橋梁大體積混凝土中摻加粉煤灰的應用

任 海

（湖北省交通規劃設計院，湖北武漢 430051）

橋梁大體積混凝土中摻加粉煤灰的應用

任 海

（湖北省交通規劃設計院，湖北武漢 430051）

對橋梁設計與施工時大體積混凝土中粉煤灰的摻入條件、摻入量以及注意問題進行了理論分析，并結合MIDAS civil軟件進行了橋梁承臺水化熱的模擬計算。

粉煤灰；橋梁大體積混凝土；水化熱；MIDAS civil

1 粉煤灰在混凝土中應用問題分析

人們在粉煤灰混凝土使用中存在一個誤區：粉煤灰代替水泥使用會降低混凝土的強度。采用標準養護條件下28 d抗壓強度的評價方法得出的實驗結果也證明了這種看法。但在大體積混凝土中，水泥混凝土的水化熱較高，內部溫度遠高于標準養護溫度，采用實際溫度曲線控制養護環境溫度才可以正確反映大體積混凝土抗壓強度的實際情況。唐明教授等人根據實際溫度曲線對大體積粉煤灰混凝土做了強度實驗，結果表明從強度上來說，大體積混凝土完全可以摻入適量的粉煤灰取代水泥，甚至更有優勢。實驗條件為：混凝土的抗壓強度等級C30，采用低熱礦渣425＃硅酸鹽水泥，基準混凝土的配合比為水灰比0.39，砂率0.41，原始水泥用量400 kg，UEA摻量40 kg，取代水泥40 kg，；摻粉煤灰的混凝土粉煤灰摻量為60 kg，取代50 kg水泥，超量系數為1.2。由表1可知，大體積粉煤灰混凝土0～5 d初凝期內混凝土強度上升較慢，但到6 d混凝土實際強度已經高于基準混凝土標養下的強度21.8%。27 d的實際強度達到50.6 MPa，不僅比標養粉煤灰混凝土強度高15 MPa，比基準混凝土也要高5.5 MPa。

混凝土中摻入粉煤灰一方面可以減小水泥的用量，降低工程造價，同時另一方面還可以調節混凝土拌合物的和易性，增加可泵性。

摻入一定量的粉煤灰代替水泥可以有效減小大體積混凝土澆筑過程中產生的水化熱控制初期溫度裂縫的產生。

但粉煤灰混凝土的碳化性相比基準混凝土會大幅下降。這是因為高摻量粉煤灰混凝土的氫氧化鈣含量很少（粉煤灰中的活性成分與水泥熟化后產生的氫氧化鈣發生了化學反應，消耗了了大量的氫氧化鈣），大幅降低了混凝土的堿儲備，使堿濃度降低，碳化中和作用的過程縮短，最終導致混凝土碳化性能的降低。對于結構混凝土而言，當碳化發展到鋼筋表層時，鋼筋鈍化膜會受到破壞，最終導致鋼筋銹蝕，結構被破壞。現階段應對粉煤灰混凝土的碳化加速措施，普遍使用在設計上適當增加混凝土的保護層厚度；在施工上適當增加石灰摻量，以增加混凝土的堿儲備；在材料上采用磨細粉煤灰，利用其減水、活性、微基料效應的優勢增大膠空比等手段。采用這三方面措施可以提高粉煤灰混凝土的抗碳化能力。但即使這樣，大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能仍明顯低于普通混凝土。

所以，盡管摻入粉煤灰的混凝土在初期強度、極限拉伸值和抗碳化性能上要低于普通基準混凝土，但基于其它諸多優勢，橋梁工程中大體積混凝土基礎、承臺部分在滿足相關國家規范的前提下完全可以采用粉煤灰混凝土，不僅技術可行，經濟效益也很明顯。但基于目前粉煤灰混凝土還沒有更好的抗碳化性能改善手段，公路橋梁的橋墩、主梁這類大體積結構仍不宜采用粉煤灰混凝土。

2 摻入粉煤灰的承臺大體積混凝土水化熱計算分析

采用MIDAS civil2011空間有限元分析軟件對橋墩承臺做水化熱分析，從控制單位體積水泥含量這一因素出發分析粉煤灰部分替代水泥時，大體積混凝土承臺水化熱引起的溫度差及應力變化。

研究對象為湖北省十堰至房縣高速公路馬蹄山1號大橋的主墩承臺，主墩承臺尺寸：16.5（m）× 10.5（m）×4.5（m），地基墊層尺寸：26.5（m）× 20.5（m）×3（m），使用材料及其熱特征值見表2。

表2 使用材料及其熱特征值

因是對稱體系，故取實際橋墩承臺尺寸的1／4做有限元模型，地基模擬建成具有比熱和熱傳導率等特性的結構。有限元模型結構共有1 808個節點，1 332個單元。

水泥（含膠凝材料）的水化熱Q（t）是齡期t的函數，采用水泥水化熱的復合指數函數表示

式中：K為最大絕熱溫升；a為常量。

不同水泥用量及粉煤灰摻量根據實驗結果得到的擬合參數見表3。

表3 不同水泥、粉煤灰用量下水化熱函數參數表

使用MIDAS civil2011三維實體分析軟件的水化熱分析功能得到在3種不同的水泥、粉煤灰用量模式下承臺的溫度效應和應力效應，結果見圖1～圖6。

SY2：

圖1 溫度效應

圖2 應力效應

SY1：

圖3 溫度效應

圖4 應力效應

SY3：

圖5 溫度效應

圖6 應力效應

在SY1模式下，當水泥用量占比275 kg／m3，粉煤灰占比155 kg／m3，承臺內節點（N2100）與外節點（N1780）的最大溫差在340 h處為28℃，承臺內部最大應力出現在300 h處為1.55 MPa。在SY2模式下，當水泥用量占比300 kg／m3，粉煤灰用量占比114 kg／m3，承臺內節點（N2100）與外節點（N1780）的最大溫差增大，在340 h處的溫差為32℃，承臺內部最大應力出現在300 h處為1.7 MPa。在SY3模式下，當水泥用量占比325 kg／m3，粉煤灰用量占比76 kg／m3，承臺內節點（N2100）與外節點（N1780）的最大溫差進一步增大，在340 h處的溫差為35℃，承臺內部最大應力出現在300 h處為1.9 MPa。從計算結果可以發現：采用水泥用量減少，粉煤灰摻量增多的做法能明顯減小大體積混凝土的內部水化熱，降低內外溫差，最終減小混凝土內部應力；相反，當水泥用量增多，粉煤灰摻量減少則不利降低大體積混凝土的水化熱，需要采取其它有效措施降低混凝土結構的內外溫差，避免混凝土應力過大導致裂縫。

［1］ 許振民.粉煤灰特性及其對混凝土性能的影響［J］.中小企業管理與科技，2012，（5）.

［2］ 唐明，宋東升，李連君大體積粉煤灰混凝土實際強度的評價研究［J］.混凝土，2001，（12）.

U445

C

1008-3383（2017）01-0069-02

2016-08-15

任海（1974-），男，工程師，研究方向：公路、橋梁。