低温升抗裂高性能混凝土的研究与应用

马龙，何伟杰，陈彬，桑锦明，马昊，涂家帅

(1.江苏省送变电有限公司， 江苏 南京 212400； 2.湖北大学材料科学与工程学院， 湖北 武汉 430062)

0 引言

近年来，江苏省送变电基础工程发展迅速，现有的4条500千伏北电南送线路负荷过大，调度运维压力大．为增强江苏电网跨江运送能力，需新建设一条跨越长江的送变电线路工程，这对苏北苏中地区能源送出，助力苏南电网安全稳定运行，具有重要意义．凤城-梅里长江大跨越线路从南至北分别连接了新桥镇和利港镇．此工程量巨大，两基跨越塔总重合计约13 000 t，填充混凝土合计约4 600 m3，灌注高度214 m．南北跨越塔灌注桩混凝土方量合计约16 300 m3,其中灌注桩单桩最长达65 m，为同类型工程之最．承台混凝土方量合计约8 500 m3,单个承台方量近1 000 m3．大结构砼具有较低的平均导热系数，其结构中心部位在水化中释放的热量无法短时间内传导到外部.此时内部温度相对外界较高，砼的各部位受热膨胀不均匀，一旦因温度上升引起的拉应力超过最大抗拉强度，就会在其中产生温度裂缝[1].因此，为减少胶凝材料体系的放热，本研究拟采用密实骨架堆积法设计基准配合比以减少胶凝材料用量，从而达到大体积砼低温升、抗裂的目的．

1 试验原材料

水泥：采用无锡龙銮早强型水泥，实测比表面积为359 m2/kg，28天强度达到55.7 MPa；

粉煤灰：盐城市中沁河环保科技公司I级灰，实测需水量比为91%，细度为4.7%(筛余)，密度为2 908 kg/m3；

矿粉：荆州市万山环保材料有限公司S95级，实测比表面积为419 m2/kg，流动度比为97.5%，7天活性指数为80%，28天活性指数为103%，密度为2 899 kg/m3；

砂：随州天然河沙砂，细度模数2.7～3.0，表观密度为2 635 kg/m3；

石：河南郑州4～26 mm连续级配碎石，压碎值≤15%，表观密度为2 645 kg/m3；

减水剂：河南郑州TJE-200和河南东晟化工HIHI-500聚羧酸减水剂.

2 低温升抗裂混凝土基准配合比设计

2.1 试验原理本研究通过采取密实骨架堆积法进行基准配合比设计[7]，力求在满足各项基本要求的前提下，尽可能地减少水泥及活性矿物的掺量，即使砼的强度满足相应工程要求，同时又达到砼低温升的效果，这是制备抗裂大体积砼最主要的两个条件．

采取此原理进行基准配合比设计时，首先不断地改变粉煤灰与砂的混合比例，记录并得到混合物在每立方米下的最大质量和混合比例；接着控制上述粉煤灰与砂的比例不变并将其与碎石混合，寻找出三者在每立方米下的最大质量，进一步根据相关公式可算出空隙率Vv及润滑浆量，最后为提高砼质量，还需根据实际情况确定水胶比[2].

2.2α、β、Uw、N的确定以及集料质量校正图1和图2为拟合的二次曲线图，其中图1横坐标为堆积系数α，纵坐标为堆积密度，进行计算可得，当α=14.9%时Uw最大为1 788.2 kg/m3.然后将确定好比例的粉煤灰与砂混合物填充石子可得到图2．图2横坐标为堆积系数β，同样计算可得当β=41.2%时Uw最大为2 187 kg/m3，即粉煤灰，砂，石子三者最大单位重为2 187 kg．α、β以及三者最大单位重新确定好后即可求得wf、ws、wa的数值．

图1 粉煤灰+砂密实填充曲线

图2 粉煤灰+砂+碎石密实填充曲线

水泥浆体不但要填补空隙还要起着润滑的作用，因此需要放大.放大倍数N值的确定一般与混凝土工作性有关，通常将其取为1.2，可使浆体具有较好的包裹性．则集料需做如下调整：

Ws1=Vagg/(1/γs+(1-β)/(γaβ(1-α))+α/(γf(1-α)))，

Wa1=(1-β)Ws1/(β(1-α))，

Wf1=αWs1/(1-α).

其中，wa、ws、wf分别为碎石、河砂、粉煤灰的质量；α、β分别为“粉煤灰+河砂”及“粉煤灰+河砂+碎石”的致密堆积系数；γa、γs、γf分别为碎石、河砂、粉煤灰的表观密度；N指水泥浆质量放大倍数；Ws1,Wa1,Wf1分别为调整后砂，粗骨料，粉煤灰的质量；Vagg指集料的总体积.

2.3 密实骨架基准配合比基础承台、立柱、连梁混凝土等级为C35，通过上述计算可确定其中碎石、河砂及粉煤灰的使用量，但在实际工程中还需对配合比做出各项调整才能满足相应工程要求，为增大混凝土强度，掺合料中又采用了部分矿粉，最后确定的基准配合比如下表1所示.

表1 C35抗裂高性能混凝基准配合比 kg/m3

3 性能研究及设计优化

对于大体积砼而言水泥用量太大，水化温升将过高，强度富余则过剩，故可在大体积砼中掺入适量的活性掺和料取代水泥，以降低水泥的使用量，达到低温升的效果．同时，还可以加入适宜的外加剂，使其改善大体积砼水化放热的现状，达到缓凝的效果，所以本研究会进一步探究外加剂对大体积砼的影响，并筛选出优质的外加剂，以保证大体积砼的力学性能和热学性能达到最优效果．

3.1 大体积混凝土胶凝材料体系优化根据基本原理得出的基准配合比不但要在强度上满足工程要求，还要能最大幅度的降低绝热温升，因此需要对各掺和料的使用比例进行设计，调整后的配合比如表2所示.

表2 大体积混凝土调整配合比 kg/m3

由表3中的砼物理性能试验结果可知，配合比1和5中水泥的用量较低，对应的28 d和60 d的强度数值相对其他组均较低，不满足本工程对砼富余强度的要求，在胶凝材料总量保持恒定时，随着其中水泥比例增加，砼的力学性能明显改善，这是因为水泥是砼早期强度的主要贡献者，当其用量较低时，砼的早期强度劣化明显，同时浆体体系中的Ca(OH)2含量也会大程度得降低，这会在一定程度上影响具有火山灰活性的矿物掺和料的二次水化进程，使得后期强度亦无法出现大幅提高[4].由表3数据可知，两种品牌的减水剂对砼力学性和工作性影响差别不大．

表3 混凝土的物理性能

由于胶凝材料总量一定的条件下，水泥掺量越低，则胶凝材料水化反应后的放热量愈低，在针对大体积砼配合比设计过程中，为尽可能降低高温开裂风险，在满足相关设计要求的条件下，应当尽可能降低水泥的用量，故出于各方面的综合考虑选择配合比3和7进行下一步外加剂的优化工作.

3.2 大体积混凝土外加剂优化对于大工程而言，由于其施工规模较大，每次浇筑总量较多，施工时间较长易出现冷缝，所以对砼的凝结时间有较为严格的要求．同时，对大体积砼来说，凝结时间也反映了其水化放热的速度，倘若大体积砼的散热性能较差，则容易在较短的时间内积聚较多的热量，开裂隐患较大，所以在制备流程中需重视砼的缓凝时间[5].

表4为改变外加剂的种类和外掺总量来研究其对大体积砼缓凝时间的影响，最后对外加剂进行优选．

表4 外加剂对混凝土缓凝时间的影响

由表4数据可知，随着HIHI-500和TJE-200两种减水剂掺量的增大，砼的凝结时间有较为明显的延长趋势，但是砼的强度呈现先增长后降低的趋势．这是因为聚羧酸减水剂中的官能团可发挥空间位阻和静电斥力的作用，可降低水泥的水化反应进程，因此，外加剂掺量需适中否则对砼强度劣化明显[6].

欲使砼的缓凝效果和强度同时合格，需选择合适的外加剂掺量.由数据可知，当TJE-200掺量为2%时，其7 d和28 d抗压强度分别为28.8 MPa和41.4 MPa，为同类型最大强度；当HIHI-500掺量为2.1%时，砼的7 d和28 d强度最大分别为29.4 MPa和41.6 MPa．保持两种减水剂掺量相同，可发现，TJE-200的凝结延时效果要优于HIHI-500，无论是初凝还是终凝时间都有较好的延长效果；比较TJE-200和HIHI-500的初终凝时间间隔发现，TJE-200的时间间隔在19～23 h左右，而HIHI-500在14～18 h左右，这说明TJE-200的缓凝效果更好.同时对比两种外加剂对砼的强度影响可知，影响差别很小，故为了改善放热特性，抑制温度应力，优选TJE-200在掺量为2%时为最佳掺量．

3.3 配合比确定及性能检验综合上述分析，在保证强度要求的前提下尽可能减少大体积砼放热的原则下，可最终确定C35低温升抗裂大体积混凝土配合比，如表5所示．

表5 C35低温升抗裂高性能混凝土配合比 kg/m3

表6为最终配合比所制得的砼早期抗裂性检验，参考《混凝土耐久性检验评定标准》.由试验结果可知低温升抗裂高性能混凝土的初裂时间明显较晚，裂缝最大宽度仅为0.55 mm，抗裂等级达到了最高Ⅴ级，具有优秀的抗裂性能．

表6 混凝土早期开裂试验结果

图3是在某路段应用本文中C35混凝土后实时测得温升数据，其中最高温度为41.8 ℃，最大内外温差为18.3 ℃，满足相应大体积混凝土施工规范．

图3 某路段大体积混凝土温度实测

4 工程应用

将优化后大体积混凝土配合比应用于江苏凤城-梅里500千伏线路工程跨越塔大体积承台混凝土施工中，如图4．已施工部位养护混凝土的温度数据监测显示，养护期间，该承台里表温差最大为21.5 ℃，满足温控要求．在经济效益方面，取消普遍采用的布设冷却水管通冷却水的温控措施，单基承台基础施工下节约近20万元(含冷却水循环系统、无线流量控制系统及人工等费用，如表7)．因此制备的低温升抗裂C35大体积混凝土，不仅满足要求，避免有害裂缝，而且对多部位同时施工能取得显著的经济效益．

图4 承台施工实况

表7 冷却水循环系统施工费用表