大橋主塔承臺大體積混凝土配合比設(shè)計與施工

賈 文 斌

(山西路杰工程咨詢有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物中實體最小邊尺寸不小于1 m，如特大橋承臺或錨碇，高層建筑基礎(chǔ)，大壩及其他重力底座結(jié)構(gòu)物體所用的混凝土。這些結(jié)構(gòu)物都是依靠結(jié)構(gòu)物形狀、質(zhì)量和強度來承受荷載的，但在體積厚大的混凝土施工中水泥水化出的熱量無法及時散失，特別是大體積混凝土中心位置，熱量無法及時傳導(dǎo)到混凝土表層或底層，只能集聚在混凝土中心，從而導(dǎo)致中心部位的溫度迅速上升。而表層的混凝土因為存在與空氣的交換，其溫度會比內(nèi)部低很多。根據(jù)熱脹冷縮的原理，形成了大體積混凝土的內(nèi)部應(yīng)力；并且溫差越大應(yīng)力越大。當(dāng)應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度時，便產(chǎn)生了溫差裂縫。因此為了避免溫差裂縫的產(chǎn)生，必須采取切實可行的方案。

1 大橋主塔承臺工程概況

大橋主塔承臺為H型兩側(cè)分別為順橋向長18.5 m，橫橋向?qū)?3.4 m,高4.5 m中間設(shè)置截面為25 m×7 m×4.5 m系梁。混凝土方量約為3 020 m3，為了進一步提高混凝土抗裂、抗彎拉、耐久性等性能，設(shè)計文件中明確規(guī)定每立方米混凝土摻1 kg PVA。混凝土強度等級為C40。在橋梁工程的承臺施工中，該承臺已屬少見的大體積混凝土構(gòu)件。

2 大橋主塔承臺混凝土設(shè)計選材

由于承臺混凝土設(shè)計強度是C40混凝土，目前國標(biāo)中唯一低熱微膨脹32.5水泥無法滿足試配強度要求。因此選用運輸距離短，質(zhì)量穩(wěn)定，強度富余系數(shù)高的中材安徽水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰摻合料選用巢湖商貿(mào)公司供應(yīng)的具有降低水化熱、提高混凝土和易性、強度、改善水泥與外加劑之間的適應(yīng)、減少需水量等特點的優(yōu)質(zhì)Ⅰ級粉煤灰。細集料選用巢湖產(chǎn)的細度模數(shù)在2.9左右的2類河砂。粗集料選用巢湖產(chǎn)的粒徑良好，5 mm～10 mm,10 mm～37.5 mm 2類石灰?guī)r級配碎石。外加劑選用安徽省銀石建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的具有減水率高，坍損小、堿含量低并且與P.O42.5水泥適應(yīng)性強的XF-A聚羧酸減水劑。江西同晟實業(yè)有限公司生產(chǎn)的12 mm聚丙烯腈纖維(PVA)具有良好的分散性，能夠抑制水泥混凝土在固化前的塑性收縮裂縫。

3 大橋主塔承臺混凝土配合比設(shè)計與施工的兩種方案

一般橋梁承臺水泥混凝土標(biāo)號為C30，水泥用量在300 kg/m3～350 kg/m3就可以滿足物理力學(xué)性能要求。而此大橋主塔承臺混凝土強度為C40，并采用泵送施工。為此需提高膠凝材料用量增大水膠比才能滿足混凝土強度及泵送施工要求，但由此混凝土內(nèi)部水化熱溫度升高應(yīng)在50 ℃以上。通常情況下混凝土內(nèi)外溫差超過25 ℃時，便可產(chǎn)生溫差裂縫，為控制溫差裂縫我們經(jīng)試驗研究和工程實踐，提出如下兩種混凝土配合比設(shè)計和施工方案。

3.1 方案一

綜合考慮在滿足施工工藝要求及混凝土配合比設(shè)計強度富余系數(shù)的前期下C40混凝土配合比設(shè)計見表1。

表1 C40混凝土配合比設(shè)計

經(jīng)試配最終確定試驗室配合比為水泥：368 kg/m3,砂：705 kg/m3，碎石：1 102 kg/m3,水：170 kg/m3,粉煤灰：55 kg/m3,高性能減水劑：6.9 kg/m3，PVA纖維：1.0 kg/m3。

為了有效降低水泥混凝土水化熱，在承臺鋼筋間布設(shè)直徑60 mm上下兩層間距為1.5 m的循環(huán)冷卻水管。在施工過程中起泵進行冷卻水循環(huán)直至施工結(jié)束后水溫檢測符合要求后停泵。從以往大體積混凝土施工效果來看較為理想，但布設(shè)冷卻水管不僅給施工帶來麻煩，而且也增加了混凝土內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)護及以后管內(nèi)壓漿等額外的工作。同時增加了工程成本。

3.2 方案二

據(jù)有關(guān)資料及已建成類似較大體積混凝土工程的成功經(jīng)驗，在方案一的混凝土配合比中加入8%的微膨脹劑。其膨脹性能有補償混凝土收縮的作用，混凝土配合比設(shè)計見表2。

表2 C40混凝土配合比設(shè)計

經(jīng)試配最終確定試驗室配合比為水泥：368 kg/m3,砂：705 kg/m3，碎石：1 102 kg/m3,水：170 kg/m3,粉煤灰：55 kg/m3,高性能減水劑：6.9 kg/m3，微膨脹劑：33.8 kg/m3,PVA纖維：1.0 kg/m3。

由此配制微膨脹混凝土，拌水后形成大量的膨脹性結(jié)晶水化物——鈣礬石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)而產(chǎn)生適度膨脹。在約束條件下，其膨脹性能轉(zhuǎn)化為0.2 MPa～0.5 MPa的預(yù)應(yīng)力儲存于結(jié)構(gòu)中，此壓應(yīng)力可抵消混凝土干縮和冷縮引起的拉應(yīng)力，從而彌補了混凝土收縮開裂的缺陷。現(xiàn)將該方案的理論依據(jù)簡單列示如下：當(dāng)混凝土最終變形εσ-εL-εW

補償收縮時，混凝土限制膨脹率應(yīng)為:

εσ=εL+εW-εe。

混凝土的絕熱溫升為：Tmax=M×Qi/(c×ρ)。

水泥熟料礦物組成及單礦物水化熱見表3。

表3 P.S.A水泥熟料礦物組成及單礦物水化熱

28 d水化熱為：

Q28=377×0.5+105×0.2+

1 378×0.07+494×0.13=370 kJ/kg。

該承臺C40大體積混凝土若采用42.5的低熱微膨脹水泥配制，承臺的配筋率為2.1%，施工氣溫為20 ℃～30 ℃時：

混凝土絕熱溫升最高值：

Tmax=(368×70%×370)÷(2 400×0.92)=43.2 ℃。

承臺為上表面一維散熱，散熱系數(shù)取0.9。混凝土內(nèi)部溫升為：T1=0.9×43.2=38.9 ℃。

環(huán)境氣溫為20 ℃～30 ℃，取平均溫差T2=(30-20)÷2=5.0 ℃。

承臺混凝土的最大冷絕值(α取1.0×10-5)。

εL=α(T1+T2)=1.0×10-5×(38.9+5)=4.39×10-4。

計算承臺混凝土限制膨脹率εσ。

承臺混凝土的干縮率εW取1.0×10-4，配筋率取2.1%時，微膨脹混凝土的補償收縮的彈性伸長率為：0.33εσ。

εσ=4.39×10-4+1.0×10-4-0.33εσ=4.05×10-4。

考慮混凝土的極限拉伸Sk(1.5×10-4～2.0×10-4)，承臺微膨脹混凝土最終變形：

ε=4.05×10-4-5.4×10-4=-1.35×10-4。

因為1.35×10-4

該配合比設(shè)計方案所用材料均無需特殊制造，易于采購。同時根據(jù)理論及以往經(jīng)驗，效果較為理想，而且綜合成本低，所以這套方案是行之有效的。

4 大橋主塔承臺混凝土澆筑施工方案

承臺混凝土澆筑采用斜面分層澆筑法施工，全面分為兩層每層厚度2.5 m。斜面分層澆筑每層厚度400 mm±10 mm以不大于1∶6的斜面坡度向前推進，自然流淌循序推進的連續(xù)澆筑方式。在上層混凝土澆筑前，清除澆筑表面的浮漿、軟弱混凝土層及松動的石子，并均勻露出粗骨料應(yīng)用壓力水沖洗混凝土表面的污物，充分濕潤，但不得有水。

5 大橋主塔承臺混凝土實際施工方案的選定

為確保工程質(zhì)量萬無一失，大橋承臺混凝土施工采用了第一套方案。在混凝土澆筑前在承臺內(nèi)布設(shè)了溫度傳感器，待混凝土澆筑完畢后觀測承臺混凝土內(nèi)部的溫度變化情況，以便于采用有效的調(diào)節(jié)溫度措施，為確保混凝土內(nèi)外溫差小于25 ℃，承臺澆筑日期在2013年10月11日～11月12日，當(dāng)時室外溫度在20 ℃～30 ℃。混凝土澆筑48 h后混凝土溫度峰值為53 ℃。在承臺內(nèi)布設(shè)的上下兩層循環(huán)冷卻水管的循環(huán)水降溫作用下溫度下降了16 ℃。所以混凝土內(nèi)部溫度為37 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度下降在20 ℃時，混凝土內(nèi)外溫差為17 ℃,且小于25 ℃，所以混凝土沒有開裂的危險。

6 結(jié)語

大橋主塔承臺大體積混凝土施工取得了成功，混凝土無裂縫出現(xiàn)。盡管大橋主塔承臺大體積混凝土施工采用的是第一套方案，但第二套方案也有不少優(yōu)點，在前期混凝土配合比設(shè)計時就重點關(guān)注了混凝土由于水化反應(yīng)產(chǎn)生的溫差裂縫。混凝土配合比中摻了8%的微膨脹劑，其膨脹性能轉(zhuǎn)化為預(yù)應(yīng)力儲存于結(jié)構(gòu)中，此壓應(yīng)力可抵消混凝土干縮和冷縮引起的拉應(yīng)力，從而彌補了混凝土收縮開裂的缺陷，再加上合理的養(yǎng)護措施可以將溫度控制在一個合理的范圍內(nèi)，從而將避免混凝土開裂，保證工程質(zhì)量，希望在以后類似的工程中能得到應(yīng)用。