大桥主塔承台大体积混凝土配合比设计与施工

贾 文 斌

(山西路杰工程咨询有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

大体积混凝土是指混凝土结构物中实体最小边尺寸不小于1 m，如特大桥承台或锚碇，高层建筑基础，大坝及其他重力底座结构物体所用的混凝土。这些结构物都是依靠结构物形状、质量和强度来承受荷载的，但在体积厚大的混凝土施工中水泥水化出的热量无法及时散失，特别是大体积混凝土中心位置，热量无法及时传导到混凝土表层或底层，只能集聚在混凝土中心，从而导致中心部位的温度迅速上升。而表层的混凝土因为存在与空气的交换，其温度会比内部低很多。根据热胀冷缩的原理，形成了大体积混凝土的内部应力；并且温差越大应力越大。当应力超过了混凝土的抗拉强度时，便产生了温差裂缝。因此为了避免温差裂缝的产生，必须采取切实可行的方案。

1 大桥主塔承台工程概况

大桥主塔承台为H型两侧分别为顺桥向长18.5 m，横桥向宽13.4 m,高4.5 m中间设置截面为25 m×7 m×4.5 m系梁。混凝土方量约为3 020 m3，为了进一步提高混凝土抗裂、抗弯拉、耐久性等性能，设计文件中明确规定每立方米混凝土掺1 kg PVA。混凝土强度等级为C40。在桥梁工程的承台施工中，该承台已属少见的大体积混凝土构件。

2 大桥主塔承台混凝土设计选材

由于承台混凝土设计强度是C40混凝土，目前国标中唯一低热微膨胀32.5水泥无法满足试配强度要求。因此选用运输距离短，质量稳定，强度富余系数高的中材安徽水泥有限公司生产的P.O42.5普通硅酸盐水泥。粉煤灰掺合料选用巢湖商贸公司供应的具有降低水化热、提高混凝土和易性、强度、改善水泥与外加剂之间的适应、减少需水量等特点的优质Ⅰ级粉煤灰。细集料选用巢湖产的细度模数在2.9左右的2类河砂。粗集料选用巢湖产的粒径良好，5 mm～10 mm,10 mm～37.5 mm 2类石灰岩级配碎石。外加剂选用安徽省银石建材有限责任公司生产的具有减水率高，坍损小、碱含量低并且与P.O42.5水泥适应性强的XF-A聚羧酸减水剂。江西同晟实业有限公司生产的12 mm聚丙烯腈纤维(PVA)具有良好的分散性，能够抑制水泥混凝土在固化前的塑性收缩裂缝。

3 大桥主塔承台混凝土配合比设计与施工的两种方案

一般桥梁承台水泥混凝土标号为C30，水泥用量在300 kg/m3～350 kg/m3就可以满足物理力学性能要求。而此大桥主塔承台混凝土强度为C40，并采用泵送施工。为此需提高胶凝材料用量增大水胶比才能满足混凝土强度及泵送施工要求，但由此混凝土内部水化热温度升高应在50 ℃以上。通常情况下混凝土内外温差超过25 ℃时，便可产生温差裂缝，为控制温差裂缝我们经试验研究和工程实践，提出如下两种混凝土配合比设计和施工方案。

3.1 方案一

综合考虑在满足施工工艺要求及混凝土配合比设计强度富余系数的前期下C40混凝土配合比设计见表1。

表1 C40混凝土配合比设计

经试配最终确定试验室配合比为水泥：368 kg/m3,砂：705 kg/m3，碎石：1 102 kg/m3,水：170 kg/m3,粉煤灰：55 kg/m3,高性能减水剂：6.9 kg/m3，PVA纤维：1.0 kg/m3。

为了有效降低水泥混凝土水化热，在承台钢筋间布设直径60 mm上下两层间距为1.5 m的循环冷却水管。在施工过程中起泵进行冷却水循环直至施工结束后水温检测符合要求后停泵。从以往大体积混凝土施工效果来看较为理想，但布设冷却水管不仅给施工带来麻烦，而且也增加了混凝土内循环水养护及以后管内压浆等额外的工作。同时增加了工程成本。

3.2 方案二

据有关资料及已建成类似较大体积混凝土工程的成功经验，在方案一的混凝土配合比中加入8%的微膨胀剂。其膨胀性能有补偿混凝土收缩的作用，混凝土配合比设计见表2。

表2 C40混凝土配合比设计

经试配最终确定试验室配合比为水泥：368 kg/m3,砂：705 kg/m3，碎石：1 102 kg/m3,水：170 kg/m3,粉煤灰：55 kg/m3,高性能减水剂：6.9 kg/m3，微膨胀剂：33.8 kg/m3,PVA纤维：1.0 kg/m3。

由此配制微膨胀混凝土，拌水后形成大量的膨胀性结晶水化物——钙矾石(CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)而产生适度膨胀。在约束条件下，其膨胀性能转化为0.2 MPa～0.5 MPa的预应力储存于结构中，此压应力可抵消混凝土干缩和冷缩引起的拉应力，从而弥补了混凝土收缩开裂的缺陷。现将该方案的理论依据简单列示如下：当混凝土最终变形εσ-εL-εW

补偿收缩时，混凝土限制膨胀率应为:

εσ=εL+εW-εe。

混凝土的绝热温升为：Tmax=M×Qi/(c×ρ)。

水泥熟料矿物组成及单矿物水化热见表3。

表3 P.S.A水泥熟料矿物组成及单矿物水化热

28 d水化热为：

Q28=377×0.5+105×0.2+

1 378×0.07+494×0.13=370 kJ/kg。

该承台C40大体积混凝土若采用42.5的低热微膨胀水泥配制，承台的配筋率为2.1%，施工气温为20 ℃～30 ℃时：

混凝土绝热温升最高值：

Tmax=(368×70%×370)÷(2 400×0.92)=43.2 ℃。

承台为上表面一维散热，散热系数取0.9。混凝土内部温升为：T1=0.9×43.2=38.9 ℃。

环境气温为20 ℃～30 ℃，取平均温差T2=(30-20)÷2=5.0 ℃。

承台混凝土的最大冷绝值(α取1.0×10-5)。

εL=α(T1+T2)=1.0×10-5×(38.9+5)=4.39×10-4。

计算承台混凝土限制膨胀率εσ。

承台混凝土的干缩率εW取1.0×10-4，配筋率取2.1%时，微膨胀混凝土的补偿收缩的弹性伸长率为：0.33εσ。

εσ=4.39×10-4+1.0×10-4-0.33εσ=4.05×10-4。

考虑混凝土的极限拉伸Sk(1.5×10-4～2.0×10-4)，承台微膨胀混凝土最终变形：

ε=4.05×10-4-5.4×10-4=-1.35×10-4。

因为1.35×10-4

该配合比设计方案所用材料均无需特殊制造，易于采购。同时根据理论及以往经验，效果较为理想，而且综合成本低，所以这套方案是行之有效的。

4 大桥主塔承台混凝土浇筑施工方案

承台混凝土浇筑采用斜面分层浇筑法施工，全面分为两层每层厚度2.5 m。斜面分层浇筑每层厚度400 mm±10 mm以不大于1∶6的斜面坡度向前推进，自然流淌循序推进的连续浇筑方式。在上层混凝土浇筑前，清除浇筑表面的浮浆、软弱混凝土层及松动的石子，并均匀露出粗骨料应用压力水冲洗混凝土表面的污物，充分湿润，但不得有水。

5 大桥主塔承台混凝土实际施工方案的选定

为确保工程质量万无一失，大桥承台混凝土施工采用了第一套方案。在混凝土浇筑前在承台内布设了温度传感器，待混凝土浇筑完毕后观测承台混凝土内部的温度变化情况，以便于采用有效的调节温度措施，为确保混凝土内外温差小于25 ℃，承台浇筑日期在2013年10月11日～11月12日，当时室外温度在20 ℃～30 ℃。混凝土浇筑48 h后混凝土温度峰值为53 ℃。在承台内布设的上下两层循环冷却水管的循环水降温作用下温度下降了16 ℃。所以混凝土内部温度为37 ℃。当环境温度下降在20 ℃时，混凝土内外温差为17 ℃,且小于25 ℃，所以混凝土没有开裂的危险。

6 结语

大桥主塔承台大体积混凝土施工取得了成功，混凝土无裂缝出现。尽管大桥主塔承台大体积混凝土施工采用的是第一套方案，但第二套方案也有不少优点，在前期混凝土配合比设计时就重点关注了混凝土由于水化反应产生的温差裂缝。混凝土配合比中掺了8%的微膨胀剂，其膨胀性能转化为预应力储存于结构中，此压应力可抵消混凝土干缩和冷缩引起的拉应力，从而弥补了混凝土收缩开裂的缺陷，再加上合理的养护措施可以将温度控制在一个合理的范围内，从而将避免混凝土开裂，保证工程质量，希望在以后类似的工程中能得到应用。