摻合料在大體積混凝土中應用淺析

■李麗琴

（福建新路達交通建設監理有限公司，南平 353000）

1 引言

大體積混凝土在道路工程建設中，常見用于橋梁工程承臺部位中，隨著交通事業的日益發展，機械化程度不斷提升，施工技術趨于完善，大體積混凝土的施工控制已不再是難題，施工質量水平卓越提升，但裂縫病害仍普遍存在。多年來，針對大體積混凝土的研究方向主要有：（1）大體積混凝土施工技術和參數方面[2-3]，（2）大體積混凝土配合比設計及應用方面[4]，（3）大體積混凝土材料應用[5]，針對大體積混凝土的收縮、絕熱溫升指標研究較少提及。然而收縮和溫升又是造成混凝土開裂的主要因素，因此有必要作為配合比設計結果的控制指標。

2 大體積混凝土裂縫產生原因分析

由于大體積混凝土體量大，水泥的水化效應產生溫度變化以及自身體積變化，造成裂縫，因此溫度應力和收縮是施工階段產生裂縫的主要原因[1]：

（1）水泥水化：混凝土在澆筑初期升溫階段，水泥產生大量水化熱，隨著齡期的延長而增長，最高溫度一般產生在混凝土澆筑后3～4d。由于混凝土內部散熱系數小，導致內部溫度急劇上升，形成了內外溫度梯度，導致內約束，內部產生壓力，面層產生拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉應力時，混凝土產生裂縫。

（2）混凝土的收縮：混凝土的收縮是在空氣中凝結時體積減小的現象，在凝結初期主要是水泥在凝固結硬過程中的體積變化引起的自收縮，后期主要是混凝土內部自由水分蒸發而引起的干縮變形。收縮裂縫是由于混凝土水灰比較大，外界環境溫度較高，混凝土表面水份蒸發得不到充分補充，在受到外力的情況下產生裂縫，內部水份蒸發加快，裂縫擴展加速。

3 常見的裂縫控制措施

3.1 配合比設計控制措施

在配合比設計過程中，通過添加摻合料、緩凝型外加劑，降低水泥用量、提高混凝土密實性、改善混凝土工作性能以及延緩凝結時間，一定程度上降低水化效應，減小水化熱，同時也降低了混凝土開裂可能性。

3.2 施工工藝控制措施

根據原材料、配合比、環境條件、施工方案和施工工藝等因素，對大體積混凝土進行溫控和監測。施工過程中，控制入模坍落度，采用整體式水平分層連續澆筑。控制溫差梯度是關鍵，依據施工技術方案降低混凝土入模溫度，按照“內降外保”的原則，在混凝土澆筑層中采取設置冷卻水管通循環水冷卻，對外部采取覆蓋蓄熱或蓄水保溫等措施進行。澆筑后對混凝土立即采取有效保溫措施并按規定進行覆蓋養護，降低混凝土內外溫差，防止表面裂縫產生。

4 配合比設計及性能指標分析

本文結合南平某高速公路傍溪大橋承臺配合比設計進行分析，該橋起點樁號K19+704，終點樁號K20+266，橋梁全長562m，分左右兩幅橋。5#、6#墩采用矩形整體式承臺，長 12.5m，寬12.45m，承臺厚 4m，混凝土設計強度等級為C30。從摻合料對混凝收縮、溫升指標方面進行優化，闡述了大體積混凝土原材料的選擇和配合比設計原則，并通過室內試驗，對在不同摻量摻合料下，混凝土的強度、收縮和絕熱溫升變化情況進行對比分析，得出合理的摻合料摻量，供今后類似工程配合比設計參考。

4.1 配合比設計原則

大體積混凝土配合比的設計除應符合設計強度等級、耐久性、抗滲性、體積穩定性等要求外，尚應符合大體積混凝土施工工藝特性的要求，并應滿足合理使用材料、降低混凝土絕熱溫升值的原則，主要有[6]：

（1）水泥：宜選用低水化熱和凝結時間長的水泥品種。

（2）集料：粗集料宜選用連續級配，細集料宜采用中砂，控制含泥量，砂率宜為38%～42%。

（3）外加劑：宜選用有緩凝功能的減水劑，拌合物泌水量宜小于10L/m3。

（4）摻合料：粉煤灰、礦渣粉等，采用單摻、雙摻以及多摻等方式。摻合料的總量不宜大于混凝土中膠凝材料用量的 50%[6]。

表1 水泥檢測結果

配合比設計時，在保證混凝土強度、和易性等工作性能的前提下，采取改善集料級配，提高粗集料、摻合料用量，降低水膠比等措施，實現降低水泥的用量目標，且水膠比不宜大于0.55，所配制的混凝土拌合物的入模坍落度不宜低于160mm，拌和用水量不宜大于175kg/m3。

4.2 原材料試驗結果及配合比情況

本文研究對象為選定配合比中，在不同摻量摻合料下，混凝土的強度、收縮和溫升指標變化情況，成型試件所使用的原材料和配合比情況詳見表1～表6。

表2 粉煤灰檢測結果

表3 粗集料檢測結果

表4 細集料檢測結果

表5 外加劑檢測結果

表6 C30混凝土配合比

4.3 強度、收縮和絕熱溫升指標變化情況

（1）強度

從圖1可見，不同粉煤類摻量的混凝土早期強度增幅差異較大，摻量小的混凝土比大摻量混凝土早期強度增長快，隨著齡期的延長，這種差異逐漸變小，60d后強度增長差異不顯著，且表現出混凝土強度隨著摻量的增加而有所提高。這是因為穩定而惰性的粉煤灰對水泥具有稀釋效應，減緩了水泥水化結晶過程，造成摻量越大，強度增長愈緩；水泥與水產生水化反應，生成氫氧化鈣，粉煤灰再與氫氧化鈣發生二次反應，生成以水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣為主的產物，但這個是較為緩慢的反應過程，前期粉煤灰只起到填充及改善拌合物性能的作用，提高混凝土的致密性，隨著齡期的增長，后期粉煤灰表面產生大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的纖維晶體，具有較強的粘結力，有效地改善混凝土的性能，提高了力學強度，因此粉煤灰摻量大的混凝土后期強度較高。

圖1 混凝土強度

（2）收縮

混凝土干縮變形是因存在毛細孔中的游離水蒸發而使孔中水面下降，曲率增大，孔內負壓而引起的體積收縮。由于粉煤灰的微集料效應和火山灰反應生成大量CS-H凝膠，填充了混凝土中毛細孔，提高混凝土的致密性，一定程度上減小和補償了因孔隙失水而產生的干縮。從圖2可以看出三種摻量混凝土均在7～14d收縮值顯著增加，90d后逐漸緩慢。粉煤灰摻量為40%的混凝土14d后較另兩個摻量的體積收縮小。相對而言選用粉煤灰摻量大混凝土能夠明顯減小干縮。

圖2 混凝土干縮

（3）絕熱溫升

混凝土絕熱溫升主要是由水泥的水化熱效應產生的，由水泥用量等因素決定，溫升速度能夠反映出混凝土中所用膠凝材料的水化程度。通過控制和降低絕熱溫升，使其內部最高溫度不大于75℃、并使混凝土內外溫差控制在25℃以內，能夠大大減小大體積混凝土內脹外縮的應力，減小和避免混凝土開裂的可能性。從圖3可見當粉煤灰摻量越高，溫升水平越低，這是因為粉煤類摻量加大時水泥與水的比例減小，改善了膠凝材料的水化環境，促進提高水化程度，減少放熱量，因此摻量高的混凝土溫升水平低于摻量較低的混凝土。

通過室內試驗室分析摻合料對大體積混凝土的強度、收縮、溫升的影響，可以得到以下結論：

（1）通過提高摻合料摻量，能夠有效減小和避免大體積混凝土開裂的可能性，尤其摻量達到40%時效果顯著，但應結合工程實際情況和相關標準規定，通過試驗確定摻量上限。

（2）摻加摻合料的混凝土在質量評定時，如工期允許情況下，采取60d或90d強度結果進行評定，更能符合工程實體質量情況。

（3）在混凝土配合比設計過程中，應參考混凝土的絕熱溫升、收縮的指標，選定混凝土配合比結果。

5 結語

本工程的大體積混凝土在配合比設計時優選原材，對混凝土的絕熱溫升、收縮進行控制，施工時優化施工工藝、嚴格監測、加強養護，克服了大體積混凝土早期水化速度快、水化熱高和容易產生溫度裂縫等缺陷，抑制混凝土的收縮，有效提高了混凝土的抗裂性，避免了大體積混凝土開裂，確保了工程質量，取得滿意效果。

[1]王博.大體積混凝土開裂原因及預防措施[B].研究探討，1007-6344（2017）07-0323-01.

[2]田衛國，令狐延，管聰聰，等.合肥恒大中心C地塊高強大體積混凝土施工技術[J].施工技術，2017，（24）：1-7.

[3]周世康，康夢安，葉派平.隧道錨塞體大體積混凝土溫度場監測與數值分析[J].施工技術，2017，（20）：130-134.

[4]郝兵，衣麗嬌，曹長柱.大體積混凝土配合比設計及在高溫環境中的應用[J].建筑技術，2017，（10）：1039-1042.

[5]張曉靜.粉煤灰、礦粉復合雙摻在大體積混凝土配合比中的應用[J].四川建材，2018，（2）：7-8+10.

[6]GB 50496-2009，大體積混凝土施工規范[S].

[7]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術規范[S].