賈蓉蓉

（山西省交通科技研發(fā)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(tái)外輪廓為67 m×35 m，高7 m，混凝土采用C40 混凝土，澆筑時(shí)混凝土方量非常大，該設(shè)計(jì)采用兩次澆筑方式，每層3.5 m。施工時(shí)，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(fā)快，有可能導(dǎo)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(huì)出現(xiàn)中部應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂；更重要的是該工程混凝土體積大，混凝土內(nèi)部水化熱量如不及時(shí)排除，很容易因內(nèi)外溫差過大導(dǎo)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(yōu)選、礦物摻和料的摻入、配合比優(yōu)化方面作調(diào)整，另外充分利用實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(tái)混凝土進(jìn)行防裂控制。

本項(xiàng)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(shí)現(xiàn)水泥用量、用水量的降低使混凝土強(qiáng)度、密實(shí)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(shí)實(shí)驗(yàn)室凝結(jié)時(shí)間控制在36～40 h。另外在承臺(tái)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(yàn)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）；粒化高爐礦渣粉（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(xì)度模數(shù)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(tái)大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)及性能

2.1 大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)

項(xiàng)目對選用的配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在A0的基礎(chǔ)上，通過降低膠材總量，優(yōu)化出A1、A2、A3 三個(gè)配合比，優(yōu)化配合比見表1，性能指標(biāo)見表2。

表1 優(yōu)化配合比

表2 C40 混凝土性能指標(biāo)

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(xiàn)象，但隨著水泥用量減少，初凝時(shí)間呈逐步增加的趨勢，均沒有超出初凝時(shí)間30～40 h 的范圍要求。28 d 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均大于48.2 MPa，符合C40 承臺(tái)混凝土技術(shù)要求。

2.2 大體積混凝土耐久性

考慮主墩承臺(tái)混凝土遭受雨水滲透及碳化作用而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)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(guān)系，試驗(yàn)及回歸結(jié)果見表3。

表3 主墩C40 承臺(tái)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(shè)計(jì)1 000 C 的技術(shù)要求，28 d 碳化深度均小于5 mm，符合耐久性技術(shù)要求。從回歸方程系數(shù)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(shù)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?yàn)樗z比一定時(shí)，增加礦渣粉可有效填充水泥、粉煤灰反應(yīng)生成的空隙，進(jìn)一步提高混凝土結(jié)構(gòu)的密實(shí)程度，最終表現(xiàn)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(yīng)過程中釋放熱量的大小、溫峰的高度、溫峰持續(xù)的時(shí)長，對大體積混凝土的溫度應(yīng)力大小及溫度誘導(dǎo)裂縫的產(chǎn)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(yīng)的影響。

表4 不同膠材體系水化放熱特征參數(shù)

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(shí)段的水化放熱量均有減小，最大放熱速率出現(xiàn)時(shí)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(fā)向后推移且實(shí)現(xiàn)緩慢爆發(fā)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(chǔ)上，添加緩凝型聚羧酸鹽減水劑后，可以發(fā)現(xiàn)：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(xiàn)時(shí)間延長了354.7%；不同水化時(shí)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(shí)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(xiàng)目對表1 中A0、A1 和A2 三個(gè)配合比進(jìn)行絕熱溫升研究，為大體積混凝土啟動(dòng)降溫措施的時(shí)機(jī)提供數(shù)據(jù)支撐。試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 主墩C40承臺(tái)混凝土7 d 絕熱溫升曲線

從圖1 可知，A0、A1 和 A2 三個(gè)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(yīng)期，到36 h 時(shí)，3 個(gè)配合比絕熱溫升值約為4.67 ℃；36～108 h 時(shí)段，屬于快速水化期，絕熱溫升值上升速度最快，到100 h 時(shí)3 個(gè)配合比絕熱溫升值才相繼出現(xiàn)偏差，最終表現(xiàn)為A2 絕熱溫升值漲幅最小，A0 漲幅最大。108 h 以后，3 個(gè)配合比的絕熱溫升速度基本保持一致，進(jìn)入穩(wěn)定期。相對來說，A2 配合比在整個(gè)絕熱溫升過程中，總體產(chǎn)生的熱量最小。

考慮降溫措施時(shí)間選擇時(shí)，36～108 h 時(shí)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(shí)間的延長繼續(xù)升高，所以36～108 h 是水泥混凝土成型后溫度控制的關(guān)鍵時(shí)段，可通過對大體積混凝土表面保溫，內(nèi)部冷卻水管鋪設(shè)降溫（加大水流量、降低入口水溫）的措施保證內(nèi)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(tái)混凝土的坍落度、抗壓強(qiáng)度、耐久性、絕熱溫升及膠凝材料水化熱，該項(xiàng)目采用A2 作為最終配合比，同時(shí)在施工各層頂層時(shí)，為降低混凝土表面溫度干縮引起的表面開裂，在A2的基礎(chǔ)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(nèi)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(tái)C40 混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比優(yōu)化結(jié)果

表6 聚丙烯纖維混凝土工作性與力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

表7 聚丙烯纖維混凝土耐久性能試驗(yàn)結(jié)果

從表6 可知，與A2 相比，AX 的坍落度有所降低，主要原因?yàn)槔w維在混凝土中有加筋、相護(hù)搭接的作用，提高了混凝土的黏聚性能。從抗壓強(qiáng)度及靜力抗壓彈性模量來看，添加后的強(qiáng)度和彈性模量略有減少，但減少量不大，抗壓強(qiáng)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(shè)計(jì)要求，但從混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度來講，聚丙烯纖維混凝土比未添加的劈裂抗拉強(qiáng)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(fā)揮明顯的優(yōu)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?yàn)樘砑永w維后可進(jìn)一步提升混凝土的密實(shí)程度，進(jìn)而提升了混凝土的耐久性能。

3 承臺(tái)大體積混凝土溫度控制技術(shù)

3.1 溫控標(biāo)準(zhǔn)

依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，大體積混凝土仿真計(jì)算用溫度控制標(biāo)準(zhǔn)見表8[6-8]。

表8 大體積混凝土仿真計(jì)算用溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

3.2 溫控措施

a）現(xiàn)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(shè)，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(fù)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(yǎng)護(hù)，蓄水高度不小于20 cm。

3.3 溫控監(jiān)測

在承臺(tái)混凝土的底面以上中央0.3 m 高度處、2.5 m 高度處設(shè)置測溫傳感器，測試結(jié)果見圖2。

圖2 承臺(tái)混凝土測點(diǎn)溫度監(jiān)控值

根據(jù)圖2 可知，該混凝土內(nèi)部最高溫度為57 ℃，最大內(nèi)表溫差18 ℃，符合表8 的技術(shù)要求，溫峰后降溫速率通過調(diào)整降溫管道中通熱蒸汽及關(guān)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(yǎng)生脫模后，未見有裂縫出現(xiàn)。

4 結(jié)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(yōu)化了大體積混凝土配合比；另一方面根據(jù)實(shí)時(shí)混凝土水化溫升曲線，對其分階段的溫度進(jìn)行控制，確保每個(gè)技術(shù)措施實(shí)時(shí)有效。監(jiān)測結(jié)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(jīng)驗(yàn)。

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(yōu)化配制全程低水化熱、低溫峰、溫峰持續(xù)時(shí)長后延的高耐久性大體積混凝土，可保證承臺(tái)混凝土不受溫縮應(yīng)力的影響而產(chǎn)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(fā)生塑性與干燥收縮開裂的特性。

c）采用大體積混凝土現(xiàn)場試驗(yàn)，驗(yàn)證了大體積混凝土仿真計(jì)算用溫度控制標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證結(jié)果顯示，以上控制標(biāo)準(zhǔn)可行、有效。