高速公路橋梁承臺大體積混凝土配合比設計與溫控防裂研究

畢進安

摘要 為進一步探究大體積混凝土施工質量的提升路徑，文章以某高速公路工程中的某橋梁承臺結構施工為研究案例，結合該工程對混凝土的實際要求，對該次需要的C40混凝土配合比進行優化，使其綜合性能處于較優水平；結合實際情況設置溫控措施，確保溫控防裂目標得以實現。最后對該次研究取得的效果進行分析，結果顯示，通過應用優化后的配合比和溫控防裂措施，混凝土裂縫問題得到有效解決。

關鍵詞 高速公路；橋梁承臺；大體積混凝土；防裂

中圖分類號 TU755文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）03-0045-03

0 引言

承臺是高速公路橋梁工程中的重要組成部分，如何保證其力學性能符合要求是施工領域重點關注的內容。考慮大體積混凝土因其自身理化性質而存在的特殊性，因此仍需要結合工程實際，對大體積混凝土的配合比重新進行優化設計，并進一步研究其溫控防裂措施，以確保承臺部分的工程質量。

1 工程概況

某高速公路橋梁工程全長為400 m，跨徑布置為4×30 m+5×30 m+4×30 m，橋面寬度約為16 m，設計最高通行時速為100 km/h。由于該橋梁工程所在區域地形相對較為復雜，因此為提升對該橋梁的支撐能力，針對橋梁主墩采用圓端矩形承臺設計模式，承臺則分為兩級布置，其中一級承臺平面外輪廓尺寸為67.5 m×35.75 m，厚度為7 m；二級承臺（塔座）地面平面尺寸設計為46 m×18 m，厚度則為2.5 m，擬采用大體積混凝土施工模式進行作業[1-2]。

2 混凝土配合比設計與優化

2.1 不同配合比的基本力學性能分析

結合該項目中的承臺部分設計手冊要求，確定該次使用的強度為C40的大體積混凝土需滿足以下幾方面的技術要求：①混凝土坍落度在160～200 mm，擴展度為420～480 mm，且不應出現泌水和離析等問題；②混凝土28 d抗壓強度不可低于48.2 MPa；③混凝土最終絕熱溫升值需控制在45 ℃以下；④混凝土28 d碳化深度需控制在5 mm以下。

基于上述技術要求，參考已有經驗及相關文獻資料后，對混凝土進行配合比優化設計實驗。該環節共設計4個實驗組合，分別標記為A0、A1、A2和A3，其中各個實驗組合的砂、碎石用量保持不變，水膠比均控制為0.35，由此對其他指標進行調整，得到四種實驗組合下的配合比如表1所示。

基于上述幾個實驗組合進行少量混凝土的配制，而后對不同實驗組合下的混凝土基本性能進行分析，得到的分析結果分別如圖1和圖2所示。

根據圖1和圖2可知，在上述四個實驗組合中，所制備的混凝土在基本力學性能上均符合技術要求。

2.2 不同膠凝材料體系下的水化熱分析

為分析混凝土制備中采用不同膠凝材料體系對于混凝土水化熱的影響，在該環節中，在確定采用P0425水泥的前提下，對膠凝材料體系進行調整，分別設定如下三個體系：一是采用100%水泥，不添加其他材料，該體系標記為S1；二是將水泥比例調整為55%，其余材料為27%粉煤灰和18%礦渣粉，記作S2；三是控制水泥比例55%不變，其余材料為27%粉煤灰和18%礦渣粉，并另加1%的緩凝型聚羧酸減水劑，該體系記作S3。由此，使用C80微量熱儀對水化熱進行測定，并對三個膠凝材料體系下的水化熱變化情況進行匯總分析，得到結果如表2所示。

根據表2中的數據變化趨勢可知，在上述三個體系中，S2和S3的水化熱顯著低于S1，同時在S2和S3中，最大水化放熱速率出現時間存在一定的差異，當添加1%的緩凝型聚羧酸減水劑后，S3體系下的水化熱在48 h內均未見顯著增長，證明應用緩凝型聚羧酸減水劑對于控制水化熱較有作用。同時，由于S2和S3兩個實驗組在7 d后的水化熱放熱量基本相同，因此可以認為，引入緩凝型聚羧酸減水劑并不會因為緩凝時間長而影響水泥的力學性能[3-4]。

2.3 絕熱溫升實驗分析

在確定章節2.1中的四個實驗組合在基本力學性能上均滿足需求后，對其做進一步分析，結果顯示，由于A3實驗組在初凝時間方面偏長，達到2 000 min以上，顯著高于其他組，在實際應用中較受限制，因此在該環節的絕熱溫升實驗分析中，僅分析A0、A1和A2三個實驗組。使用測試設備對三個實驗組制備的混凝土試樣進行7 d絕熱溫升測定后發現，在該次分析的三個實驗組合中，絕熱溫升與時間的函數關系基本趨同，未見顯著差異，在7 d的分析時間內，A0組絕熱溫升為44.95 ℃，A1組為43 ℃，A2組為41.6 ℃。從變化趨勢來看，各組的絕熱溫升變化均可用以下特征予以描述：絕熱溫升這項指標經歷了“相對穩定—快速上升—相對穩定”的變化過程，相對而言，混凝土絕熱溫升的快速上升期是溫控工作應當重點關注的時間段。

2.4 耐久性實驗分析

通過前期分析論證可知，該施工區域客觀環境對于鋼筋混凝土結構存在一定的銹蝕作用，主要表現為水滲透和碳化而引起混凝土結構的破壞。對此，研究人員在耐久性實驗分析中，重點對不同實驗組的混凝土電通量與碳化深度進行分析，得到測試結果如表3所示。

根據表3中數據對比分析可知，隨著養護齡期的增加，各組混凝土樣品在電通量上均逐步降低，且在56 d后的電通量已處于較低水平，符合設計要求。相對而言，上述三個實驗組在電通量方面存在一定差異，從A0到A2，其電通量緩慢減小，由此可知，當水膠比固定不變時，適當降低膠材用量對于提升混凝土內部的致密性作用更明顯。另外，從碳化深度這項指標來看，上述三個實驗組的碳化深度均在5 mm的臨界值以下，均符合實際要求，但相對而言，A2組的碳化深度最低，在耐久性方面也更具優勢。

2.5 摻雜輔助材料的影響分析

在確定上述A2實驗組合中的配合比作為該次承臺C40混凝土的配合比后，其基本力學性能已經滿足實際需要。但由于大體積混凝土在理化性質上的特殊性，加之該次承臺施工作業的混凝土澆筑為分層澆筑，因此仍可能存在因混凝土表面浮漿過厚而引起后期收縮不一致的情況，一旦這種情況發生，則混凝土開裂問題仍然難以避免。對此，參考相關文獻資料后，研究人員決定在A2配合比的基礎上，按照0.9 kg/m3的比例添加聚丙烯纖維材料進行優化，由此得到實驗組A4，并對兩個組別的主要指標進行重復測試。結果顯示，在摻入聚丙烯纖維材料后，基本力學指標未見顯著差異，電通量和碳化深度值進一步降低，同時抗拉強度顯著提升，這表明摻入聚丙烯纖維有助于提升混凝土抗裂性能，降低出現開裂的概率。

3 混凝土溫控措施設計

3.1 理論模擬

為避免大體積混凝土因自身傳熱等因素影響而出現裂縫，研究人員在確定混凝土配合比后，進一步研究混凝土溫控措施。結合混凝土配合比，查閱相關設計手冊后確定該C40混凝土比熱為0.990 26 kJ/（kg·℃），導熱系數為9.23 kJ/（mh·℃），密度為2 443.3 kg/m?。由此，根據混凝土熱源函數對絕熱溫升θ值進行求解，其公式如下：

式中，W——水泥用量（kg）；C——混凝土比熱；ρ——混凝土密度；F——混合料用量（kg）；Q（t）——水泥水化熱；k——折減系數，該次取值為0.25。代入上述已知數據后，即可求得該次應用的C40混凝土的絕熱溫升為49.851 6 ℃。

3.2 溫控措施設計

在確定需對混凝土內外溫差進行控制后，進一步查閱相關文獻資料，最終確定采用布置冷卻水管的方式進行溫控。結合該承臺設計尺寸，確定冷卻水管采用直徑50 mm，壁厚2.5 mm的鋼管，按照蛇形布置，各層冷卻水管水平間距控制為1 m，豎向間距控制為1 m（布置1～4層時）和1.4 m（布置4層以上）。

為防止過多的浮漿在模板周邊聚集，在混凝土澆筑時采取了從四周向中心布料的方式。在整個布料過程中，始終保持承臺周邊混凝土的高度稍高。為了確保混凝土均勻分布，特別加強了邊角處的振搗工作。這樣做的目的是防止膠凝材料漿體在流動過程中發生過長距離的流動并堆積在承臺四周，從而產生較大的溫度應力和收縮應力，通過這種方式能夠降低混凝土側面和邊角發生開裂的風險。同時在分層澆筑過程中，將單層澆筑的厚度均控制在40 cm左右，控制澆筑厚度盡量縮短層間間隔時間，避免出現收縮裂縫。另外在澆筑過程中，為確保混凝土澆筑的均勻性，施工部門在澆筑過程中使用直徑為φ40 mm規格的振動棒進行振搗。振搗器插入混凝土材料的間距控制為20 cm，每次振搗時間則控制為30 s[5]。

3.3 溫控效果分析

在該次混凝土施工環節完成后，為檢驗溫控效果的有效性，使用紅外測溫裝置對兩層承臺混凝土分別進行測溫，得到測溫結果如表4所示。

根據表4中的測溫結果變化情況可知，在兩層承臺混凝土澆筑完成后，其均在第50～100 h時間段內出現混凝土溫度的峰值，但相對而言，內表溫差均處于較低水平，維持在10 ℃左右的范圍內，有助于規避裂縫的產生。

4 應用效果測試

在該次施工作業全部完成后，為檢驗混凝土配合比研究及溫控技術措施的效果，研究人員對大體積混凝土裂縫問題進行監測，以分析技術應用效果。通過對裂縫進行監測，得到裂縫監測結果如圖3所示。

根據圖3中的裂縫監測結果知，在監測周期內，該大體積混凝土裂縫問題得到了有效控制，裂縫最大值也被抑制在0.2 mm以下，處于允許范圍之內，這也證明了該次混凝土配合比合乎要求，溫控技術措施基本取得預期效果。

5 結束語

從實際測試結果來看，通過應用上述兩方面的措施，該大體積混凝土未出現顯著的裂縫問題，裂縫最大值處于允許范圍內，表明該次針對混凝土配合比優化和混凝土溫控防裂兩方面的研究取得一定進展，相關經驗可予以總結，并在后續的類似工程項目中做進一步的推廣與應用。

參考文獻

[1]楊志學， 張林艷， 王立偉. 大體積混凝土溫度智能控制技術及防護措施研究[J]. 技術與市場， 2023（9）： 100-103.

[2]劉華東. 高寒地區轉體斜拉橋承臺大體積混凝土溫控研究[J]. 黑龍江交通科技， 2023（9）： 126-128.

[3]周雨. 中山大橋承臺大體積混凝土控裂技術研究[J]. 現代交通技術， 2023（4）： 68-73.

[4]白小偉. 大體積混凝土承臺溫控仿真及智能控制技術探討[J]. 交通世界， 2023（24）： 118-120.

[5]何江偉. 百合郁江特大橋承臺大體積混凝土溫度裂縫研究[J]. 鐵道運營技術， 2023（3）： 38-41.