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(yīng)用

馬文安 李威 徐文 邢俊平 王建軍 解威威 曾宗文

摘要：針對(duì)廣西龍灘天湖特大橋工程特點(diǎn)，研究提出了拱座低溫升、高抗裂機(jī)制砂大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)方案。水泥水化速率調(diào)控技術(shù)降低了混凝土1d齡期絕熱溫升值約75%，分時(shí)膨脹補(bǔ)償收縮技術(shù)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(yǎng)護(hù)等施工工藝措施。

關(guān)鍵詞：機(jī)制砂;水化速率調(diào)控;分時(shí)膨脹;入模溫度;抗裂性能;大體積混凝土

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)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(huán)保材料有限公司F類Ⅱ級(jí)粉煤灰，性能見表2;細(xì)集料為廣西金兔石場(chǎng)產(chǎn)機(jī)制砂，MB值0.85，表觀密度2.72g/cm3，細(xì)度模數(shù)3.2，石粉含量14%;粗集料采用5-25mm三級(jí)配石灰?guī)r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(chǎn)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(shí)膨脹補(bǔ)償收縮角度對(duì)混凝土抗裂性能進(jìn)行雙重調(diào)控與提升。

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

1.2 試驗(yàn)方法

混凝土工作、力學(xué)性能測(cè)試分別依據(jù)GB50080-2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和GB50081-2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行;混凝土絕熱溫升測(cè)試依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150-2001進(jìn)行，試驗(yàn)儀器采用BY-ATC/JR型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀，每0.1h采集一次混凝土試件中心點(diǎn)溫度，試驗(yàn)歷時(shí)7d;混凝土澆筑后放入恒溫32±0.5℃的試驗(yàn)室，表面覆塑料薄膜，約2-3小時(shí)后揭開塑料薄膜安裝接觸式測(cè)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(cè)試，終凝后開始定期讀數(shù)。

1.3 主要試驗(yàn)結(jié)果與分析

混凝土工作性能結(jié)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(kuò)展度有所減小，經(jīng)時(shí)損失增大，凝結(jié)時(shí)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(jīng)時(shí)損失顯著減小，含氣量基本不變，凝結(jié)時(shí)間延長(zhǎng)約10%。因此，就本工程而言，粉煤灰摻量增加對(duì)大體積混凝土工作性能有負(fù)面作用，而抗裂劑的摻入則一定程度上優(yōu)化了混凝土工作性能。

混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度降低，隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，至60d時(shí)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(qiáng)度值已無法滿足設(shè)計(jì)要求;摻入抗裂劑后，拱座大體積混凝土早期抗壓強(qiáng)度有所降低，7d時(shí)降幅超過20%，但隨著養(yǎng)護(hù)齡期延長(zhǎng)，降幅逐漸減小，28d時(shí)已不足10%，60d則與基準(zhǔn)基本持平。因此，從力學(xué)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(yàn)結(jié)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(diǎn)，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(yīng)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)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(shí)體結(jié)構(gòu)溫升可以有效降低，抑制其溫度開裂風(fēng)險(xiǎn)。

混凝土自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?；炷磷陨w積變形變化速率隨齡期增長(zhǎng)呈現(xiàn)先快后慢，0-21d時(shí)變化較快，28d齡期后逐漸趨于平緩，測(cè)試齡期內(nèi)終值在-110με左右。膠凝材料總量不變條件下，當(dāng)粉煤灰摻入比例由32%提高到39%時(shí)，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(shí)膨脹變形分別約160με和190με，表現(xiàn)出較好的全過程補(bǔ)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(yàn)結(jié)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(biāo)設(shè)計(jì)，控制任意時(shí)刻混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)η小于閾值（η≤0.7時(shí)，可基本避免收縮開裂;η≤1.0時(shí)，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(yōu)化降低開裂風(fēng)險(xiǎn)，若無法控制開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)閾值之下，則應(yīng)優(yōu)化施工工藝，以及抗裂功能材料摻加等措施。

在該思路指導(dǎo)下，通過試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了如表4中5#所示拱座低溫升、高抗裂機(jī)制砂大體積混凝土配合比：

1）拱座分層澆筑時(shí)，層間澆筑齡期差≤10d;

2）根據(jù)施工時(shí)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(shí)，入模溫度≤28℃;日均氣溫10～25℃時(shí)，入模溫度≤日均氣溫+8℃且≤28℃;日均氣溫<10℃時(shí)，入模溫度10～18℃;

3）拱座澆筑層頂面及外露的側(cè)面應(yīng)進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，控制表面散熱系數(shù)≤240kJ/（m2?d?℃），頂面養(yǎng)護(hù)至下一層混凝土澆筑，側(cè)面養(yǎng)護(hù)時(shí)間持續(xù)不少于14d。

3 工程應(yīng)用與監(jiān)測(cè)

以南丹岸拱座第7層為例，該層長(zhǎng)、寬均為35m，厚2.0m，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖4和圖5所示。由圖4可見，混凝土澆筑時(shí)日均氣溫約18℃，其入模溫度約24℃，滿足控制要求;結(jié)構(gòu)中心溫峰為54.3℃，最大溫升約30℃，中心與結(jié)構(gòu)頂部、側(cè)表最大溫差約20℃，結(jié)構(gòu)中心溫峰后12d內(nèi)的平均降溫速率約1.3℃d，均滿足《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》GB50496的要求。

由圖5可見，結(jié)構(gòu)中心豎直方向變形近似于自由狀態(tài)，溫升階段最大膨脹值約608με，單位溫升膨脹值達(dá)到19.5με/℃，對(duì)比受先澆層較強(qiáng)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(fā)揮了明顯作用，在較強(qiáng)外約束下可有效存儲(chǔ)膨脹預(yù)壓應(yīng)力;隨后溫降階段，結(jié)構(gòu)中心豎直方向在測(cè)試齡期內(nèi)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(bǔ)償收縮作用，有效降低了收縮及其應(yīng)力的拉引力，提升了結(jié)構(gòu)混凝土抗裂性能。

拱座側(cè)面拆除養(yǎng)護(hù)措施后，持續(xù)觀測(cè)結(jié)果與上述監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合，大體積混凝土裂縫控制成套技術(shù)方案應(yīng)用良好。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)研究了粉煤灰摻量、水泥水化速率調(diào)控與分時(shí)膨脹補(bǔ)償收縮技術(shù)對(duì)龍灘天湖特大橋拱座機(jī)制砂大體積混凝土工作性能、力學(xué)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(jī)制砂大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)方案，顯著降低其絕熱溫升及速率，并全過程補(bǔ)償收縮。

（2）考慮工程實(shí)際情況，從拱座分層澆筑齡期差控制、根據(jù)施工時(shí)日均氣溫確定入模溫度指標(biāo)以及大體積混凝土表面保溫、保濕養(yǎng)護(hù)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(jī)制砂大體積混凝土配合比措施及相關(guān)抗裂工藝應(yīng)用于龍灘天湖特大橋拱座工程施工中，監(jiān)測(cè)表明，大體積混凝土溫度歷程滿足標(biāo)準(zhǔn)控制要求，抗裂劑應(yīng)用使得混凝土溫升階段產(chǎn)生明顯膨脹，溫降階段收縮得到有效補(bǔ)償，其在機(jī)制砂大體積混凝土中的首次應(yīng)用保障了混凝土的抗裂性能。

參考文獻(xiàn)

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