大橋主塔承臺(tái)大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)與施工

賈 文 斌

(山西路杰工程咨詢有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

大體積混凝土是指混凝土結(jié)構(gòu)物中實(shí)體最小邊尺寸不小于1 m，如特大橋承臺(tái)或錨碇，高層建筑基礎(chǔ)，大壩及其他重力底座結(jié)構(gòu)物體所用的混凝土。這些結(jié)構(gòu)物都是依靠結(jié)構(gòu)物形狀、質(zhì)量和強(qiáng)度來(lái)承受荷載的，但在體積厚大的混凝土施工中水泥水化出的熱量無(wú)法及時(shí)散失，特別是大體積混凝土中心位置，熱量無(wú)法及時(shí)傳導(dǎo)到混凝土表層或底層，只能集聚在混凝土中心，從而導(dǎo)致中心部位的溫度迅速上升。而表層的混凝土因?yàn)榇嬖谂c空氣的交換，其溫度會(huì)比內(nèi)部低很多。根據(jù)熱脹冷縮的原理，形成了大體積混凝土的內(nèi)部應(yīng)力；并且溫差越大應(yīng)力越大。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)了混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生了溫差裂縫。因此為了避免溫差裂縫的產(chǎn)生，必須采取切實(shí)可行的方案。

1 大橋主塔承臺(tái)工程概況

大橋主塔承臺(tái)為H型兩側(cè)分別為順橋向長(zhǎng)18.5 m，橫橋向?qū)?3.4 m,高4.5 m中間設(shè)置截面為25 m×7 m×4.5 m系梁。混凝土方量約為3 020 m3，為了進(jìn)一步提高混凝土抗裂、抗彎拉、耐久性等性能，設(shè)計(jì)文件中明確規(guī)定每立方米混凝土摻1 kg PVA。混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40。在橋梁工程的承臺(tái)施工中，該承臺(tái)已屬少見(jiàn)的大體積混凝土構(gòu)件。

2 大橋主塔承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)選材

由于承臺(tái)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度是C40混凝土，目前國(guó)標(biāo)中唯一低熱微膨脹32.5水泥無(wú)法滿足試配強(qiáng)度要求。因此選用運(yùn)輸距離短，質(zhì)量穩(wěn)定，強(qiáng)度富余系數(shù)高的中材安徽水泥有限公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。粉煤灰摻合料選用巢湖商貿(mào)公司供應(yīng)的具有降低水化熱、提高混凝土和易性、強(qiáng)度、改善水泥與外加劑之間的適應(yīng)、減少需水量等特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)Ⅰ級(jí)粉煤灰。細(xì)集料選用巢湖產(chǎn)的細(xì)度模數(shù)在2.9左右的2類河砂。粗集料選用巢湖產(chǎn)的粒徑良好，5 mm～10 mm,10 mm～37.5 mm 2類石灰?guī)r級(jí)配碎石。外加劑選用安徽省銀石建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的具有減水率高，坍損小、堿含量低并且與P.O42.5水泥適應(yīng)性強(qiáng)的XF-A聚羧酸減水劑。江西同晟實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的12 mm聚丙烯腈纖維(PVA)具有良好的分散性，能夠抑制水泥混凝土在固化前的塑性收縮裂縫。

3 大橋主塔承臺(tái)混凝土配合比設(shè)計(jì)與施工的兩種方案

一般橋梁承臺(tái)水泥混凝土標(biāo)號(hào)為C30，水泥用量在300 kg/m3～350 kg/m3就可以滿足物理力學(xué)性能要求。而此大橋主塔承臺(tái)混凝土強(qiáng)度為C40，并采用泵送施工。為此需提高膠凝材料用量增大水膠比才能滿足混凝土強(qiáng)度及泵送施工要求，但由此混凝土內(nèi)部水化熱溫度升高應(yīng)在50 ℃以上。通常情況下混凝土內(nèi)外溫差超過(guò)25 ℃時(shí)，便可產(chǎn)生溫差裂縫，為控制溫差裂縫我們經(jīng)試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐，提出如下兩種混凝土配合比設(shè)計(jì)和施工方案。

3.1 方案一

綜合考慮在滿足施工工藝要求及混凝土配合比設(shè)計(jì)強(qiáng)度富余系數(shù)的前期下C40混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 C40混凝土配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)試配最終確定試驗(yàn)室配合比為水泥：368 kg/m3,砂：705 kg/m3，碎石：1 102 kg/m3,水：170 kg/m3,粉煤灰：55 kg/m3,高性能減水劑：6.9 kg/m3，PVA纖維：1.0 kg/m3。

為了有效降低水泥混凝土水化熱，在承臺(tái)鋼筋間布設(shè)直徑60 mm上下兩層間距為1.5 m的循環(huán)冷卻水管。在施工過(guò)程中起泵進(jìn)行冷卻水循環(huán)直至施工結(jié)束后水溫檢測(cè)符合要求后停泵。從以往大體積混凝土施工效果來(lái)看較為理想，但布設(shè)冷卻水管不僅給施工帶來(lái)麻煩，而且也增加了混凝土內(nèi)循環(huán)水養(yǎng)護(hù)及以后管內(nèi)壓漿等額外的工作。同時(shí)增加了工程成本。

3.2 方案二

據(jù)有關(guān)資料及已建成類似較大體積混凝土工程的成功經(jīng)驗(yàn)，在方案一的混凝土配合比中加入8%的微膨脹劑。其膨脹性能有補(bǔ)償混凝土收縮的作用，混凝土配合比設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 C40混凝土配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)試配最終確定試驗(yàn)室配合比為水泥：368 kg/m3,砂：705 kg/m3，碎石：1 102 kg/m3,水：170 kg/m3,粉煤灰：55 kg/m3,高性能減水劑：6.9 kg/m3，微膨脹劑：33.8 kg/m3,PVA纖維：1.0 kg/m3。

由此配制微膨脹混凝土，拌水后形成大量的膨脹性結(jié)晶水化物——鈣礬石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)而產(chǎn)生適度膨脹。在約束條件下，其膨脹性能轉(zhuǎn)化為0.2 MPa～0.5 MPa的預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)存于結(jié)構(gòu)中，此壓應(yīng)力可抵消混凝土干縮和冷縮引起的拉應(yīng)力，從而彌補(bǔ)了混凝土收縮開(kāi)裂的缺陷。現(xiàn)將該方案的理論依據(jù)簡(jiǎn)單列示如下：當(dāng)混凝土最終變形εσ-εL-εW

補(bǔ)償收縮時(shí)，混凝土限制膨脹率應(yīng)為:

εσ=εL+εW-εe。

混凝土的絕熱溫升為：Tmax=M×Qi/(c×ρ)。

水泥熟料礦物組成及單礦物水化熱見(jiàn)表3。

表3 P.S.A水泥熟料礦物組成及單礦物水化熱

28 d水化熱為：

Q28=377×0.5+105×0.2+

1 378×0.07+494×0.13=370 kJ/kg。

該承臺(tái)C40大體積混凝土若采用42.5的低熱微膨脹水泥配制，承臺(tái)的配筋率為2.1%，施工氣溫為20 ℃～30 ℃時(shí)：

混凝土絕熱溫升最高值：

Tmax=(368×70%×370)÷(2 400×0.92)=43.2 ℃。

承臺(tái)為上表面一維散熱，散熱系數(shù)取0.9。混凝土內(nèi)部溫升為：T1=0.9×43.2=38.9 ℃。

環(huán)境氣溫為20 ℃～30 ℃，取平均溫差T2=(30-20)÷2=5.0 ℃。

承臺(tái)混凝土的最大冷絕值(α取1.0×10-5)。

εL=α(T1+T2)=1.0×10-5×(38.9+5)=4.39×10-4。

計(jì)算承臺(tái)混凝土限制膨脹率εσ。

承臺(tái)混凝土的干縮率εW取1.0×10-4，配筋率取2.1%時(shí)，微膨脹混凝土的補(bǔ)償收縮的彈性伸長(zhǎng)率為：0.33εσ。

εσ=4.39×10-4+1.0×10-4-0.33εσ=4.05×10-4。

考慮混凝土的極限拉伸Sk(1.5×10-4～2.0×10-4)，承臺(tái)微膨脹混凝土最終變形：

ε=4.05×10-4-5.4×10-4=-1.35×10-4。

因?yàn)?.35×10-4

該配合比設(shè)計(jì)方案所用材料均無(wú)需特殊制造，易于采購(gòu)。同時(shí)根據(jù)理論及以往經(jīng)驗(yàn)，效果較為理想，而且綜合成本低，所以這套方案是行之有效的。

4 大橋主塔承臺(tái)混凝土澆筑施工方案

承臺(tái)混凝土澆筑采用斜面分層澆筑法施工，全面分為兩層每層厚度2.5 m。斜面分層澆筑每層厚度400 mm±10 mm以不大于1∶6的斜面坡度向前推進(jìn)，自然流淌循序推進(jìn)的連續(xù)澆筑方式。在上層混凝土澆筑前，清除澆筑表面的浮漿、軟弱混凝土層及松動(dòng)的石子，并均勻露出粗骨料應(yīng)用壓力水沖洗混凝土表面的污物，充分濕潤(rùn)，但不得有水。

5 大橋主塔承臺(tái)混凝土實(shí)際施工方案的選定

為確保工程質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失，大橋承臺(tái)混凝土施工采用了第一套方案。在混凝土澆筑前在承臺(tái)內(nèi)布設(shè)了溫度傳感器，待混凝土澆筑完畢后觀測(cè)承臺(tái)混凝土內(nèi)部的溫度變化情況，以便于采用有效的調(diào)節(jié)溫度措施，為確保混凝土內(nèi)外溫差小于25 ℃，承臺(tái)澆筑日期在2013年10月11日～11月12日，當(dāng)時(shí)室外溫度在20 ℃～30 ℃。混凝土澆筑48 h后混凝土溫度峰值為53 ℃。在承臺(tái)內(nèi)布設(shè)的上下兩層循環(huán)冷卻水管的循環(huán)水降溫作用下溫度下降了16 ℃。所以混凝土內(nèi)部溫度為37 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度下降在20 ℃時(shí)，混凝土內(nèi)外溫差為17 ℃,且小于25 ℃，所以混凝土沒(méi)有開(kāi)裂的危險(xiǎn)。

6 結(jié)語(yǔ)

大橋主塔承臺(tái)大體積混凝土施工取得了成功，混凝土無(wú)裂縫出現(xiàn)。盡管大橋主塔承臺(tái)大體積混凝土施工采用的是第一套方案，但第二套方案也有不少優(yōu)點(diǎn)，在前期混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)就重點(diǎn)關(guān)注了混凝土由于水化反應(yīng)產(chǎn)生的溫差裂縫。混凝土配合比中摻了8%的微膨脹劑，其膨脹性能轉(zhuǎn)化為預(yù)應(yīng)力儲(chǔ)存于結(jié)構(gòu)中，此壓應(yīng)力可抵消混凝土干縮和冷縮引起的拉應(yīng)力，從而彌補(bǔ)了混凝土收縮開(kāi)裂的缺陷，再加上合理的養(yǎng)護(hù)措施可以將溫度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，從而將避免混凝土開(kāi)裂，保證工程質(zhì)量，希望在以后類似的工程中能得到應(yīng)用。