龍灘天湖特大橋拱座低溫升高抗裂大體積混凝土研究與應用

馬文安 李威 徐文 邢俊平 王建軍 解威威 曾宗文

摘要：針對廣西龍灘天湖特大橋工程特點，研究提出了拱座低溫升、高抗裂機制砂大體積混凝土配合比設計方案。水泥水化速率調控技術降低了混凝土1d齡期絕熱溫升值約75%，分時膨脹補償收縮技術使得混凝土7d、28d齡期自生體積變形分別約160με和190με。制訂了拱座分層澆筑齡期差與入模溫度控制、保溫保濕養護等施工工藝措施。

關鍵詞：機制砂;水化速率調控;分時膨脹;入模溫度;抗裂性能;大體積混凝土

1 試驗研究

1.1 試驗原材料與配合比

水泥為貴州德隆水泥有限公司P·042.5普通硅酸鹽水泥，性能見表1;粉煤灰為山東予齊環保材料有限公司F類Ⅱ級粉煤灰，性能見表2;細集料為廣西金兔石場產機制砂，MB值0.85，表觀密度2.72g/cm3，細度模數3.2，石粉含量14%;粗集料采用5-25mm三級配石灰巖碎石，表觀密度2.73g/cm3，含泥量≤1.0%，泥塊含量≤0.5%，摻配比例為（5～10mm）：（10～20mm）：（20～25mm）=0.5：6.5：3.0;減水劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司產PCA-I聚羧酸高性能減水劑，減水率22%，28d收縮率比約94%;混凝土抗裂劑為江蘇蘇博特新材料股份有限公司HME-V混凝土（溫控、防滲）高效抗裂劑，性能見表3，從水泥水化速率與分時膨脹補償收縮角度對混凝土抗裂性能進行雙重調控與提升。

試驗采用的混凝土配合比如表4所示，主要對比研究了粉煤灰摻量以及是否摻加抗裂劑對拱座大體積混凝土收縮開裂性能的影響。

1.2 試驗方法

混凝土工作、力學性能測試分別依據GB50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》和GB50081-2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行;混凝土絕熱溫升測試依據《水工混凝土試驗規程》DL/T5150-2001進行，試驗儀器采用BY-ATC/JR型混凝土熱物理參數測定儀，每0.1h采集一次混凝土試件中心點溫度，試驗歷時7d;混凝土澆筑后放入恒溫32±0.5℃的試驗室，表面覆塑料薄膜，約2-3小時后揭開塑料薄膜安裝接觸式測試釘頭，初凝后用石蠟將表面密封處理，在試件架上用精度1μm的千分表測試，終凝后開始定期讀數。

1.3 主要試驗結果與分析

混凝土工作性能結果如表5所示。由表可見，隨粉煤灰摻量增加，減水劑用量不變的情況下，拱座大體積混凝土初始坍落擴展度有所減小，經時損失增大，凝結時間和含氣量基本不變;摻入抗裂劑后，拱座大體積混凝土初始坍落度基本不變，但經時損失顯著減小，含氣量基本不變，凝結時間延長約10%。因此，就本工程而言，粉煤灰摻量增加對大體積混凝土工作性能有負面作用，而抗裂劑的摻入則一定程度上優化了混凝土工作性能。

混凝土力學性能試驗結果如圖1所示。隨著粉煤灰摻量增加，拱座大體積混凝土抗壓強度降低，隨著養護齡期延長，至60d時降幅收窄，但粉煤灰摻量超過40%后，拱座大體積混凝土60d齡期抗壓強度值已無法滿足設計要求;摻入抗裂劑后，拱座大體積混凝土早期抗壓強度有所降低，7d時降幅超過20%，但隨著養護齡期延長，降幅逐漸減小，28d時已不足10%，60d則與基準基本持平。因此，從力學性能角度考慮，本工程拱座大體積混凝土粉煤灰摻量31%、抗裂劑摻量8%較為適宜。

表4中1#、2#、5#配合比拱座大體積混凝土絕熱溫升試驗結果如圖2所示。由圖知，在入模溫度約30℃的情況下，以混凝土終凝為零點，相比于1#配合比，2#配合比降低了水泥用量25kg/m3，其7d絕熱溫升值也相應降低了約1.8℃，摻入抗裂劑后的5#配合比，混凝土早期絕熱溫升速率顯著減小，1d溫升值只有2#配合比的約25%，而7d溫升值二者基本持平，與抗壓強度試驗結果吻合。因此，在有散熱條件的情況下，摻入抗裂劑后，拱座大體積混凝土實體結構溫升可以有效降低，抑制其溫度開裂風險。

混凝土自生體積變形試驗結果如圖3所示。混凝土自生體積變形變化速率隨齡期增長呈現先快后慢，0-21d時變化較快，28d齡期后逐漸趨于平緩，測試齡期內終值在-110με左右。膠凝材料總量不變條件下，當粉煤灰摻入比例由32%提高到39%時，混凝土自收縮略有降低;摻入抗裂劑后，混凝土自生體積變形為膨脹，7d、28d時膨脹變形分別約160με和190με，表現出較好的全過程補償收縮效果。因此，綜合拱座大體積混凝土絕熱溫升與自生體積變形試驗結果來看，抗裂劑的摻入可有效改變混凝土溫度變化，提升抗裂性能。

2 施工工藝措施

①按照目標設計，控制任意時刻混凝土開裂風險系數η小于閾值（η≤0.7時，可基本避免收縮開裂;η≤1.0時，可有效抑制收縮開裂）;②在方案制定過程中，首先通過混凝土材料性能優化降低開裂風險，若無法控制開裂風險系數閾值之下，則應優化施工工藝，以及抗裂功能材料摻加等措施。

在該思路指導下，通過試驗研究，設計了如表4中5#所示拱座低溫升、高抗裂機制砂大體積混凝土配合比：

1）拱座分層澆筑時，層間澆筑齡期差≤10d;

2）根據施工時日均氣溫確定拱座大體積混凝土入模溫度控制，即日均氣溫>25℃時，入模溫度≤28℃;日均氣溫10～25℃時，入模溫度≤日均氣溫+8℃且≤28℃;日均氣溫<10℃時，入模溫度10～18℃;

3）拱座澆筑層頂面及外露的側面應進行保溫保濕養護，控制表面散熱系數≤240kJ/（m2?d?℃），頂面養護至下一層混凝土澆筑，側面養護時間持續不少于14d。

3 工程應用與監測

以南丹岸拱座第7層為例，該層長、寬均為35m，厚2.0m，監測結果如圖4和圖5所示。由圖4可見，混凝土澆筑時日均氣溫約18℃，其入模溫度約24℃，滿足控制要求;結構中心溫峰為54.3℃，最大溫升約30℃，中心與結構頂部、側表最大溫差約20℃，結構中心溫峰后12d內的平均降溫速率約1.3℃d，均滿足《大體積混凝土施工標準》GB50496的要求。

由圖5可見，結構中心豎直方向變形近似于自由狀態，溫升階段最大膨脹值約608με，單位溫升膨脹值達到19.5με/℃，對比受先澆層較強約束的中心水平方向最大膨脹變形225με和單位溫升膨脹值7.2με/℃，顯著增加，可見抗裂劑中膨脹組分發揮了明顯作用，在較強外約束下可有效存儲膨脹預壓應力;隨后溫降階段，結構中心豎直方向在測試齡期內的最大收縮值約138με，單位溫降收縮值僅8.8με/℃，顯著低于普通混凝土，可見抗裂劑中膨脹組分在溫降階段仍然有明顯補償收縮作用，有效降低了收縮及其應力的拉引力，提升了結構混凝土抗裂性能。

拱座側面拆除養護措施后，持續觀測結果與上述監測結果吻合，大體積混凝土裂縫控制成套技術方案應用良好。

4 結論

（1）試驗研究了粉煤灰摻量、水泥水化速率調控與分時膨脹補償收縮技術對龍灘天湖特大橋拱座機制砂大體積混凝土工作性能、力學性能、絕熱溫升和自生體積變形影響，提出了摻入31%粉煤灰和8%抗裂劑的低溫升、高抗裂機制砂大體積混凝土配合比設計方案，顯著降低其絕熱溫升及速率，并全過程補償收縮。

（2）考慮工程實際情況，從拱座分層澆筑齡期差控制、根據施工時日均氣溫確定入模溫度指標以及大體積混凝土表面保溫、保濕養護等角度，研究提出了拱座混凝土裂縫控制施工工藝措施。

（3）將上述低溫升、高抗裂機制砂大體積混凝土配合比措施及相關抗裂工藝應用于龍灘天湖特大橋拱座工程施工中，監測表明，大體積混凝土溫度歷程滿足標準控制要求，抗裂劑應用使得混凝土溫升階段產生明顯膨脹，溫降階段收縮得到有效補償，其在機制砂大體積混凝土中的首次應用保障了混凝土的抗裂性能。

參考文獻

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