任 海

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430051）

橋梁大體積混凝土中摻加粉煤灰的應(yīng)用

任 海

（湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北武漢 430051）

對(duì)橋梁設(shè)計(jì)與施工時(shí)大體積混凝土中粉煤灰的摻入條件、摻入量以及注意問題進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合MIDAS civil軟件進(jìn)行了橋梁承臺(tái)水化熱的模擬計(jì)算。

粉煤灰；橋梁大體積混凝土；水化熱；MIDAS civil

1 粉煤灰在混凝土中應(yīng)用問題分析

人們?cè)诜勖夯一炷潦褂弥写嬖谝粋€(gè)誤區(qū)：粉煤灰代替水泥使用會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度。采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28 d抗壓強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這種看法。但在大體積混凝土中，水泥混凝土的水化熱較高，內(nèi)部溫度遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)溫度，采用實(shí)際溫度曲線控制養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度才可以正確反映大體積混凝土抗壓強(qiáng)度的實(shí)際情況。唐明教授等人根據(jù)實(shí)際溫度曲線對(duì)大體積粉煤灰混凝土做了強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明從強(qiáng)度上來說，大體積混凝土完全可以摻入適量的粉煤灰取代水泥，甚至更有優(yōu)勢(shì)。實(shí)驗(yàn)條件為：混凝土的抗壓強(qiáng)度等級(jí)C30，采用低熱礦渣425＃硅酸鹽水泥，基準(zhǔn)混凝土的配合比為水灰比0.39，砂率0.41，原始水泥用量400 kg，UEA摻量40 kg，取代水泥40 kg，；摻粉煤灰的混凝土粉煤灰摻量為60 kg，取代50 kg水泥，超量系數(shù)為1.2。由表1可知，大體積粉煤灰混凝土0～5 d初凝期內(nèi)混凝土強(qiáng)度上升較慢，但到6 d混凝土實(shí)際強(qiáng)度已經(jīng)高于基準(zhǔn)混凝土標(biāo)養(yǎng)下的強(qiáng)度21.8%。27 d的實(shí)際強(qiáng)度達(dá)到50.6 MPa，不僅比標(biāo)養(yǎng)粉煤灰混凝土強(qiáng)度高15 MPa，比基準(zhǔn)混凝土也要高5.5 MPa。

混凝土中摻入粉煤灰一方面可以減小水泥的用量，降低工程造價(jià)，同時(shí)另一方面還可以調(diào)節(jié)混凝土拌合物的和易性，增加可泵性。

摻入一定量的粉煤灰代替水泥可以有效減小大體積混凝土澆筑過程中產(chǎn)生的水化熱控制初期溫度裂縫的產(chǎn)生。

但粉煤灰混凝土的碳化性相比基準(zhǔn)混凝土?xí)蠓陆?。這是因?yàn)楦邠搅糠勖夯一炷恋臍溲趸}含量很少（粉煤灰中的活性成分與水泥熟化后產(chǎn)生的氫氧化鈣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，消耗了了大量的氫氧化鈣），大幅降低了混凝土的堿儲(chǔ)備，使堿濃度降低，碳化中和作用的過程縮短，最終導(dǎo)致混凝土碳化性能的降低。對(duì)于結(jié)構(gòu)混凝土而言，當(dāng)碳化發(fā)展到鋼筋表層時(shí)，鋼筋鈍化膜會(huì)受到破壞，最終導(dǎo)致鋼筋銹蝕，結(jié)構(gòu)被破壞?，F(xiàn)階段應(yīng)對(duì)粉煤灰混凝土的碳化加速措施，普遍使用在設(shè)計(jì)上適當(dāng)增加混凝土的保護(hù)層厚度；在施工上適當(dāng)增加石灰摻量，以增加混凝土的堿儲(chǔ)備；在材料上采用磨細(xì)粉煤灰，利用其減水、活性、微基料效應(yīng)的優(yōu)勢(shì)增大膠空比等手段。采用這三方面措施可以提高粉煤灰混凝土的抗碳化能力。但即使這樣，大摻量粉煤灰混凝土的抗碳化性能仍明顯低于普通混凝土。

所以，盡管摻入粉煤灰的混凝土在初期強(qiáng)度、極限拉伸值和抗碳化性能上要低于普通基準(zhǔn)混凝土，但基于其它諸多優(yōu)勢(shì)，橋梁工程中大體積混凝土基礎(chǔ)、承臺(tái)部分在滿足相關(guān)國(guó)家規(guī)范的前提下完全可以采用粉煤灰混凝土，不僅技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)效益也很明顯。但基于目前粉煤灰混凝土還沒有更好的抗碳化性能改善手段，公路橋梁的橋墩、主梁這類大體積結(jié)構(gòu)仍不宜采用粉煤灰混凝土。

2 摻入粉煤灰的承臺(tái)大體積混凝土水化熱計(jì)算分析

采用MIDAS civil2011空間有限元分析軟件對(duì)橋墩承臺(tái)做水化熱分析，從控制單位體積水泥含量這一因素出發(fā)分析粉煤灰部分替代水泥時(shí)，大體積混凝土承臺(tái)水化熱引起的溫度差及應(yīng)力變化。

研究對(duì)象為湖北省十堰至房縣高速公路馬蹄山1號(hào)大橋的主墩承臺(tái)，主墩承臺(tái)尺寸：16.5（m）× 10.5（m）×4.5（m），地基墊層尺寸：26.5（m）× 20.5（m）×3（m），使用材料及其熱特征值見表2。

表2 使用材料及其熱特征值

因是對(duì)稱體系，故取實(shí)際橋墩承臺(tái)尺寸的1／4做有限元模型，地基模擬建成具有比熱和熱傳導(dǎo)率等特性的結(jié)構(gòu)。有限元模型結(jié)構(gòu)共有1 808個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 332個(gè)單元。

水泥（含膠凝材料）的水化熱Q（t）是齡期t的函數(shù)，采用水泥水化熱的復(fù)合指數(shù)函數(shù)表示

式中：K為最大絕熱溫升；a為常量。

不同水泥用量及粉煤灰摻量根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的擬合參數(shù)見表3。

表3 不同水泥、粉煤灰用量下水化熱函數(shù)參數(shù)表

使用MIDAS civil2011三維實(shí)體分析軟件的水化熱分析功能得到在3種不同的水泥、粉煤灰用量模式下承臺(tái)的溫度效應(yīng)和應(yīng)力效應(yīng)，結(jié)果見圖1～圖6。

SY2：

圖1 溫度效應(yīng)

圖2 應(yīng)力效應(yīng)

SY1：

圖3 溫度效應(yīng)

圖4 應(yīng)力效應(yīng)

SY3：

圖5 溫度效應(yīng)

圖6 應(yīng)力效應(yīng)

在SY1模式下，當(dāng)水泥用量占比275 kg／m3，粉煤灰占比155 kg／m3，承臺(tái)內(nèi)節(jié)點(diǎn)（N2100）與外節(jié)點(diǎn)（N1780）的最大溫差在340 h處為28℃，承臺(tái)內(nèi)部最大應(yīng)力出現(xiàn)在300 h處為1.55 MPa。在SY2模式下，當(dāng)水泥用量占比300 kg／m3，粉煤灰用量占比114 kg／m3，承臺(tái)內(nèi)節(jié)點(diǎn)（N2100）與外節(jié)點(diǎn)（N1780）的最大溫差增大，在340 h處的溫差為32℃，承臺(tái)內(nèi)部最大應(yīng)力出現(xiàn)在300 h處為1.7 MPa。在SY3模式下，當(dāng)水泥用量占比325 kg／m3，粉煤灰用量占比76 kg／m3，承臺(tái)內(nèi)節(jié)點(diǎn)（N2100）與外節(jié)點(diǎn)（N1780）的最大溫差進(jìn)一步增大，在340 h處的溫差為35℃，承臺(tái)內(nèi)部最大應(yīng)力出現(xiàn)在300 h處為1.9 MPa。從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：采用水泥用量減少，粉煤灰摻量增多的做法能明顯減小大體積混凝土的內(nèi)部水化熱，降低內(nèi)外溫差，最終減小混凝土內(nèi)部應(yīng)力；相反，當(dāng)水泥用量增多，粉煤灰摻量減少則不利降低大體積混凝土的水化熱，需要采取其它有效措施降低混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，避免混凝土應(yīng)力過大導(dǎo)致裂縫。

［1］ 許振民.粉煤灰特性及其對(duì)混凝土性能的影響［J］.中小企業(yè)管理與科技，2012，（5）.

［2］ 唐明，宋東升，李連君大體積粉煤灰混凝土實(shí)際強(qiáng)度的評(píng)價(jià)研究［J］.混凝土，2001，（12）.

U445

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1008-3383（2017）01-0069-02

2016-08-15

任海（1974-），男，工程師，研究方向：公路、橋梁。