承臺大體積混凝土的配制及溫度控制研究

李?！↓忂h　林華

摘要：針對大體積混凝土容易出現(xiàn)溫度裂縫的問題，以戛灑江特大橋承臺大體積混凝土為研究對象，通過采取混凝土配合比優(yōu)化設計、溫控計算、冷卻水管合理布置等措施，解決了對一次性澆筑厚度為6m達5622m3的承臺大體積混凝土溫度控制難度大的問題。溫控數(shù)據表明：混凝土芯部與頂面混凝土溫差最大為23.6℃，與側面溫差最大為24.5℃，混凝土芯部平均溫度的降溫速率在0.8～1.9℃/d，滿足規(guī)范要求，保證了工程質量。

Abstract： In view of the problem that mass concrete is prone to temperature cracks， taking the mass concrete of the cap of Cansajiang Bridge as the research object， by adopting the measures of optimum design of concrete mix ratio， temperature control calculation and rational arrangement of cooling water pipes， the difficult problem of temperature control for mass concrete of pile caps with one-time casting thickness of 6m up to 5622m3 is solved. The temperature control data show that the maximum temperature difference between concrete core and top surface is 23.6℃， and the maximum temperature difference between concrete core and side is 24.5℃. The average cooling rate of concrete core is 0.8～1.9℃/d， which meets the requirements of the code and ensures the quality of the project.

關鍵詞：大體積混凝土;配合比設計;溫控技術

Key words： mass concrete;mix design;temperature control technology

中圖分類號：U445.57? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）35-0182-04

0? 引言

戛灑江特大橋為大戛高速（新平縣大開門至戛灑鎮(zhèn)）控制性工程，橋梁全長982.08m，最大橋面高度206m，橋跨布置為預應力連續(xù)剛構箱梁（77+170+200+170+77）+7×40mT梁，全橋按四車道設計。由于連續(xù)剛構箱梁跨越戛灑江段單跨長達200m，橋墩左右幅采用整體式承臺即該橋主墩承臺均為整體式承臺，主承臺長寬高為36.6×25.6×6m，設計混凝土方量為5622m3，混凝土設計標號均為 C40，屬于典型的大體積混凝土結構，按60天齡期抗壓強度進行控制，圖1為主承臺剖面示意圖。

承臺混凝土采用一次性全面分層澆筑，為避免工程中大體積混凝土出現(xiàn)溫度裂縫，提高混凝土結構的耐久性，必須對混凝土的配合比進行優(yōu)化設計，同時采取溫控養(yǎng)護措施，對C40大體積混凝土的水化熱進行控制[1]。由于戛灑地區(qū)沒有性能較好的粗骨料，本文針對大體積混凝土的特點，通過利用戛灑鎮(zhèn)大紅山石場鐵尾礦骨料進行配合比設計和在膠凝材料中加大礦物摻合料用量，以提高混凝土工作性和耐久性，解決鐵尾礦骨料因顆粒粗糙、多棱角、內摩擦力較大等因素對混凝土工作性造成的不利影響，并通過承臺混凝土內部溫度監(jiān)控，確?；炷潦┕そ禍睾秃笃陴B(yǎng)護工作的順利開展。

1? 原材料及配合比設計

1.1 原材料選擇

①水泥：選用水化放熱量較低的水泥是有效控制混凝土水化放熱量的一個有效措施。通過對比周邊四種水泥水化放熱量后優(yōu)選放熱量較小的元江永發(fā)P·O42.5水泥，其3d和7d放熱量分別為242kJ/kg和277kJ/kg。

②礦渣粉：選用峨山德源工貿有限責任公司生產的S75級礦渣粉，比表面積為375m2/kg，流動度比為102%，7d活性指數(shù)為58.1%，28d活性指數(shù)為76.0%。

③粉煤灰：采用昆明漢華貿易有限責任公司的Ⅱ級粉煤灰，細度為18.6%，需水量比為98%，燒失量為2.75，7d和28d活性指數(shù)分別為57.4%和73.1%。

④外加劑：采用上海三瑞高分子公司緩凝型高性能減水劑，固含量為12.8%，pH值為6.8%，總堿含量為1.0%，減水率為29.2%。

⑤粗骨料：選用新平縣戛灑鎮(zhèn)大紅山石場鐵尾礦骨料，其主要性能指標見表1所示。

⑥細骨料：選用天生壩砂場生產的河砂，具體篩分和性能指標見表2所示。

⑦拌和用水：選用較為清澈的達哈溪水，pH值為7.74mg/L，不溶物為305mg/L，可溶物為388mg/L，氯化物28.55mg/L，硫酸鹽為41mg/L，堿含量為28mg/L。

1.2 配合比設計

1.2.1 設計路線

根據施工設計圖紙要求，本承臺為C40強度等級混凝土。針對本項目承臺大體積混凝土澆筑工程，采用高摻量礦物摻合料的低溫升抗裂大體積混凝土技術方案，通過提高配合比中礦物摻合料以實現(xiàn)降低水化熱的同時，可提高混凝土耐久性能，在此路線下混凝土亦具有良好的后期強度[2，3]，并通過選擇合適的高效緩凝性減水劑和優(yōu)化鐵尾礦骨料顆粒級配的方法，混凝土具有良好的工作性能和耐久性[4]。配合比技術思路如下：

①采用粉料“多摻技術”，充分降低水泥使用數(shù)量，優(yōu)化膠凝材料體系組成。

提高利用兩種摻合料粉煤灰和礦粉對降低混凝土水化熱和混凝土后期強度貢獻的作用，減少水泥用量。通過保持膠凝材料總量不變，測試分析兩種摻合料不同摻配比例的膠凝材料體系的水化放熱量和放熱速率，表3為不同膠凝材料體系水化熱測試結果，摻入33%礦物摻合料時膠凝材料體系放熱量和放熱速率均處于較低值，由于還需考慮混凝土早期強度發(fā)展要求，礦物摻合料比例確認為33%。

②選擇合適的高效緩凝型減水劑。

在大體積承臺混凝土使用緩凝型的高效減水劑，可以減緩混凝土內部水化反應，延緩水化峰值的出現(xiàn)時間，避免混凝土構件內部溫度積聚，有效防控較大溫度應力的產生。結合施工計劃完成澆筑時間，通過調整外加劑配方在滿足混凝土工作性能前提下，將初凝結時間控制在14～17小時，終凝時間控制在16～21小時。通過大量試配，確定外加劑配方為：D母液（高減水型）-16%，F(xiàn)母液（保坍型）-10%，白糖-2.4%，水-71.6%。

③選用粒徑適中、級配良好的粗骨料。

混凝土內部最薄弱的環(huán)節(jié)是粗骨料與水泥石形成的界面過渡區(qū)，其中粗骨料起骨架作用。骨料粒徑增大，混凝土內部缺陷就會相應增多;粒徑偏小，則該界面過度區(qū)的膠凝材料用量比其它區(qū)域相對較多，即會導致該區(qū)域的水化放熱量也相對也較多，就易造成局部溫差，這給混凝土內部溫度施工控制帶來困難。通過利用3種不同粒徑鐵尾礦碎石進行人工級配合成使其級配最優(yōu)的方法，克服了鐵尾礦碎石對混凝土工作性能造成不利影響的難題。如圖2，最終確認碎石比例為：1#（20-31.5mm）：2#（10-20mm）：3#（5-10mm）=10%：78%：12%，最佳級配下的堆積孔隙率為44%，提高了骨料密實度。

1.2.2 配合比

根據施工設計圖紙及相關標準要求，在保證混凝土工作性能滿足要求，并考慮現(xiàn)場施工情況等客觀因素的前提下，經過多次試配驗證，最終確定C40承臺大體積混凝土生產配合比如表4所示，其工作性能見表5所示。

2? 混凝土施工質量控制

2.1 控制入模溫度

采用有限元橋梁專用程序Midas/Civil計算結果可知：入模溫度為28℃時，溫度峰值為62.4℃，最大里表溫差18.7℃，滿足規(guī)范和設計要求。通過實驗對比不同入模溫度的混凝土，當混凝土入模溫度高的，放熱速率快，溫升值也相對較高。因此，入模溫度對溫控影響很大，施工中應注意盡可降低入能模溫度。生產過程中碎石和河砂溫度均為17℃左右，拌合用水溫度為16℃左右，水泥、粉煤灰和礦粉溫度通過提前囤料控制在40℃以內，生產過程中實測混凝土出廠溫度穩(wěn)定在16～25℃，運輸?shù)綕仓F(xiàn)場溫度在18～26℃。

2.2 施工方法

考慮場地受限因素，現(xiàn)場配備2臺地泵，澆筑采用全面分層澆筑法，每層的澆筑厚度為40cm，分15層并控制在80小時以內全部澆筑完畢?；炷琳駬v采用50型振動棒，振動器快插慢拔，使混凝土不下沉，不冒氣泡，泛漿，表面平坦，密實質量要最好。混凝土構件澆筑完成后，其裸露表面應盡快進行人抹平處理，并嚴禁工人在上面施工作業(yè)。為避免混凝土表面收縮裂縫，承臺混凝土表面在終凝前應進行二次抹面收光，可有效預防收縮裂縫，避免永久裂紋的產生。

2.3 養(yǎng)護方法

承臺養(yǎng)護應保證濕度和溫度，承臺混凝土上表面和承臺模板四周外側要求灑水保證濕度，同時在確保表面濕潤狀態(tài)下覆蓋一層土工布和塑料薄膜進行保溫，可有效預防混凝土表面開裂現(xiàn)象的產生，承臺構件四周模板拆除時，應選擇在溫度比較高的時間段，以單列模板為一個拆除單元，拆模過程中保持灑水養(yǎng)護，拆模后，繼續(xù)覆蓋土工布封閉養(yǎng)護，現(xiàn)場養(yǎng)護如圖3所示。

2.4 冷卻水管布置

冷卻管采用Φ50鋼管，架立骨架利用架立鋼筋。冷卻管布置6 層，每層采用“兩進兩出”布置，冷卻管與管間距離按 0.95m 控制，底層與頂層距離底面及頂面也按 0.75m 控制，順橋向冷卻管距離承臺側面距離按 1m 控制，橫橋向冷卻管距離承臺側面距離按 1m 控制。承臺冷卻水管布置見圖4和圖5所示。當混凝土澆筑水平面達到各層冷卻水管標高后，該層冷卻水管開始通水工作，管道內冷卻水以 3m3/h在管道內平穩(wěn)流通，采取從中部二次通水冷卻工作原理，有效避免由上層混凝土溫度傳遞導致的下層混凝土溫度回升現(xiàn)象，當混凝土內部溫度達到最高值后，還需繼續(xù)通過控制冷卻水流量及工作時間，確保承臺內部混凝土以 2℃/d 的速率降溫。在承臺混凝土覆蓋測溫元件后開始測溫，便于冷卻水控制，在承臺構件澆筑成型后混凝土溫度上升階段，每2～4小時進行一次溫度檢測，當承臺混凝土溫度下降階，每4～6小時進行一次溫度檢測，直至混凝土溫度的各項控制指標達到設計要求。

3? 溫度監(jiān)測結果及分析

承臺構件內部水平方向均勻預留布置了14個溫度測區(qū)，每個測區(qū)縱向又有4個測點，另布置了1個外界氣溫測點，1個進水溫度測點和6個出水溫度測點，共64個溫度測點，測溫點布局圖見圖6所示。

本次承臺混凝土共澆筑施工約78小時，通過選取連續(xù)采集300小時的溫控數(shù)據進行分析研究，其中心縱軸線溫度變化趨勢如圖7所示。由圖可知T3測溫點歷時95小時時達到峰值溫度64.7℃，達到峰溫后緩慢下降，峰溫在64.7～54.9℃，幾乎不受環(huán)境溫度變化的影響。靠近底部溫度測點由于熱量不易散發(fā)，澆筑結束時溫度已達到峰值，因此圖7中溫度曲線比較平緩，在澆筑后13天上部溫度同保溫層接近。

承臺構件內部溫度與周圍溫度變化關系趨勢如圖8所示，混凝土芯部與頂面混凝土溫差最大為23.6℃，與側面溫差最大為24.5℃，承臺側面支撐鋼模板，直接與外界接觸，受空氣晝夜溫差影響，承臺外側溫度變化較大?；炷列静科骄鶞囟鹊慕禍厮俾试?.8～1.9℃/d，滿足規(guī)范要求。在承臺構件內部降溫階段冷卻水進出口溫差最大值為達到9.2℃，最大混凝土內部與水溫的溫差為18.6℃，均在規(guī)范要求內。在承臺澆筑完成后95h后，開始進入全面降溫階段，通過控制冷卻水的水溫和流速，有效控制降溫速率。

在實際施工澆筑過程中，根據監(jiān)控溫度的數(shù)據分析，采取不同養(yǎng)護方案措施，有效解決了由混凝土溫度造成的表面裂縫等外觀質量問題，保障了工程整體施工質量，圖9所示為戛灑江特大橋承臺澆筑實際效果圖。

4? 結論

①通過對膠凝材料體系組成的優(yōu)化、高效緩凝減水劑的選擇和鐵尾礦碎石顆粒級配的改進后，有效解決了大體積混凝上在凝結硬化過程中，早期水化速度快、水化熱高容易產生溫度裂縫的矛盾。②承臺混凝土芯部與上表面混凝土最大溫差為23.6℃，與四個側面最大溫差為24.5℃，在全面降溫階段，混凝土芯部平均溫度的降溫速率控制在0.8～1.9℃/d，滿足規(guī)范要求。

參考文獻：

[1]張振德.大體積混凝土溫度發(fā)展規(guī)律和配比優(yōu)化研究[D].泰安：山東科技大學，2005.

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[3]呂林女，何永佳，丁慶軍，胡曙光.多組水泥基材料的水化放熱行為[J].水泥，2004（9）：1-3.

[4]周志鴻，李國剛.西江特大橋承臺大體積混凝土配合比設計及施工措施研究[J].公路交通科技，2010（11）：278-292.