108 h 是水泥混凝土成型后溫度控制的關(guān)鍵時(shí)段，可通過對(duì)大體積混凝土表面保溫，內(nèi)部冷卻水管鋪設(shè)降溫（加大水流量、降低入口水溫）的措施保證內(nèi)部溫度不至于過高。

2.5 聚丙烯纖維混凝土的性能

采用平衡法考慮承臺(tái)混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、耐久性、絕熱溫升及膠凝材料水化熱，該項(xiàng)目采用A2 作為最終配合比，同時(shí)在施工各層頂層時(shí)，為降低混凝土表面溫度干縮引起的表面開裂，在A2的基礎(chǔ)上添加0.9 kg/m3的聚丙烯纖維，添加后的水泥混凝土用于頂面30～50 cm 范圍內(nèi)的澆筑。添加聚丙烯纖維混凝土的綜合性能見表5～表7。AX 為添加纖維的最佳配合比比例。

表5 主墩承臺(tái)C40 混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比優(yōu)化結(jié)果

表6 聚丙烯纖維混凝土工作性與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 聚丙烯纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

從表6 可知，與A2 相比，AX 的坍落度有所降低，主要原因?yàn)槔w維在混凝土中有加筋、相護(hù)搭接的作用，提高了混凝土的黏聚性能。從抗壓強(qiáng)度及靜力抗壓彈性模量來看，添加后的強(qiáng)度和彈性模量略有減少，但減少量不大，抗壓強(qiáng)度均超過48.2 MPa，28 d 靜力抗壓彈性模量均滿足32.5 GPa 的設(shè)計(jì)要求，但從混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度來講，聚丙烯纖維混凝土比未添加的劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高6.1%、7.0%、9.4%。因此，聚丙烯纖維混凝土用于大體積混凝土表層將在抗裂方面發(fā)揮明顯的優(yōu)勢(shì)。

表7 表明，相對(duì)普通混凝土，添加聚丙烯纖維的混凝土可以降低電通量和碳化深度，主要原因?yàn)樘砑永w維后可進(jìn)一步提升混凝土的密實(shí)程度，進(jìn)而提升了混凝土的耐久性能。

3 承臺(tái)大體積混凝土溫度控制技術(shù)

3.1 溫控標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，大體積混凝土仿真計(jì)算用溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表8[6-8]。

表8 大體積混凝土仿真計(jì)算用溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2 溫控措施

a）現(xiàn)場(chǎng)入模溫度控制措施及效果如表9 所示[9-11]。

表9 入模溫度溫控措施及效果

b）混凝土快速升溫階段降溫措施 采用抗壓性能好的鐵皮管，以間距60 cm 上下、水平鋪設(shè)，通水后可很好地起到快速降溫、消除溫峰的作用。

c）混凝土降溫階段保溫措施 澆筑后的混凝土采用土工布和彩條布復(fù)合覆蓋的方式保溫保濕，拆模之前采用冷卻出水在鋼模圍堰中蓄水養(yǎng)護(hù)，蓄水高度不小于20 cm。

3.3 溫控監(jiān)測(cè)

在承臺(tái)混凝土的底面以上中央0.3 m 高度處、2.5 m 高度處設(shè)置測(cè)溫傳感器，測(cè)試結(jié)果見圖2。

圖2 承臺(tái)混凝土測(cè)點(diǎn)溫度監(jiān)控值

根據(jù)圖2 可知，該混凝土內(nèi)部最高溫度為57 ℃，最大內(nèi)表溫差18 ℃，符合表8 的技術(shù)要求，溫峰后降溫速率通過調(diào)整降溫管道中通熱蒸汽及關(guān)掉部分冷卻水管降溫的措施，可以保證降溫速率降到2.0 ℃/d 的要求。養(yǎng)生脫模后，未見有裂縫出現(xiàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

a）針對(duì)大體積混凝土溫度裂縫問題，一方面降低膠材水化放熱量和延緩水化放熱速率優(yōu)化了大體積混凝土配合比；另一方面根據(jù)實(shí)時(shí)混凝土水化溫升曲線，對(duì)其分階段的溫度進(jìn)行控制，確保每個(gè)技術(shù)措施實(shí)時(shí)有效。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明采用該方法對(duì)混凝土溫度裂縫得到有效控制，為以后超大體積混凝土施工提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

b）使用合理劑量的礦渣粉及一定劑量的超緩凝高效減水劑，優(yōu)化配制全程低水化熱、低溫峰、溫峰持續(xù)時(shí)長(zhǎng)后延的高耐久性大體積混凝土，可保證承臺(tái)混凝土不受溫縮應(yīng)力的影響而產(chǎn)生裂縫。另外，聚丙烯纖維混凝土可有效減少大體積混凝土頂面易發(fā)生塑性與干燥收縮開裂的特性。

c）采用大體積混凝土現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了大體積混凝土仿真計(jì)算用溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證結(jié)果顯示，以上控制標(biāo)準(zhǔn)可行、有效。