大體積承臺混凝土配合比優化及有限元仿真分析

董勝勇，彭正中

（1.四川廣綿高速公路有限責任公司，成都 610041；2.中鐵五局集團有限公司，長沙 410117）

大體積混凝土在工程建設中被廣泛采用且占有重要地位，根據最新JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》，其定義為：體積較大的，可能由膠凝材料水化引起的溫度應力導致有害裂縫的結構混凝土。大體積混凝土結構具有不同于一般混凝土結構的典型特征，具有絕熱溫升高、內外溫差大、表面抗裂性低和澆筑時間長等特點，在施工中需要采取許多措施來解決以上問題，最大限度減少混凝土開裂。

1 工程概況

嘉陵江特大橋位于四川省廣元市昭化區紅巖鎮，是G5京昆高速廣元至綿陽段擴容工程的控制性工程，全橋長度1549 m，分幅設計。主橋采用（95 m+180 m+95 m）的連續剛構混凝土梁，引橋采用50、48.5、25 m簡支T梁；其中該橋主墩2號墩、3號墩樁基采用9根Φ2.5 m的鉆孔灌注樁，承臺尺寸為：16.5 m×16.5 m×5.0 m（長×寬×高），采用C30混凝土一次性澆筑，每個承臺混凝土方量1361.25 m3，2號墩、3號墩左右幅承臺混凝土總方量為5445 m3。主墩承臺體積較大，設計采用冷卻水管或低水化熱水泥施工，減少水化熱，防止混凝土開裂。

2 大體積混凝土主要問題及常用的解決方法

在大體積混凝土結構中，溫度變化對結構應力和變形具有重要影響，有時溫度應力大大超過其他外荷載產生的應力。因此，大體積混凝土結構除涉及一般的強度問題外，更重要的是控制好溫度應力避免產生裂紋。通常采用以下3個方面解決大體積混凝土溫度應力控制問題：一是優化配合比設計（低、中熱的水泥品種，高減水緩凝的外加劑，科學使用礦物摻合料）；二是施工工藝控制（控制混凝土入模溫度，預埋冷卻水管，分層澆筑，采用保溫技術控制溫度及應力監測）；三是相變儲能（相變體系，膨潤土+癸酸相變集料，酸類相變微膠囊材料）。

3 嘉陵江大橋主墩大體積混凝土施工采用的主要方法

G5京昆高速廣元至綿陽段擴容工程嘉陵江特大橋主墩承臺大體積混凝土施工主要采用的方式是：一是通過優化配合比設計，控制混凝土的絕熱溫升；二是采用預防性措施，在承臺部分設置冷卻水管，防止承臺內部與表面的溫差過大；三是夜間實行基坑覆蓋，控制混凝土表面與大氣溫差不超過20℃。

3.1 混凝土配合比優化

3.1.1 優化前配合比存在的主要問題

按照JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》6.13.2條規定：對大體積混凝土進行溫度控制時，應使其內部最高溫度不高于75℃。優化前配合比按照GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》混凝土絕熱溫升計算公式計算，初始配合比計算的水泥水化熱絕熱溫升最高將達到74℃，可能會因混凝土中膠凝材料水化熱引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生。采用優化前的配合比需要安裝冷卻管，存在冷卻管安裝難、需要措施鋼筋較多及冷卻管水循環及灌漿需要耗費人力且效果不好不宜灌滿。按照常規方法進行原配合比設計見表1、表2。

表1 原配合比設計 kg

表2 工作性能和強度表 kg

3.1.2 新配合比設計理論及成果

優化配合比以控制絕熱溫升、降溫速率為目標，主要研究方向為體積混凝土超長初凝時間的設計方法、低水泥用量的配合比設計方法及澆筑工藝工法應用。根據人工集料（機制砂）特點，基于集料密實堆積原理、富漿理念及額定粉體材料用量，提出了額定粉體材料用量的密實骨架堆積設計方法[1]、高摻礦物摻合料膠凝體系的優化設計和充分分散水泥顆粒，提高膠結性能，降低水泥和礦物摻合料用量，降低升溫、降低收縮。主要體現人工集料表面多棱角、多孔等特點需要充足的填充粉體材料，最大幅度減少膠凝材料用量、延長初凝時間，抑制水化熱升溫，兼顧了力學和耐久性能。

根據該理論，優化后的配合比見表3、表4。

表3 設計與優化配合比對比表 kg

表4 工作性能與強度對比表

3.2 其他措施

為確保整體的施工質量，防止出現意外情況，在承臺中心設置一排冷卻水管，水管間距為1 m，同時設置了3層溫度監控點，檢測承臺中心點、承臺邊的溫度，確保中心點溫度與承臺邊溫度不超過25℃。具體如圖1、圖2所示。

圖1 測點布置圖

圖2 冷卻管布置圖

4 有限元模擬分析

4.1 混凝土熱源數據計算

按照GB 50496—2018《大體積混凝土施工標準》附錄B混凝土絕熱溫升計算公式計算。

1）配合比優化前最大絕熱溫升

式中:T（t）指混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；W為每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3，這里取382kg/m3；Q0為水泥水化熱總量，這里取461 kJ/kg；k為不同摻量摻合料水化熱調整系數，粉煤灰總量/膠凝材料總量=0.3，查GB 50496—2018表B.1.3取0.93；Q為膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；C為混凝土的比熱容，可取0.92～1.00 kJ/（kg·℃），這里取0.92 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土的質量密度，可取2400～2500 kg/m3，這里取2400 kg/m3。

2）配合比優化后最大絕熱溫升

式中:T（t）是混凝土齡期為t時的絕熱溫升，℃；W為每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3，這里取360kg/m3；Q0為水泥水化熱總量，這里取461 kJ/kg；k為不同摻量摻合料水化熱調整系數，粉煤灰總量/膠凝材料總量=0.39，查GB 50496—2018表B.1.3取0.83；Q為膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；C為混凝土的比熱容，可取0.92～1.00kJ/（kg·℃），這里取0.92 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土的質量密度，可取2400～2500kg/m3，這里取2400kg/m3。

4.2 不同混凝土配合比下的承臺分析數據對比

通過有限元模擬分析，可以對冷卻水管管徑、通水流量和冷卻管布置形式進行優化，在Midas FEA NX軟件中輸入不同配合比的混凝土絕熱溫升數據，通過有限元分析，發現承臺在澆筑完成75h后內部溫度達到最高。

1）圖3（a）為無冷卻管承臺混凝土澆筑75 h后溫度場云圖，承臺內部最高溫度達到80.5℃，表面溫度在45.2℃左右，內外最大溫差35.3℃，不滿足JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術規范》6.13.2中“內部最高溫度不高于75℃”及“混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃”的要求。

2）圖3（b）為無冷卻管承臺混凝土澆筑過程中承臺表面應力云圖，最大拉應力2.87 MPa，超過了混凝土容許應力值。

圖3 無冷卻水管承臺溫度、應力云圖

3）圖4（a）為布置冷卻水管后承臺混凝土澆筑75 h后溫度場云圖，承臺內部最高溫度達到55.8℃，而表面溫度在34.9℃左右，內外最大溫差20.9℃，滿足規范要求。

4）圖4（b）為布置冷卻管承臺混凝土澆筑過程中承臺表面應力云圖，最大拉應力0.54 MPa，超過了混凝土容許應力值。

圖4 布置冷卻水管后承臺溫度、應力云圖

5 現場綜合應用情況

5.1 優化后混凝土工作性能

拌合站出站時坍落度為230 mm，現場坍落度為230 mm，塌落度幾乎不存在損失，現場測試的擴展度為600 mm，較試驗室測試結果增大了70 mm，充分證明了該混凝土的流動性較好。

5.2 養護工藝及溫度測試記錄

澆筑后及時進行二次收面并進行土工布覆蓋、人工澆水養護，進行測溫記錄。溫度記錄顯示，第3天中心溫度達到最大值58.1℃。與規范要求的中心控制溫度75℃降低了16.9℃，比優化前計算的絕熱溫升溫度低了7.9℃。實際證明該配合比能滿足規范要求的溫升要求。

5.3 施工后混凝土強度

進現場制作混凝土試件預壓，強度見表5。

表5 混凝土試件預壓強度 MPa

6 效益情況

6.1 技術方面

通過對配合比進行優化設計，降低了水泥用量，減少了水泥的水化熱，降低了中心點的溫度，很好地控制了承臺的內外溫差；適當提升粉煤灰的參量，提高混凝土的流動性；適當增加減水劑含量，減少了水灰比，確保了混凝土的整體強度。在外觀質量方面，采用優化配合比施工的混凝土實體質量外觀與之前對比有較大的改進。由于該混凝土的工作性能優良，在混凝土的澆筑過程中，混凝土輸送泵未出現堵管現象；工人搗固只需要在混凝土的四周進行稍微振搗就可以達到密實狀態，減輕生產工人的勞動強度，現場施工過程中僅4人配合振搗找平。

6.2 經濟效益方面

費用節省主要包括原材料的節省，冷卻水管的材料和加工費用的節省。其中每立方混凝土材料節省費用見表6，可知每立方節省材料費14.34元。

表6 每立方混凝土材料節省費用

冷卻水管節省費用共節約26247元，制作加工費節約1488.9元。嘉陵江大橋4個承臺節省的總費用見表7，可知平均每立方混凝土節約成本10元。

表7 經濟分析表

7 結論

①優化后的配合比可以滿足現場施工需求。②優化后的配合比降低了水化熱，滿足大體積承臺的中心溫度不超過75℃的要求，溫度降低明顯，有利于控制溫度裂紋的產生。③大體積混凝土承臺設有冷卻水管可以有效降低承臺內部溫度，減少承臺里表溫差，降低混凝土表面拉應力。④優化后的配合比能降低原材料消耗，有效降低項目部材料消耗成本。每立方混凝土原材料能節約14.34元。⑤推薦進行配合比優化的條件為：單個配合比工程數量≥50000/m3混凝土原材料節約。本橋的大體積混凝土總數量為5445m3滿足按照該條件≥3500m3的要求。⑥項目部總節省費用為14.34×（n-3500），n表示該配合對應的工程數量（如在大體積混凝土中設置冷卻管需加入冷卻管的材料和加工費用）。