大體積混凝土配合比設計

王愉康，陳 才

(中交隧道局第二工程有限公司，陜西 西安 710100)

0 引 言

新建108國道禹門口黃河公路大橋線路的總體走向為由東向西，起點位于山西省運城市河津市超限檢測站南側，終點位于陜西省渭南市韓城市龍門鎮上峪口超限檢測站西側，全長4.45 km，雙向六車道標準。新建禹門口黃河大橋主橋全長1 660.4 m，分為山西側東引橋、橫跨黃河主橋、陜西側西引橋3部分。其中山西側東引橋形式為2×(3×40)m+1×(4×42.5)m 裝配式預應力混凝土組合箱梁橋，橫跨黃河主橋為(245+565+245)m三跨雙塔雙索面鋼-混結合梁斜拉橋，陜西側西引橋為(50+85+50)m雙幅預應力混凝土變截面轉體連續箱梁橋。主橋11#索塔單樁直徑為2.0 m，樁長65 m，共60根；12#索塔單樁直徑為2.0 m，樁長58 m，共50根。11#、12#采用群樁基礎，承臺為整體式矩形承臺，11#承臺尺寸為49 m×29 m×6 m，承臺澆注量為8 526 m3；12#承臺尺寸為49 m×24 m×6 m，承臺混凝土澆注量為7 056 m3，均為C40大體積混凝土。大體積混凝土由低熱硅酸鹽水泥、優質粉煤灰、磨細礦渣粉、細骨料、粗骨料、高減水率、長緩凝型外加劑和水等組成，依據所選用原材料的各項工作性能和對混凝土的各項性能要求，通過大量理論計算、試配制、微調整等方法，摸索出各種材料的最佳組成比例，以此拌制出既經濟實惠又符合質量要求的混凝土。

1 大體積混凝土配合比設計

1.1 大體積混凝土概念

混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土,或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土，被稱為大體積混凝土[1-4]。

1.2 大體積混凝土配合比設計原則

(1)混凝土的用水量與總膠凝材料之比不應大于0.55，且總用水量不應大于175 kg·m-3。

(2)在保證混凝土各項工作性能滿足規范要求的前提下，砂率最好在38%～42%之間，盡量提高每方混凝土中的粗集料占比。

(3)在保證混凝土各項工作性能滿足規范要求的前提下，應該減少總膠凝材料中的水泥用量，提高粉煤灰、磨細礦渣粉等礦物摻合料的摻入量[5]。

(4)在試配與調整大體積混凝土配合比時，控制混凝土絕熱溫升不大于50 ℃。

(5)大體積混凝土配合比設計應滿足專項施工方案制定情況下對混凝土凝結時間的要求[6]。

1.3 大體積混凝土配合比設計思路

(1)配合比設計應嚴格按照《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—1011)對大體積混凝土的各項要求進行設計和試配[7]。

(2)大體積混凝土配合比不宜采用28 d抗壓強度作為評定標準，應采用60 d或90 d的抗壓強度作為設計、評定及驗收的依據。

(3)宜選用低摻量、低水化熱的水泥來避免因水泥水化熱過高而引起混凝土內外溫差過大產生的細小裂縫。

(4)控制好混凝土配合比中總膠凝材料用量，通過加入大摻量礦物摻合料來降低大體積混凝土強度增長過程中的放熱峰值。

1.4 原材料的選擇

1.4.1 水泥

大體積混凝土所用水泥宜采用中、低熱硅酸鹽水泥或者低熱礦渣硅酸鹽水泥[8]，如果采用普通硅酸鹽水泥時，宜摻加礦物摻合料例如粉煤灰和礦渣粉等。由于禹門口黃河大橋處于陜西和山西交界處，地理位置較偏，附近區域沒有生產中、低熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣硅酸鹽水泥的廠家，所以采用山西龍門五色石建材有限公司生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，經過試驗檢測，其物理性能如下：密度為3.04 g·cm-3，比表面積為332 m2·kg-1，標準稠度用水量為27.4%；初凝時間為220 min，終凝時間為301 min；雷氏夾法測定安定性合格；3 d抗折、抗壓強度分別為5.3、25.4 MPa；28 d抗折、抗壓強度分別為8.2、45.4 MPa。

1.4.2 粉煤灰

通過粉煤灰超量或等量取代的方法來降低大體積混凝土中水泥的用量，不僅可以大大降低混凝土整體水化熱，增加大體積混凝土施工的和易性，而且能夠大幅度提高混凝土密實度和耐久性[9]。本項目采用河津市龍輝建材有限公司生產的F類Ⅰ級粉煤灰，經過檢測，其性能如下：細度(0.045 mm方孔篩通過百分率)為6%；燒失量為0.14%；需水量比為94%。

1.4.3 磨細礦渣粉

磨細礦渣粉作為大體積混凝土中的礦物摻合料，不僅可超量或等量替代水泥，改善混凝土膠凝材料體系中的顆粒級配，增加大體積混凝土施工過程中的和易性，還可以延長水泥水化熱產生時間，推遲大體積混凝土凝結時間，降低其早期過程水化熱[10-11]。本項目選用西安德龍粉體工程有限公司生產的S95級磨細礦渣粉。經過試驗檢測，其物理性能如下：比表面積為428 m2·kg-1；燒失量為1.4%；需水量比為98.1%；7 d活性指數為78%。

1.4.4 集料

集料是混凝土的骨架，直接關系到混凝土的質量。級配較好的集料不僅可以有效提高混凝土的抗壓、抗彎拉等強度，提高混凝土的各項工作性能，減少混凝土早期成型過程中的干燥收縮、徐變、細小裂紋等不利影響，還可以大大提高混凝土的耐久性。對于細集料，規范規定一級公路大體積混凝土用細集料宜采用中砂，含泥量不應大于3.0%。本項目選用臨潼區新豐鎮春光砂場生產的Ⅱ區中砂。其技術指標如下：細度模數為2.77；表觀密度為2 592 kg·m-3；堆積密度為1 600 kg·m-3；含泥量為1.6%；泥塊含量為0.4%。對于粗集料，規范規定一級公路大體積混凝土用粗集料宜為連續級配，最大公稱粒徑不宜小于31.5 mm，含泥量不應大于1.0%。本項目選用河津石佳石場生產的5～31.5 mm連續級配碎石，其技術指標如下：表觀密度為2 718 kg·m-3；堆積密度為1 610 kg·m-3；含泥量為0.6%；泥塊含量為0.2%；壓碎值為1..3%；針片狀顆粒含量為5.4%。

1.4.5 外加劑

緩凝型聚羧酸高性能減水劑能有效延緩混凝土水化熱的釋放，降低及推遲混凝土水化熱的放熱最高值，使混凝土水化熱釋放過程更加平緩，避免混凝土最中心部位溫度上升過快導致內部與外部溫差增大從而產生微觀裂縫，引起混凝土耐久性降低[12-13]。本項目選用山西黃河新型化工有限公司生產的 HJSX-A(緩凝型)聚羧酸高性能減水劑，經過試驗檢測，其各項工作性能如下：減水率為28.0%；7 d抗壓強度比為146%；28 d抗壓強度比為135%；泌水率比為17%；含氣量為2.6%；28 d收縮率比為103%。

1.5 大體積混凝土配合比設計及混凝土試驗

1.5.1 配合比的試配

首先根據試驗規程、規范和設計文件要求對大體積混凝土用各種原材料進行自檢和委外檢測，各項指標均合格后依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)、《混凝土泵送施工技術規程》(JGJ/T 10—2011)的有關規定進行大體積混凝土配合比設計。設計混凝土坍落度為160～200 mm，混凝土表觀密度為2 400 kg·m-3，計算配制強度為48.2 MPa，依據施工經驗水灰比選擇為0.35。根據設計規程，依據外加劑減水率確定單位用水量為150 kg·m-3，得出總膠凝材料用量為429 kg·m-3，選取礦物摻合料總量占膠凝材料總和為37%，分別得出水泥、粉煤灰、礦渣粉摻入量，選取砂率為41%，從而計算得出粗、細集料用量。依據試驗規程進行配合比試拌及比對，結果如表1所示。

表1 混凝土配合比及主要性能

1.5.2 確定配合比

依據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)和《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2016)的有關規定對新拌混凝土的各項工作性能進行檢測。經多次試配優選，確定采用編號為c的配合比，其水膠比為0.35，1 m3混凝土用水量為150 kg，砂率為41%，水泥、粉煤灰、礦渣粉、細集料、粗集料、水、外加劑的比例為270∶100∶59∶747∶1 074∶150∶4.29。經檢測該混凝土配合比初始坍落度為190 mm，1 h后坍落度為185 mm，混凝土初凝時間為960 min，終凝時間為1 110 min，28 d抗壓彈性模量達到設計規范要求(3.25×104N·mm-2)的118.5%，60 d抗壓彈性模量達到設計規范要求的134.0%，表觀密度實測值為2 410 kg·m-3，與計算值之差的絕對值未超過計算值的2%，依據《普通混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)規定配合比可維持不變。經檢驗該混凝土的工作性符合規范及施工設計要求，可以用于本項目施工中。

承臺混凝土強度等級為C40，各項實測參數見表2～5。

表2 11#承臺混凝土配合比 kg·m-3

表3 混凝土劈裂抗拉強度參考值 MPa

表4 混凝土物理熱學參數

2 施工注意事項

2.1 勻質性施工

混凝土工程施工前要提前做好統籌規劃，本項目11#承臺計劃共分3層澆筑，每層分7小層布料，每小層厚約30 cm，由2臺50 m長泵車按先兩邊后中間的順序澆注，配置10套振搗棒按布料順序成行式前進，避免混凝土出現過振或漏振現象；保證振動棒垂直插入混凝土面且快速插入慢慢拔起，以此避免在凝土坍落度較小時留下振搗小坑；要求振搗時間最少為20 s但不超過30 s，插入下層混凝土約5～10 cm，確保下層混凝土初凝前再次振搗，以此保證混凝土內部氣泡及時排出達到密實狀態。

表5 大體積混凝土溫控標準

2.2 澆注混凝土的溫度控制

本項目澆筑承臺處于冬季施工期間，混凝土澆注溫度控制是重中之重，為了確保入模溫度達到規范要求，采取具體措施如下。

(1)必須使用遮陽防雨棚里的粗細集料且堆放高度必須符合規范要求，嚴禁使用戶外臨時堆放的材料，確保骨料含水率穩定、材質均勻。

(2)膠凝材料采取適當的保溫措施，不得與60 ℃以上的熱水接觸。

(3)減少混凝土在運輸和澆注過程中的溫度變化，加快運輸和澆注速度。

(4)混凝土運輸罐車必須包裹帆布且施工前用熱水洗罐1次。

(5)安排專人定崗、定時檢測各種原材料溫度并登記臺帳，保證混凝土出機溫度符合規范要求，澆注前根據環境溫度和各種原材料溫度計算運輸過程和施工過程中的溫度損耗情況。

2.3 混凝土養護

養護包括濕度和溫度兩個方面，施工期間氣溫較低，應注重結構的保溫。

2.4 內外溫差控制

聘請第三方專業溫控單位根據現場施工工藝、大體積混凝土配合比以及各種原材料各項參數等指標，利用專用軟件建立模型仿真演算預測溫度應力、應力場隨時間的變化，從而準確布置多層次大流通量循環冷卻水管來降底混凝土內部溫度，確保內外部溫差不大于25 ℃，避免細小裂縫的產生。

3 結 語

(1)在膠材總量確定的情況下，盡量減小水泥用量，考慮加大礦物摻合料的摻量，提高混凝土性能。

(2)選擇適宜的水膠比，控制混凝土最大用水量。

(3)在符合規范的情況下，摻加較大比例的高品質粉煤灰和磨細礦渣粉，摻加較低摻量的緩凝型高性能減水劑，以降低大體積混凝土中水泥用量和用水量，達到高密實度混凝土各項性能，從而使混凝土抗壓強度、彈性模量、耐久性等得到提升。

(4)大體積混凝土以60 d強度作為控制指標，進一步減少水泥用量，降低水化熱。

(5)適當延長混凝土緩凝時間以推遲并削弱溫峰。

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