超大體積混凝土配合比設計優化及裂縫控制技術研究

賈蓉蓉

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

某長江公路大橋主墩圓端矩形承臺外輪廓為67 m×35 m，高7 m，混凝土采用C40 混凝土，澆筑時混凝土方量非常大，該設計采用兩次澆筑方式，每層3.5 m。施工時，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，表面水分蒸發快，有可能導致層間塑性收縮開裂；另外，該大體積混凝土屬于長條狀，可能會出現中部應力集中導致的開裂；更重要的是該工程混凝土體積大，混凝土內部水化熱量如不及時排除，很容易因內外溫差過大導致溫度裂縫，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選、礦物摻和料的摻入、配合比優化方面作調整，另外充分利用實時溫度監測數據，在水化放熱不同階段采取合理、可行溫控措施，兩方面對超大體積承臺混凝土進行防裂控制。

本項目采用粉煤灰、礦渣粉及超緩凝聚羧酸減水劑，三者疊加的效果實現水泥用量、用水量的降低使混凝土強度、密實度、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實驗室凝結時間控制在36～40 h。另外在承臺每次澆筑的頂面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 試驗原材料

水泥：P·O42.5 級水泥（簡稱HXC），比表面積339 g/cm3；粉煤灰：F 類Ⅱ級粉煤灰（簡稱 FA）；?；郀t礦渣粉（簡稱GBFS）：比表面積為432 m2/kg；聚丙烯纖維：長度12 mm；緩凝型聚羧酸高效減水劑（簡稱 J）；中砂：細度模數為 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 承臺大體積混凝土配合比設計及性能

2.1 大體積混凝土配合比設計

項目對選用的配合比進行了優化設計，在A0的基礎上，通過降低膠材總量，優化出A1、A2、A3 三個配合比，優化配合比見表1，性能指標見表2。

表1 優化配合比

表2 C40 混凝土性能指標

從表2 可得，A0、A1、A2、A3 四組混凝土的工作性均較好，無離析、泌水等現象，但隨著水泥用量減少，初凝時間呈逐步增加的趨勢，均沒有超出初凝時間30～40 h 的范圍要求。28 d 抗壓強度試驗結果均大于48.2 MPa，符合C40 承臺混凝土技術要求。

2.2 大體積混凝土耐久性

考慮主墩承臺混凝土遭受雨水滲透及碳化作用而導致的結構破壞，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 碳化深度建立關系，試驗及回歸結果見表3。

表3 主墩C40 承臺混凝土耐久性能

由表3 可知，4 組混凝土的 28 d、56 d 電通量均小于設計1 000 C 的技術要求，28 d 碳化深度均小于5 mm，符合耐久性技術要求。從回歸方程系數來看，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；從系數影響量看，礦渣粉摻量對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%。主要原因為水膠比一定時，增加礦渣粉可有效填充水泥、粉煤灰反應生成的空隙，進一步提高混凝土結構的密實程度，最終表現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

水泥反應過程中釋放熱量的大小、溫峰的高度、溫峰持續的時長，對大體積混凝土的溫度應力大小及溫度誘導裂縫的產生有著重要的影響。本文采用C80 微量熱儀對比測定了礦物摻合料和緩凝劑聚羧酸減水劑對膠凝材料水化放熱反應的影響。

表4 不同膠材體系水化放熱特征參數

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、不同水化時段的水化放熱量均有減小，最大放熱速率出現時間大幅延后，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向后推移且實現緩慢爆發的效果。

2.3.2 緩凝型聚羧酸減水劑的影響

在55%水泥+27%粉煤灰+18%礦渣粉的基礎上，添加緩凝型聚羧酸鹽減水劑后，可以發現：相對未添加減水劑，最大放熱速率降低了53.7%；最大水化放熱速率出現時間延長了354.7%；不同水化時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水化前期影響非常大，而到7 d 時水化放熱量與未摻相差無幾，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

項目對表1 中A0、A1 和A2 三個配合比進行絕熱溫升研究，為大體積混凝土啟動降溫措施的時機提供數據支撐。試驗結果見圖1。

圖1 主墩C40承臺混凝土7 d 絕熱溫升曲線

從圖1 可知，A0、A1 和 A2 三個配合比絕熱溫升曲線走勢基本趨于一致，0～36 h 為初始反應期，到36 h 時，3 個配合比絕熱溫升值約為4.67 ℃；36～108 h 時段，屬于快速水化期，絕熱溫升值上升速度最快，到100 h 時3 個配合比絕熱溫升值才相繼出現偏差，最終表現為A2 絕熱溫升值漲幅最小，A0 漲幅最大。108 h 以后，3 個配合比的絕熱溫升速度基本保持一致，進入穩定期。相對來說，A2 配合比在整個絕熱溫升過程中，總體產生的熱量最小。

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

2.5 聚丙烯纖維混凝土的性能

采用平衡法考慮承臺混凝土的坍落度、抗壓強度、耐久性、絕熱溫升及膠凝材料水化熱，該項目采用A2 作為最終配合比，同時在施工各層頂層時，為降低混凝土表面溫度干縮引起的表面開裂，在A2的基礎上添加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C40 混凝土實驗室配合比優化結果

表6 聚丙烯纖維混凝土工作性與力學性能試驗結果

表7 聚丙烯纖維混凝土耐久性能試驗結果

從表6 可知，與A2 相比，AX 的坍落度有所降低，主要原因為纖維在混凝土中有加筋、相護搭接的作用，提高了混凝土的黏聚性能。從抗壓強度及靜力抗壓彈性模量來看，添加后的強度和彈性模量略有減少，但減少量不大，抗壓強度均超過48.2 MPa，28 d 靜力抗壓彈性模量均滿足32.5 GPa 的設計要求，但從混凝土的劈裂抗拉強度來講，聚丙烯纖維混凝土比未添加的劈裂抗拉強度分別提高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揮明顯的優勢。

表7 表明，相對普通混凝土，添加聚丙烯纖維的混凝土可以降低電通量和碳化深度，主要原因為添加纖維后可進一步提升混凝土的密實程度，進而提升了混凝土的耐久性能。

3 承臺大體積混凝土溫度控制技術

3.1 溫控標準

依據相關文獻，大體積混凝土仿真計算用溫度控制標準見表8[6-8]。

表8 大體積混凝土仿真計算用溫度控制標準

3.2 溫控措施

a）現場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，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護，蓄水高度不小于20 cm。

3.3 溫控監測

在承臺混凝土的底面以上中央0.3 m 高度處、2.5 m 高度處設置測溫傳感器，測試結果見圖2。

圖2 承臺混凝土測點溫度監控值

根據圖2 可知，該混凝土內部最高溫度為57 ℃，最大內表溫差18 ℃，符合表8 的技術要求，溫峰后降溫速率通過調整降溫管道中通熱蒸汽及關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。養生脫模后，未見有裂縫出現。

4 結語

a）針對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化了大體積混凝土配合比；另一方面根據實時混凝土水化溫升曲線，對其分階段的溫度進行控制，確保每個技術措施實時有效。監測結果表明采用該方法對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驗。

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，優化配制全程低水化熱、低溫峰、溫峰持續時長后延的高耐久性大體積混凝土，可保證承臺混凝土不受溫縮應力的影響而產生裂縫。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生塑性與干燥收縮開裂的特性。

c）采用大體積混凝土現場試驗，驗證了大體積混凝土仿真計算用溫度控制標準，驗證結果顯示，以上控制標準可行、有效。