大体积混凝土配合比设计优化策略

大体积混凝土配合比设计优化策略

包杨正昕

西安市政道桥建设集团有限公司, 陕西西安710000

摘要：结合工程实例，分析了桥梁承台大体积混凝土的配合比设计和工程应用，并在此基础上制定了控制大体积混凝土温差、提高其质量的有效措施，从而保证混凝土质量，降低大体积混凝土结构开裂的风险。

关键词:体量大；桩帽混凝土；混合比例；工程应用

介绍

裂缝是混凝土结构中常见的质量问题，也是工程质量控制中必须解决的缺陷。混凝土结构一旦出现裂缝，会降低工程结构的承载能力，严重影响建筑物和构筑物的耐久性。因此，必须根据工程的环境条件和施工方法，加强预拌混凝土配合比的深入研究和生产管理，同时有效控制浇筑体的温度应力，减少裂缝的发生。

1个工程案例

本文选取的工程案例是襄阳市提速改造(内环)工程——跨襄阳北编组站桥转体桥，该桥采用新型齿轮齿条转体系统，是目前世界上同类桥梁中吨位最大的斜拉桥。桥梁全长920米，最大转体质量32000吨，主塔基础承台混凝土强度等级为C55，结构尺寸为44m×29m×5m。下承口(以下简称承口)首次浇筑，混凝土浇筑厚度3.2m，浇筑体积4100m3，为典型的大体积混凝土结构。

2大体积承台混凝土配合比设计

2.1混合设计原则

美国混凝土协会(ACI)规定:“任何现浇的大体积混凝土，其体积之大，必须要求解决其引起的水化热及体积变形问题，以最大限度地减少开裂。”配制大体积混凝土时，原材料与混凝土的各项性能指标密切相关，优质原材料可以提高混凝土的抗裂性和抗变形能力。使用优质矿物掺合料和高性能外加剂，可以显著降低水泥用量，延缓水化热释放，增强混凝土后期强度，在满足施工工艺的前提下，最大限度地降低混凝土拌合物的水胶比和坍落度。工程结构的设计使用寿命为100年，良好的结构耐久性是预拌混凝土配合比设计必须考虑的重要因素。由于本工程靠近河流，基础部分处于干湿交替和可能发生水蚀的环境中，因此需要保证该结构的混凝土具有良好的密实性，设计要求电通量法混凝土抗氯离子渗透能力小于1000C。本工程承台混凝土量大，泵送和浇筑时间长。因此，应保证混凝土具有良好的工作性能，泵送坍落度控制在180mm，2小时坍落度损失不超过180mm。

2.2原材料的选择

(1)水泥是混凝土不可缺少的原材料。选用水泥时，其安定性、凝结时间、强度、水化热、碱含量应适合本工程大体积混凝土的技术要求。(2)优质矿物掺合料是大体积混凝土的重要原材料之一。通过试验验证，ⅰ级粉煤灰和S95矿渣粉的复合能有效降低水泥用量，控制混凝土绝热温升，降低混凝土早期水化热。水泥、粉煤灰和矿渣粉三者的组合可以构建三级胶凝材料体系，可以明显改善胶凝材料的微观层次，降低拌和用水量，改善混凝土的和易性。(3)高性能减水剂可以在保持水胶比不变的情况下，大幅度降低用水量，控制水胶比，同时可以延缓大体积混凝土的凝结硬化时间，降低水化热的放热速率，推迟放热高峰的时间。(4)采用优质骨料提高混凝土的抗裂性和抗变性。

2.3配合比设计和试配试验

混凝土配合比设计参考JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规范》、GB50496-2018《大体积混凝土施工标准》、JTG/T3650-2020《公路桥涵施工技术规范》和JTG/T3310-2019《公路工程混凝土结构耐久性设计规范》,设计要求最。

经过对混凝土的绝热温升、含碱量等参数的计算，以及对其主要参数和性能的反复试拌、测试、验证和试验，优化出适合本工程的配合比在本工程中使用。

3.大体积承台混凝土生产过程的质量控制

3.1原材料控制

原材料的控制是保证大体积混凝土质量的关键。每批原材料进厂时，都要做好原材料的检验工作，保证材料的稳定性和质量。每种材料进厂时，都要认真核对生产厂家信息、产品出厂合格证、质量保证书、送货单等质量证明文件，确保规定的数量与实物相符。水泥和矿物掺合料在采购前应提前与厂家沟通，出厂前在成品仓库存放至少3天，以降低胶凝材料的存放温度。进厂时，应再次测试胶凝材料的储存温度。超过60℃时，严禁存放在仓库内，粗细骨料应存放在专用的储槽内，以遮风挡雨。所有原料都要独立标注，严禁混合，做到混合用水专用。生产前，搅拌用水应冷却4小时。

3.2生产配合比管控

开盘前，搅拌站经营者应当对砂石骨料含水率进行检测，并根据检测到的骨料含水率出具施工混凝土配合比通知单。使用前，配合比应由质量负责人检查，并经技术负责人批准。

3.3生产过程的质量控制

生产前，生产管理人员将会同设备部门对所有测量设备进行再次校准和校对，以确保设备的正常运行。首次开盘，由技术负责人组织质量和生产管理人员进行开盘鉴定，检验混凝土拌合物的均匀性、坍落度、和易性、表观密度是否满足配合比设计和泵送施工的要求，检验拌合物的坍落度损失和凝结时间是否满足工程施工方案的要求，并及时调整到最佳状态。所有性能测试合格后，方可进行正常生产供应。在生产过程中，应持续关注并根据骨料的含水率进行实时调整，做好配合比调整记录，并按规范要求留存相关性能试验试件。

4施工质量控制方案

4.1温度控制标准

由于本节点施工在夏季7月初，根据施工条件和温控核算，要求混凝土拌合物入模温度不超过25℃，在此基础上的温升不超过55℃；混凝土浇筑体内外温差(不包括混凝土收缩等效温度)不大于25℃；混凝土浇筑体的冷却速度不大于2.0℃/d；确保大体积混凝土内部最高温度不超过75℃，混凝土内部温度与表面温度、表面温度与环境温度的温差不超过20℃，养护水温与构件表面的温差不超过15℃；承台混凝土不允许出现内部温度裂缝，表面最大裂缝宽度不大于0.2毫米

4.2温度应力的计算

在最不利条件下，不考虑混凝土的热传导，不进行前7天的水化热计算内部最高中心温度。在施工阶段检查承台混凝土浇筑体的温度应力和收缩应力后，在不保温养护的情况下，理论上计算出温差55.5℃时可能产生裂缝，理论上保证温差控制在45℃以下不会产生温度裂缝。

4.3浇筑前的施工准备

混凝土浇筑前，在作业面顶部设置移动遮阳棚，避免白天阳光直射混凝土浇筑作业面；为保证混凝土连续浇筑，避免施工中出现冷缝，施工机械不仅要准备充分，还要考虑发生故障时的维修或更换时间，施工人员采用8小时倒班制；混凝土搅拌车罐体用篷布包裹，两条混凝土生产线同时生产供应，一条生产线备用。混凝土运输车的数量和发车频率应根据实际浇筑速度增减。此外，现场应预留一台汽车泵和发电机，发电机的功率必须保证混凝土浇筑的全过程和部分照明用电。混凝土浇筑前1 ~ 2天，将所需材料、施工机具运至现场指定位置，并再次确认搅拌站的备料。只有按照既定的方案确认所有的人、机、料后，才能开始浇筑。

4.4混凝土浇筑(斜面分层法)

根据混凝土浇筑速度和混凝土浇筑量，合理布置混凝土下料点，设置溜槽。混凝土从出料口的自由下落高度不得超过2m，混凝土应分层浇筑，做到薄层浇筑，坡度一致，每层浇筑厚度约300~500mm。同时保证上层混凝土覆盖已浇筑层的时间不超过混凝土初凝时间，分层浇筑时层间应有适当的间歇时间。在上下两层没有冷缝的前提下，上层混凝土覆盖下层混凝时，下层混凝的水化热已经持续了一段时间，部分热量已经散发，有助于减少混凝内部的部分水化热；混凝土浇筑第一次振捣后，初凝前应进行第二次振捣，以充分消除混凝土泌水形成的水分和气孔，提高混凝土的密实度。

4.5浇注体的温度控制

根据承台大体积混凝土温控方案，承台钢筋绑扎时，冷却水管回路提前预埋在承台内，采用φ40mm钢管。冷却水管的布置为水平和垂直各1米，从承台底部每0.8米布置一层。每层有两个进水口和两个出水口。冷却水管固定牢固，使用前应进行水压试验。管道不得漏水或阻水。浇筑混凝土前，应提前布置好冷却水管。测温元件布置在承台的底部、中部和表面，测温范围为20~150℃，测温误差不大于0.3℃(环境温度为30℃)。混凝土浇筑后，需要测量浇筑体内外温差、降温速率和环境温度。当混凝土进入初凝阶段，将启动水冷系统，利用地下水在冷却管中不断循环，降低承台内部温度。冷却水的流量将根据实际温差进行调整，以确保承台内外温差在允许范围内。冷却管水循环结束的标志是混凝土水化热峰值的结束，水化温升与日平均温度基本一致。构件冷却水管停止循环水冷却后，用空压机将管内残留水压出，将冷却水管吹干，然后用同强度等级的导管灌浆材料进行灌浆封堵。

4.6承台混凝土的养护

在尽量降低承台混凝土内部温升的条件下，混凝土的养护是一项关键工作，必须做好。养护主要是保持适宜的温湿度条件，混凝土保温措施往往有保湿的作用。

从温度应力的角度来看，保温的目的有两个:(1)减少混凝土表面的热扩散，降低混凝土表面的温度梯度，防止表面裂缝；(2)延长散热时间，充分发挥混凝土强度的潜力，使平均总温差引起的拉应力小于混凝土的抗拉强度，防止结构贯通性裂缝。

刚浇的混凝土还处于凝结硬化阶段，水化速度比较快。适宜的湿润条件可防止混凝土表面因脱水而产生收缩裂缝，浇筑后应及时保温保湿。由于下桩承台浇筑后，混凝土顶面局部露出上桩承台钢筋网，无法覆盖养护。根据施工方案，冷却管出口循环水用于雾化保湿养护，混凝土表面始终保持湿润。同时，扣件松开后，不得一次性直接拆除承台侧面的钢模板。根据温度监测记录和内外温差，温差不超过25℃时，分阶段拆除模板。同时，应在侧面悬挂双层棉毡进行保温和维护。棉毡应紧贴承台侧壁，并用冷却管道的循环水喷淋湿棉毡，以保证承台各侧的温度和湿度，从而减少升温阶段承台内外的温差，防止温度裂缝。

5结论

(1)在满足预拌混凝土施工和易性和相应龄期强度的条件下，尽量掺入优质矿物掺合料，以降低早期水化热。

(2)采用优质骨料和高性能外加剂，控制预拌混凝土用水量，降低水胶比，从而控制混凝土硬化过程中的水化热及收缩徐变，降低构件开裂的概率。

(3)对构件进行内部冷却和外部保温，加强温度监测和温差控制，降低内外温差和温度梯度，避免温度应力产生裂缝。

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