公路桥梁大体积混凝土配合比设计与施工质量控制

公路桥梁大体积混凝土配合比设计与施工质量控制

王超

  中铁五局五公司  湖南省郴州市  423000  

搞要：公路桥梁大体积混凝土的原材料质量控制、配合比选配设计、施工质量过程卡控等环节都要求较高，特别是在大体积混凝土水化热控制，导致混凝土开裂影响耐久性。因此提高混凝土长期性和耐久性，保证工程质量，必须从混凝土的配合比设计上控制绝热温升和采取温控养护措施。

关键词：大体积混凝土配合比设计绝热温升质量控制

一、工程概况

塔子坡西河特大桥为项目重大桥梁工程之一，跨越西河剑阁段特有鱼类国家级水产种质资源保护区，与西河近垂直相交，并上跨108国道及123乡道。桥梁跨径布置 4×40m（预制 T 梁）+(85+160+85)m（刚构桥）+4×40m（预制 T 梁），共三联，单幅桥长 662.06m（K 线）和 656.06m（ZK 线）。主墩采用方形承台接桩基础，承台尺寸 14×14m，厚 5m。承台下设 9 根直径 2.5m 的钻孔灌注桩，纵向×横向排列为 3×3，桩基按端承桩设计。主墩承台采用C30混凝土一次性浇筑，每个承台混凝土方量980m3，5#墩、6#墩左右幅承台混凝土总方量为3920m3。主墩承台体积较大，设计采用冷却水管或低水化热水泥施工，减少水化热，防止混凝土开裂。

二、目前公路桥梁大体积混凝土存在问题

大体积混凝土规范定义为：“混凝土结构物实体最小尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土”。大体积混凝土结构具有不同于一般混凝土结构的典型特征，具有绝热升温高、内外温差大、表面抗裂性低、浇筑时间长等特点，在施工中需要采取许多措施来解决以上问题，最大限度的减少混凝土开裂。

由于混凝土的水化热作用，混凝土浇筑后将经历升温期、降温期和稳定期三个阶段，在这个过程中混凝土的体积在温度变化影响下亦随之伸缩，混凝土体积变化受到约束就会产生温度应力，如果该应力超过混凝土的抗裂能力将导致混凝土开裂；因此为了避免混凝土出现裂缝，提高混凝土长期性和耐久性，保证工程质量，必须从混凝土的配合比设计上控制绝热温升和采取温控养护措施。

三、大体积混凝土配合比设计及验证

目前公路桥梁大体积混凝土配合比设计一般较为保守，未全面考虑混凝土耐久性参数。本配合比设计思路为：根据《普通混凝土配合比设计规程》和《公路桥涵施工技术规范》确定掺合料的用量范围，配合比设计和强度评定采用混凝土60d龄期的抗压强度控制；在保证混凝土性能要求的前提下，减少胶凝材料中的水泥用量，提高粉煤灰的掺量。

（一）原材料的选择

根据大体积混凝土配合比拌合物性能的较高要求，首先在原材料料源选择上进行了严格的考查和试验，选择符合要求的材料。

1. 水泥

水泥选用江油拉豪双马水泥有限公司生产的P.0 42.5型低水化热和凝结时间长的普通硅酸盐水泥，3d水化热不大于250kJ/kg，7d水化热不大于280kJ/kg；其余参数符合现行国家标准《通用硅酸盐水泥》（GB 175）、《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650）6.2条规定；水泥在拌合时入机温度不大于60℃。

2. 粉煤灰

粉煤灰选用国能四川能源有限公司江油发电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，各项指标均符合现行国家标准《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 159）中的技术要求。其中细度18.1%、烧失量2.3%、需水量比97%，该粉煤灰品质稳定，且能满足混凝土拌合物性能、力学性能以及耐久性能的要求。

3. 集料

细集料选用豪瑞（四川）投资有限公司生产的机制砂，（吸尘法制成的干机制砂）。母岩石灰岩，岩石抗压强度为150Mpa,细度模数2.8，快速砂浆棒法膨胀率为0.04%，亚甲蓝值MB为0.5g/kg，石粉含量为7.0%，单级最大压碎值指标15%，级配良好符合Ⅱ区中砂。其余参数符合《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650）6.3.1条中对细集料技术要求的规定。

粗集料选用广元市利州区下田垭石材厂生产经掺配合成的级配为5-31.5mm的碎石，母岩石灰岩、岩石抗压强度为120Mpa、非碱活性骨料、吸水率为0.5%、压碎指标值15.5%；其余参数符合《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650）6.4.1条中对细集料技术要求的规定。

4. 减水剂

减水剂选用贵州天威建材科技有限责任公司生产的高性能减水剂（TW-HJS-3缓凝型），其性能与胶凝材料适应性良好，减水率27%、硫酸钠含量1.4%、总碱量3.08%；其余参数符合《混凝土外加剂》（GB 8076）中对高性能减水剂技术要求的规定。

（二）配合比设计及验证

大体积混凝土在进行配合比设计时，应按照降低水化热温升的原则进行，在保证混凝土强度、和易性及坍落度要求的前提下，宜采取改善粗集料级配、提高掺合料和粗集料含量、降低水胶比等措施，减少单方混凝土胶凝材料中的水泥用量。

1.配合比设计技术条件

（1）设计坍落度：160-200mm，经时损失不大于20mm/小时；

（2）拌合用水量不宜大于170kg/m3，最大水胶比限值不超过0.45;

（3）试配强度：60d≥34.5(Mpa)，粉煤灰掺量不宜大于胶凝材料用量的50%；

（4）混凝土中游离氯离子含量≤0.06%；总碱含量一般桥涵不大于3.0kg/m3，特大桥和重要桥梁宜不大于2.1kg/m3；

2.配合比设计及验证

分别按照以《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T 3650）对钢筋混凝土中矿物掺合料的一般规定，考虑最不利环境类别和作用等级，水胶比＞0.4时取粉煤灰掺量为20%和《普通混凝土配合比设计规程》对钢筋混凝土中矿物掺合料的最大掺量水胶比＞0.4时取粉煤灰掺量为35%两种方案确定混凝土基准配合比。经试拌主要参数如下表（未阐述水胶比增加和减少的配合比数据）：

表1：基准配合比主要参数

表2：工作性能和强度结果

表3 混凝土中总碱含量、总氯离子含量计算

根据试验数据分析，上述A1、A2大体积混凝土配合比各项参数满足设计要求，按照大体积混凝土降低水化热温升的原则，施工中优先选择粉煤灰掺量为35%的A2配合比作为基准配合比。

（三）水化热分析

按照《大体积混凝土施工标准》（GB 50496-2018）混凝土绝热升温计算公式计算：

式中:T(t)-混凝土龄期为t时的绝热温升(℃);

W-每立方米混凝土的胶凝材料用量(kg/m3);

C-混凝土的比热容，可取0.92-1.00[kJ/ (kg.℃)];

ρ-混凝土的质量密度，可取2400-2500(kgym)；

t-混凝土龄期(d)；

m-与水泥品种、用量和入模温度等有关的单方胶凝材料对应系数。

按照该公式计算，编号A2配合比计算的水泥水化热绝热温升最高达到41℃，未超过规范要求50℃。混凝土浇筑后的温度与水泥的水化热升温、混凝土的浇筑温度和浇筑进度、外界气温、表面保护、管冷布置等多种因素有关。其计算结果的准确性除了选择恰当的计算方法以外，还依赖于材质参数的正确选取，因此还需对现场实际的温度进行监测分析。

四、大体积混凝土配合比的施工应用

（一）现场混凝土工作性能

以塔子坡西河特大桥右幅6#承台施工为例，混凝土运输距离为6.2公里。混凝土出机坍落度为190mm、扩展度为450mm、含气量为3.4%；现场实测坍落度为195mm、扩展度为500mm。较出机测试结果有所增大，充分证明了该混凝土的流动性较好。泵送过程顺利，泵压稳定，具有良好的流动性和包裹性。硬化后混凝土力学性能参数（表4）满足设计和规范要求。

表4 C30大体积混凝土力学性能检测

（二）混凝土养护与温度监测

1.成型后质量控制措施

混凝土浇筑前，在冷却水管中预先注满冷却水。初凝后，及时启动水冷却系统。通过调节进水流量及水温，控制进水温度与混凝土最高温度之差，温差不大于20℃；出水温度与进水温度之差宜小于

10℃；降温速率不宜大于2℃/d。在水冷却过程中，加强混凝土的保温保湿养护。当混凝土最高温度与表层温度之差不大于15℃时可暂停水冷却作业；当温差大于25℃时，要重新启动水冷却系统。水冷却降温结束后，及时用水泥浆对冷却水管进行压浆封堵并将伸出承台部分截断。

浇筑完成后及时进行二次收面并覆盖清洁塑料膜洒水养护。在保温养护过程中，按照专项施工方案对混凝土浇筑体的里表温差和降温速率进行现场监测，当实测结果不满足温控指标的要求时，应及时调整保温养护措施。专人负责保温养护工作，同时做好测试记录；保湿养护的持续时间不得少于 14d，经常检查塑料薄膜的完整情况，保持混凝土表面湿润。

大体积混凝土要采取保温保湿养护。在混凝土浇筑完毕后，除要按普通混凝土进行常规养护外，保温养护要符合下列规定：

（1）要专人负责保温养护工作，并要进行测试记录；

（2）保湿养护持续时间不宜少于14d，要经常检查塑料薄膜或养护剂涂层的完整情况，并要保持混凝土表面湿润；

（3）保温覆盖层拆除要分层逐步进行，当混凝土表面温度与环境最大温差小于20℃时，可全部拆除。

（4）大体积混凝土拆模后，地下结构要及时回填土；地上结构不宜长期暴露在自然环境中。

2.温度监测结果

通过现场预埋测温元件进行温度监测分析，第三天中心温度达到峰值46.7℃，表面温度达到33.6℃，内表温度差值13.1℃。停止冷却水管循环后每间隔4h进行温度监测，未出现温度异常，覆膜养生14d后表面未出现收缩裂缝。

五、大体积混凝土的施工应用总结

（一）技术方面

通过上述介绍的配合比设计思路，在水灰比、砂率相同的条件下，最大限度的掺入粉煤用量，提高混凝土的流动性；确保硬化后混凝土力学性能和工作性能满足施工要求的同时能适当减少用水量和总胶材用量，还能大幅减少了水泥的用量、降低了水泥水化热绝热温升，很好的控制了承台的内外温差；在外观质量方面，采用A2混凝土配合比施工的混凝土工作性能优良，在混凝土的浇筑过程中，混凝土输送泵泵压稳定、未出现堵管卡顿现象、扩展度较大减轻了生产工人的劳动强度；成型后实体表面光洁，未出现色差和蜂窝麻面现象。

（二）经济效益方面

本项目所在位置交通便捷，周边优质粉煤灰资源丰富，目前市场上Ⅱ级粉煤灰的价格远低于水泥的价格。从经济性分析，水泥和粉煤灰价格相差250元/吨左右。以单方总胶材350kg/m3为例计算，粉煤灰提高15%，每方混凝土节约成本约13.1元。

结束语：

大体积混凝土在浇筑初期水泥凝结硬化产生大量的水化热，内部温度迅速升高，体积膨胀，在凝结后表面就会产生开裂；但在混凝土硬化后期冷却收缩时，产生拉应力就会使内部产生裂缝，影响混凝土的耐久性。因此在保证混凝土强度、和易性及坍落度要求的前提下，选用优质的粉煤作为掺合料并适当提高其用量，减少单方混凝土胶凝材料中的水泥用量是控制绝热温升的有效途径之一。掺加粉煤灰等矿物掺合料的混凝土标准养护28d后强度仍有较大的增长，因此其强度按照60d取值是合理的。

参考文献：

[1]普通混凝土配合比设计规程JGJ 55-2011中国建筑工业出版社，北京：2011

[2]公路桥涵施工技术规范JTG/T 3650-2020人民交通出版社股份有限公司，2020.7

[3]大体积混凝土施工标准GB 50496-2018中国建筑工业出版社北京：2018