濟南黃河特大橋高性能混凝土配比設計及施工控制

■ 朱鵬 暢亞文 劉亞濤

1 概述

濟南黃河特大橋是京滬高速鐵路的重點控制性工程，主橋長5 143 m，采用5跨連續鋼桁柔性拱（112+168+168+168+112）m，主墩6個，承臺最大尺寸為42.5 m×23.3 m×6 m，承臺混凝土為5 942 m3。墩身和承臺混凝土設計強度等級為C45，混凝土所處環境作用為碳化等級T3、抗凍等級D3、抗化學侵蝕H1，長期耐久性使用年限為100年。

混凝土的水泥水化產生熱量多，混凝土又是熱的不良導體，導致混凝土內部熱量積聚產生較高溫度。當混凝土內部溫度升高時，混凝土的體積產生膨脹，處于強度增長階段。混凝土內部體積膨脹產生的拉應力大于混凝土抗拉強度時出現裂紋。在混凝土構件中，我國目前的規范、標準允許出現裂縫，但有一個最大允許值。當混凝土構件處于潮濕環境或水中，通過裂紋引起混凝土中鋼筋銹蝕，影響混凝土的耐久性。濟南黃河特大橋承臺和墩身混凝土設計強度等級高、體積大，還要滿足高性能混凝土的抗裂、抗凍、抗氯離子滲透和抗侵蝕耐久性指標，對混凝土配比設計和混凝土實體施工提出了嚴格要求。

2 混凝土原材料

（1）水泥。大體積混凝土構件芯部產生大量熱量，主要原因是水泥水化過程中產生大量水化熱。水泥的比表面積、C3A含量、堿含量、三氧化硫含量、氧化鈣、游離氧化鈣含量、氧化鎂含量在一定程度上影響大體積混凝土的質量和穩定性。選定使用低堿普通硅酸鹽P·O42.5水泥。

（2）粉煤灰。選擇燒失量和需水量低的Ⅰ級粉煤灰。

（3）礦渣粉。選擇磨細礦渣粉。

（4）減水劑。選擇緩凝型高效減水劑。

（5）細骨料。選擇級配合理、質地均勻堅固、吸水率低、空隙率小的潔凈天然中級河砂。

（6）粗骨料。選擇顆粒級配連續合理、粒形良好、質地均勻堅固、線膨脹系數小，5～25 mm碎石。

3 混凝土配比選定

濟南黃河特大橋對混凝土耐久性有較高要求。結合設計對高性能混凝土強度、環境作用等級、長期耐久性要求及混凝土配比，從3個方面進行調整、優化，以提高混凝土耐久性、解決混凝土泌水問題和降低混凝土絕熱溫升值。

3.1 減少水泥用量，采用較低水膠比

為降低混凝土中產生水化熱，降低水化熱主要取決于水泥用量，混凝土采用較低水膠比。水膠比是混凝土中水與膠凝材料的比值，減小混凝土水膠比，不但可以提高混凝土的抗壓強度，而且還可以提高高性能混凝土的耐久性，降低混凝土電通量值。混凝土電通量是在直流恒定電壓作用下，測定混凝土通過的電量值，反映混凝土氯離子滲透性能和抗化學侵蝕能力，間接評價混凝土的密實性。經試驗確定，將混凝土水泥用量由原來的443 kg/m3降低到220 kg/m3，水膠比降低為0.38。

3.2 采用“雙摻”法適量摻加礦物摻合料

在混凝土中適量摻加礦物摻合料，不僅節約成本，還可改善混凝土的拌和物性能。從圖1粉煤灰與礦渣粉總摻量對混凝土坍落度的影響可以看出，隨著粉煤灰和礦渣粉總摻量的增加，混凝土初始坍落度呈增長趨勢，30 min坍落度損失值也逐漸減小。摻加粉煤灰提高混凝土的流動性是因為粉煤灰的微珠效應，在新拌混凝土漿體中起到潤滑作用，使混凝土的流動性得到很大改善。粉煤灰和礦渣粉的摻加延長了混凝土的凝結時間，使混凝土坍落度損失減少。摻加適量的磨細礦渣粉，因其顆粒很細、比表面積大，吸附水分，起到保水作用，減緩水分的蒸發速率。混凝土中適量摻加粉煤灰和礦渣粉使混凝土的流動性、保水性和泌水性得到很大改善。當總摻量大于50%時，流動性呈下降趨勢。因此，在高性能混凝土中摻加20%的粉煤灰和30%的礦渣粉。

粉煤灰、礦渣粉均為活性礦物摻和料，其填充效應、微集料效應，以及在堿性激發劑作用下的火山灰效應，可增加混凝土的密實性，提高其后期的強度和長期耐久性。粉煤灰的活性較低，活性物質含量較少，火山灰效應較遲緩，摻粉煤灰的混凝土強度發展較慢，早期強度較低。礦渣粉具有比粉煤灰更大的化學內能和化學活性，摻加礦渣粉的混凝土后期強度高于摻加粉煤灰的混凝土。粉煤灰、礦渣粉復合使用，可發揮其強度互補效應。混凝土硬化早期發揮礦渣粉活性高、火山灰效應較快，后期發揮粉煤灰的緩慢火山灰效應，改善漿體和集料的界面結構，使混凝土結構密實，強度和抗裂性、抗氯離子滲透性能得到持續提高，延遲混凝土溫升高峰出現時間。

3.3 使用緩凝型高效減水劑

從混凝土中的熱量產生和溫升機理可知，混凝土芯部溫度急劇上升，主要因為大量的膠凝材料同時發生水化反應，使混凝土內部熱量沒有散失和緩解時間。通過在混凝土中摻加減水率高、水泥適應性強的緩凝型高效減水劑，降低混凝土的水膠比，減少混凝土中水泥用量，延長混凝土凝結時間，既滿足大方量混凝土在長時間澆筑中拌和物性能始終滿足施工工藝的要求，也有效延緩了混凝土中水化反應溫度峰值出現的時間。

經過配比試配試驗，得到承臺高性能混凝土每立方米材料用量配比（見表1），混凝土性能試驗結果見表2。

對調整、優化配比后的混凝土進行絕熱溫升計算：

式中：W0——每立方米混凝土中的水泥用量，kg/m3；

Q0——每公斤水泥的累積最終熱量，kJ/kg；

C——混凝土的比熱容，取0.97，kJ/（kg·℃）；

ρ——混凝土質量密度，kg/m3；

K——不同摻量摻合料水化熱調整系數。

從混凝土性能指標試驗和絕熱溫升計算結果可知：通過調整、優化配比，混凝土絕熱溫升值得到明顯降低，混凝土拌和物性能良好。大量摻加粉煤灰和磨細礦渣粉后，在混凝土澆筑中最難克服的混凝土泌水問題得到有效解決。拌制的混凝土拌和物性能、物理力學性能和耐久性能能夠滿足高性能混凝土的要求。

表1 每立方米材料用量配比 kg

表2 混凝土性能試驗結果

4 高性能混凝土施工、養護溫控措施

（1）混凝土攪拌和運輸。濟南黃河特大橋承臺混凝土施工是在氣溫較高的8月份，對混凝土原材料采取適當遮陽和降溫措施。骨料倉搭建彩鋼蓬，拌和站設置2個以上的水泥儲料灌。水泥儲料罐循環使用，水泥進場后在罐內靜置一段時間，待水泥溫度降低到40 ℃以下再使用。拌和水采用溫度較低的地下水，同時采用制冷系統降低拌和水溫度。混凝土施工盡可能避開中午，選擇氣溫較低的傍晚或晚上施工。混凝土運輸中，混凝土罐車用帆布包裹并進行灑水降溫。采取以上措施解決原材料和施工環境造成混凝土拌和物溫度升高問題，將混凝土拌和物入模溫度控制在30 ℃以下。

（2）澆筑混凝土和降溫、養護措施。承臺混凝土采用分層澆筑和插入式振搗器振搗的方法。在前層混凝土初凝前或能重塑前完成次層混凝土的澆筑作業，分層厚度控制在30～40 cm，以利于早期混凝土水化熱的散發，降低混凝土內外溫差。承臺混凝土內部理論溫度高、散熱慢，除采取上述措施外，采取了“內散外蓄”的降溫養護。在承臺混凝土內布設冷卻管進行降溫，采用耐腐蝕的鍍鋅鋼管，布設3層直徑50 mm冷卻管，豎向層距1 m，水平間距1.5 m，水平方向蛇形結構布置。進出水管間用塑料管連接，冷卻管的每個出水口設置閥門控制流量。當混凝土澆筑至該層冷卻管標高時，立即通水散熱，單根冷卻管流量按不小于1.5 m3/h控制，通水時間不少于7 d，直至混凝土內外溫差小于20 ℃。同時在承臺混凝土外表面采取保溫措施，四周及表面覆蓋帆布，用冷卻管流出的水進行養護，澆水保持混凝土表面濕潤。

（3）混凝土芯部的溫度監測。為測定混凝土結構內部溫度，在承臺混凝土的特征位置布置溫度監測點，采用JMT-36C溫度探頭，分辨率為0.1 ℃；采用萬用表測量電阻，并轉換為溫度。根據觀測結果確定冷卻水管通水量、通水時間和蓄熱養護時間，以降低混凝土內外溫差，將其控制在20 ℃以內。測定混凝土溫升峰值及其達到所需時間，定期記錄冷卻管進出水溫度，繪制混凝土內部溫度變化曲線（見圖2）。

根據圖2可知，采用優化、調整后的混凝土配比和“內散外蓄“的養護方法，在混凝土澆筑結束后，其芯部溫度在入模溫度基礎上的溫升值不超過50 ℃，符合混凝土施工規程要求。經過對承臺混凝土表面檢測，沒有發現任何裂紋。

5 結論

（1）選用水泥用量低、低水膠比，并摻加適量粉煤灰和礦渣粉，使用緩凝性高效減水劑，可降低混凝土的水化熱，滿足其強度要求。

（2）在高性能混凝土中摻加粉煤灰和礦渣粉，可降低混凝土的水化熱，提高混凝土和易性，解決混凝土泌水問題，提高其耐久性和抗裂性，降低混凝土的電通量。

（3）在混凝土拌和站對原材料適當降溫，控制混凝土的入模溫度，采用分層澆筑。通過溫度監控，采取有效的“內散外蓄”控溫、養護措施，混凝土芯部溫度和裂紋得到控制。

[1]科技基［2005］101號 客運專線高性能混凝土暫行技術條件[S]

[2]GB 50496—2009 大體積混凝土施工規范[S]