摻合料在大體積混凝土中應(yīng)用淺析

■李麗琴

（福建新路達(dá)交通建設(shè)監(jiān)理有限公司，南平 353000）

1 引言

大體積混凝土在道路工程建設(shè)中，常見用于橋梁工程承臺(tái)部位中，隨著交通事業(yè)的日益發(fā)展，機(jī)械化程度不斷提升，施工技術(shù)趨于完善，大體積混凝土的施工控制已不再是難題，施工質(zhì)量水平卓越提升，但裂縫病害仍普遍存在。多年來，針對(duì)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(shù)和參數(shù)方面[2-3]，（2）大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)及應(yīng)用方面[4]，（3）大體積混凝土材料應(yīng)用[5]，針對(duì)大體積混凝土的收縮、絕熱溫升指標(biāo)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(shè)計(jì)結(jié)果的控制指標(biāo)。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因分析

由于大體積混凝土體量大，水泥的水化效應(yīng)產(chǎn)生溫度變化以及自身體積變化，造成裂縫，因此溫度應(yīng)力和收縮是施工階段產(chǎn)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(chǎn)生大量水化熱，隨著齡期的延長(zhǎng)而增長(zhǎng)，最高溫度一般產(chǎn)生在混凝土澆筑后3～4d。由于混凝土內(nèi)部散熱系數(shù)小，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，形成了內(nèi)外溫度梯度，導(dǎo)致內(nèi)約束，內(nèi)部產(chǎn)生壓力，面層產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉應(yīng)力時(shí)，混凝土產(chǎn)生裂縫。

（2）混凝土的收縮：混凝土的收縮是在空氣中凝結(jié)時(shí)體積減小的現(xiàn)象，在凝結(jié)初期主要是水泥在凝固結(jié)硬過程中的體積變化引起的自收縮，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)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(huán)境溫度較高，混凝土表面水份蒸發(fā)得不到充分補(bǔ)充，在受到外力的情況下產(chǎn)生裂縫，內(nèi)部水份蒸發(fā)加快，裂縫擴(kuò)展加速。

3 常見的裂縫控制措施

3.1 配合比設(shè)計(jì)控制措施

在配合比設(shè)計(jì)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(shí)性、改善混凝土工作性能以及延緩凝結(jié)時(shí)間，一定程度上降低水化效應(yīng)，減小水化熱，同時(shí)也降低了混凝土開裂可能性。

3.2 施工工藝控制措施

根據(jù)原材料、配合比、環(huán)境條件、施工方案和施工工藝等因素，對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫控和監(jiān)測(cè)。施工過程中，控制入模坍落度，采用整體式水平分層連續(xù)澆筑。控制溫差梯度是關(guān)鍵，依據(jù)施工技術(shù)方案降低混凝土入模溫度，按照“內(nèi)降外?！钡脑瓌t，在混凝土澆筑層中采取設(shè)置冷卻水管通循環(huán)水冷卻，對(duì)外部采取覆蓋蓄熱或蓄水保溫等措施進(jìn)行。澆筑后對(duì)混凝土立即采取有效保溫措施并按規(guī)定進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，降低混凝土內(nèi)外溫差，防止表面裂縫產(chǎn)生。

4 配合比設(shè)計(jì)及性能指標(biāo)分析

本文結(jié)合南平某高速公路傍溪大橋承臺(tái)配合比設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，該橋起點(diǎn)樁號(hào)K19+704，終點(diǎn)樁號(hào)K20+266，橋梁全長(zhǎng)562m，分左右兩幅橋。5#、6#墩采用矩形整體式承臺(tái)，長(zhǎng) 12.5m，寬12.45m，承臺(tái)厚 4m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30。從摻合料對(duì)混凝收縮、溫升指標(biāo)方面進(jìn)行優(yōu)化，闡述了大體積混凝土原材料的選擇和配合比設(shè)計(jì)原則，并通過室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)在不同摻量摻合料下，混凝土的強(qiáng)度、收縮和絕熱溫升變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，得出合理的摻合料摻量，供今后類似工程配合比設(shè)計(jì)參考。

4.1 配合比設(shè)計(jì)原則

大體積混凝土配合比的設(shè)計(jì)除應(yīng)符合設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)、耐久性、抗?jié)B性、體積穩(wěn)定性等要求外，尚應(yīng)符合大體積混凝土施工工藝特性的要求，并應(yīng)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(jié)時(shí)間長(zhǎng)的水泥品種。

（2）集料：粗集料宜選用連續(xù)級(jí)配，細(xì)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(cè)結(jié)果

配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保證混凝土強(qiáng)度、和易性等工作性能的前提下，采取改善集料級(jí)配，提高粗集料、摻合料用量，降低水膠比等措施，實(shí)現(xiàn)降低水泥的用量目標(biāo)，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(yàn)結(jié)果及配合比情況

本文研究對(duì)象為選定配合比中，在不同摻量摻合料下，混凝土的強(qiáng)度、收縮和溫升指標(biāo)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(cè)結(jié)果

表3 粗集料檢測(cè)結(jié)果

表4 細(xì)集料檢測(cè)結(jié)果

表5 外加劑檢測(cè)結(jié)果

表6 C30混凝土配合比

4.3 強(qiáng)度、收縮和絕熱溫升指標(biāo)變化情況

（1）強(qiáng)度

從圖1可見，不同粉煤類摻量的混凝土早期強(qiáng)度增幅差異較大，摻量小的混凝土比大摻量混凝土早期強(qiáng)度增長(zhǎng)快，隨著齡期的延長(zhǎng)，這種差異逐漸變小，60d后強(qiáng)度增長(zhǎng)差異不顯著，且表現(xiàn)出混凝土強(qiáng)度隨著摻量的增加而有所提高。這是因?yàn)榉€(wěn)定而惰性的粉煤灰對(duì)水泥具有稀釋效應(yīng)，減緩了水泥水化結(jié)晶過程，造成摻量越大，強(qiáng)度增長(zhǎng)愈緩；水泥與水產(chǎn)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣，粉煤灰再與氫氧化鈣發(fā)生二次反應(yīng)，生成以水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣為主的產(chǎn)物，但這個(gè)是較為緩慢的反應(yīng)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(zhǎng)，后期粉煤灰表面產(chǎn)生大量的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣的纖維晶體，具有較強(qiáng)的粘結(jié)力，有效地改善混凝土的性能，提高了力學(xué)強(qiáng)度，因此粉煤灰摻量大的混凝土后期強(qiáng)度較高。

圖1 混凝土強(qiáng)度

（2）收縮

混凝土干縮變形是因存在毛細(xì)孔中的游離水蒸發(fā)而使孔中水面下降，曲率增大，孔內(nèi)負(fù)壓而引起的體積收縮。由于粉煤灰的微集料效應(yīng)和火山灰反應(yīng)生成大量CS-H凝膠，填充了混凝土中毛細(xì)孔，提高混凝土的致密性，一定程度上減小和補(bǔ)償了因孔隙失水而產(chǎn)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(gè)摻量的體積收縮小。相對(duì)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(yīng)產(chǎn)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(nèi)部最高溫度不大于75℃、并使混凝土內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)，能夠大大減小大體積混凝土內(nèi)脹外縮的應(yīng)力，減小和避免混凝土開裂的可能性。從圖3可見當(dāng)粉煤灰摻量越高，溫升水平越低，這是因?yàn)榉勖侯悡搅考哟髸r(shí)水泥與水的比例減小，改善了膠凝材料的水化環(huán)境，促進(jìn)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(nèi)試驗(yàn)室分析摻合料對(duì)大體積混凝土的強(qiáng)度、收縮、溫升的影響，可以得到以下結(jié)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(dá)到40%時(shí)效果顯著，但應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過試驗(yàn)確定摻量上限。

（2）摻加摻合料的混凝土在質(zhì)量評(píng)定時(shí)，如工期允許情況下，采取60d或90d強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，更能符合工程實(shí)體質(zhì)量情況。

（3）在混凝土配合比設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)參考混凝土的絕熱溫升、收縮的指標(biāo)，選定混凝土配合比結(jié)果。

5 結(jié)語

本工程的大體積混凝土在配合比設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)選原材，對(duì)混凝土的絕熱溫升、收縮進(jìn)行控制，施工時(shí)優(yōu)化施工工藝、嚴(yán)格監(jiān)測(cè)、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，克服了大體積混凝土早期水化速度快、水化熱高和容易產(chǎn)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(zhì)量，取得滿意效果。

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

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

[3]周世康，康夢(mèng)安，葉派平.隧道錨塞體大體積混凝土溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值分析[J].施工技術(shù)，2017，（20）：130-134.

[4]郝兵，衣麗嬌，曹長(zhǎng)柱.大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)及在高溫環(huán)境中的應(yīng)用[J].建筑技術(shù)，2017，（10）：1039-1042.

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

[6]GB 50496-2009，大體積混凝土施工規(guī)范[S].

[7]JTG/T F50-2011，公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].