董勝勇，彭正中

（1.四川廣綿高速公路有限責(zé)任公司，成都 610041；2.中鐵五局集團(tuán)有限公司，長沙 410117）

大體積混凝土在工程建設(shè)中被廣泛采用且占有重要地位，根據(jù)最新JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》，其定義為：體積較大的，可能由膠凝材料水化引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致有害裂縫的結(jié)構(gòu)混凝土。大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有不同于一般混凝土結(jié)構(gòu)的典型特征，具有絕熱溫升高、內(nèi)外溫差大、表面抗裂性低和澆筑時(shí)間長等特點(diǎn)，在施工中需要采取許多措施來解決以上問題，最大限度減少混凝土開裂。

1 工程概況

嘉陵江特大橋位于四川省廣元市昭化區(qū)紅巖鎮(zhèn)，是G5京昆高速廣元至綿陽段擴(kuò)容工程的控制性工程，全橋長度1549 m，分幅設(shè)計(jì)。主橋采用（95 m+180 m+95 m）的連續(xù)剛構(gòu)混凝土梁，引橋采用50、48.5、25 m簡支T梁；其中該橋主墩2號(hào)墩、3號(hào)墩樁基采用9根Φ2.5 m的鉆孔灌注樁，承臺(tái)尺寸為：16.5 m×16.5 m×5.0 m（長×寬×高），采用C30混凝土一次性澆筑，每個(gè)承臺(tái)混凝土方量1361.25 m3，2號(hào)墩、3號(hào)墩左右幅承臺(tái)混凝土總方量為5445 m3。主墩承臺(tái)體積較大，設(shè)計(jì)采用冷卻水管或低水化熱水泥施工，減少水化熱，防止混凝土開裂。

2 大體積混凝土主要問題及常用的解決方法

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，溫度變化對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形具有重要影響，有時(shí)溫度應(yīng)力大大超過其他外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，大體積混凝土結(jié)構(gòu)除涉及一般的強(qiáng)度問題外，更重要的是控制好溫度應(yīng)力避免產(chǎn)生裂紋。通常采用以下3個(gè)方面解決大體積混凝土溫度應(yīng)力控制問題：一是優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)（低、中熱的水泥品種，高減水緩凝的外加劑，科學(xué)使用礦物摻合料）；二是施工工藝控制（控制混凝土入模溫度，預(yù)埋冷卻水管，分層澆筑，采用保溫技術(shù)控制溫度及應(yīng)力監(jiān)測(cè)）；三是相變儲(chǔ)能（相變體系，膨潤土+癸酸相變集料，酸類相變微膠囊材料）。

3 嘉陵江大橋主墩大體積混凝土施工采用的主要方法

G5京昆高速廣元至綿陽段擴(kuò)容工程嘉陵江特大橋主墩承臺(tái)大體積混凝土施工主要采用的方式是：一是通過優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，控制混凝土的絕熱溫升；二是采用預(yù)防性措施，在承臺(tái)部分設(shè)置冷卻水管，防止承臺(tái)內(nèi)部與表面的溫差過大；三是夜間實(shí)行基坑覆蓋，控制混凝土表面與大氣溫差不超過20℃。

3.1 混凝土配合比優(yōu)化

3.1.1 優(yōu)化前配合比存在的主要問題

按照J(rèn)TG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》6.13.2條規(guī)定：對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度控制時(shí)，應(yīng)使其內(nèi)部最高溫度不高于75℃。優(yōu)化前配合比按照GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》混凝土絕熱溫升計(jì)算公式計(jì)算，初始配合比計(jì)算的水泥水化熱絕熱溫升最高將達(dá)到74℃，可能會(huì)因混凝土中膠凝材料水化熱引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生。采用優(yōu)化前的配合比需要安裝冷卻管，存在冷卻管安裝難、需要措施鋼筋較多及冷卻管水循環(huán)及灌漿需要耗費(fèi)人力且效果不好不宜灌滿。按照常規(guī)方法進(jìn)行原配合比設(shè)計(jì)見表1、表2。

表1 原配合比設(shè)計(jì) kg

表2 工作性能和強(qiáng)度表 kg

3.1.2 新配合比設(shè)計(jì)理論及成果

優(yōu)化配合比以控制絕熱溫升、降溫速率為目標(biāo)，主要研究方向?yàn)轶w積混凝土超長初凝時(shí)間的設(shè)計(jì)方法、低水泥用量的配合比設(shè)計(jì)方法及澆筑工藝工法應(yīng)用。根據(jù)人工集料（機(jī)制砂）特點(diǎn)，基于集料密實(shí)堆積原理、富漿理念及額定粉體材料用量，提出了額定粉體材料用量的密實(shí)骨架堆積設(shè)計(jì)方法[1]、高摻礦物摻合料膠凝體系的優(yōu)化設(shè)計(jì)和充分分散水泥顆粒，提高膠結(jié)性能，降低水泥和礦物摻合料用量，降低升溫、降低收縮。主要體現(xiàn)人工集料表面多棱角、多孔等特點(diǎn)需要充足的填充粉體材料，最大幅度減少膠凝材料用量、延長初凝時(shí)間，抑制水化熱升溫，兼顧了力學(xué)和耐久性能。

根據(jù)該理論，優(yōu)化后的配合比見表3、表4。

表3 設(shè)計(jì)與優(yōu)化配合比對(duì)比表 kg

表4 工作性能與強(qiáng)度對(duì)比表

3.2 其他措施

為確保整體的施工質(zhì)量，防止出現(xiàn)意外情況，在承臺(tái)中心設(shè)置一排冷卻水管，水管間距為1 m，同時(shí)設(shè)置了3層溫度監(jiān)控點(diǎn)，檢測(cè)承臺(tái)中心點(diǎn)、承臺(tái)邊的溫度，確保中心點(diǎn)溫度與承臺(tái)邊溫度不超過25℃。具體如圖1、圖2所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 冷卻管布置圖

4 有限元模擬分析

4.1 混凝土熱源數(shù)據(jù)計(jì)算

按照GB 50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》附錄B混凝土絕熱溫升計(jì)算公式計(jì)算。

1）配合比優(yōu)化前最大絕熱溫升

式中:T（t）指混凝土齡期為t時(shí)的絕熱溫升，℃；W為每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3，這里取382kg/m3；Q0為水泥水化熱總量，這里取461 kJ/kg；k為不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)，粉煤灰總量/膠凝材料總量=0.3，查GB 50496—2018表B.1.3取0.93；Q為膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；C為混凝土的比熱容，可取0.92～1.00 kJ/（kg·℃），這里取0.92 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土的質(zhì)量密度，可取2400～2500 kg/m3，這里取2400 kg/m3。

2）配合比優(yōu)化后最大絕熱溫升

式中:T（t）是混凝土齡期為t時(shí)的絕熱溫升，℃；W為每立方米混凝土的膠凝材料用量，kg/m3，這里取360kg/m3；Q0為水泥水化熱總量，這里取461 kJ/kg；k為不同摻量摻合料水化熱調(diào)整系數(shù)，粉煤灰總量/膠凝材料總量=0.39，查GB 50496—2018表B.1.3取0.83；Q為膠凝材料水化熱總量，kJ/kg；C為混凝土的比熱容，可取0.92～1.00kJ/（kg·℃），這里取0.92 kJ/（kg·℃）；ρ為混凝土的質(zhì)量密度，可取2400～2500kg/m3，這里取2400kg/m3。

4.2 不同混凝土配合比下的承臺(tái)分析數(shù)據(jù)對(duì)比

通過有限元模擬分析，可以對(duì)冷卻水管管徑、通水流量和冷卻管布置形式進(jìn)行優(yōu)化，在Midas FEA NX軟件中輸入不同配合比的混凝土絕熱溫升數(shù)據(jù)，通過有限元分析，發(fā)現(xiàn)承臺(tái)在澆筑完成75h后內(nèi)部溫度達(dá)到最高。

1）圖3（a）為無冷卻管承臺(tái)混凝土澆筑75 h后溫度場(chǎng)云圖，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度達(dá)到80.5℃，表面溫度在45.2℃左右，內(nèi)外最大溫差35.3℃，不滿足JTG/T 3650—2020《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》6.13.2中“內(nèi)部最高溫度不高于75℃”及“混凝土澆筑體里表溫差不宜大于25℃”的要求。

2）圖3（b）為無冷卻管承臺(tái)混凝土澆筑過程中承臺(tái)表面應(yīng)力云圖，最大拉應(yīng)力2.87 MPa，超過了混凝土容許應(yīng)力值。

圖3 無冷卻水管承臺(tái)溫度、應(yīng)力云圖

3）圖4（a）為布置冷卻水管后承臺(tái)混凝土澆筑75 h后溫度場(chǎng)云圖，承臺(tái)內(nèi)部最高溫度達(dá)到55.8℃，而表面溫度在34.9℃左右，內(nèi)外最大溫差20.9℃，滿足規(guī)范要求。

4）圖4（b）為布置冷卻管承臺(tái)混凝土澆筑過程中承臺(tái)表面應(yīng)力云圖，最大拉應(yīng)力0.54 MPa，超過了混凝土容許應(yīng)力值。

圖4 布置冷卻水管后承臺(tái)溫度、應(yīng)力云圖

5 現(xiàn)場(chǎng)綜合應(yīng)用情況

5.1 優(yōu)化后混凝土工作性能

拌合站出站時(shí)坍落度為230 mm，現(xiàn)場(chǎng)坍落度為230 mm，塌落度幾乎不存在損失，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的擴(kuò)展度為600 mm，較試驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果增大了70 mm，充分證明了該混凝土的流動(dòng)性較好。

5.2 養(yǎng)護(hù)工藝及溫度測(cè)試記錄

澆筑后及時(shí)進(jìn)行二次收面并進(jìn)行土工布覆蓋、人工澆水養(yǎng)護(hù)，進(jìn)行測(cè)溫記錄。溫度記錄顯示，第3天中心溫度達(dá)到最大值58.1℃。與規(guī)范要求的中心控制溫度75℃降低了16.9℃，比優(yōu)化前計(jì)算的絕熱溫升溫度低了7.9℃。實(shí)際證明該配合比能滿足規(guī)范要求的溫升要求。

5.3 施工后混凝土強(qiáng)度

進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)制作混凝土試件預(yù)壓，強(qiáng)度見表5。

表5 混凝土試件預(yù)壓強(qiáng)度 MPa

6 效益情況

6.1 技術(shù)方面

通過對(duì)配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了水泥用量，減少了水泥的水化熱，降低了中心點(diǎn)的溫度，很好地控制了承臺(tái)的內(nèi)外溫差；適當(dāng)提升粉煤灰的參量，提高混凝土的流動(dòng)性；適當(dāng)增加減水劑含量，減少了水灰比，確保了混凝土的整體強(qiáng)度。在外觀質(zhì)量方面，采用優(yōu)化配合比施工的混凝土實(shí)體質(zhì)量外觀與之前對(duì)比有較大的改進(jìn)。由于該混凝土的工作性能優(yōu)良，在混凝土的澆筑過程中，混凝土輸送泵未出現(xiàn)堵管現(xiàn)象；工人搗固只需要在混凝土的四周進(jìn)行稍微振搗就可以達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，減輕生產(chǎn)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中僅4人配合振搗找平。

6.2 經(jīng)濟(jì)效益方面

費(fèi)用節(jié)省主要包括原材料的節(jié)省，冷卻水管的材料和加工費(fèi)用的節(jié)省。其中每立方混凝土材料節(jié)省費(fèi)用見表6，可知每立方節(jié)省材料費(fèi)14.34元。

表6 每立方混凝土材料節(jié)省費(fèi)用

冷卻水管節(jié)省費(fèi)用共節(jié)約26247元，制作加工費(fèi)節(jié)約1488.9元。嘉陵江大橋4個(gè)承臺(tái)節(jié)省的總費(fèi)用見表7，可知平均每立方混凝土節(jié)約成本10元。

表7 經(jīng)濟(jì)分析表

7 結(jié)論

①優(yōu)化后的配合比可以滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求。②優(yōu)化后的配合比降低了水化熱，滿足大體積承臺(tái)的中心溫度不超過75℃的要求，溫度降低明顯，有利于控制溫度裂紋的產(chǎn)生。③大體積混凝土承臺(tái)設(shè)有冷卻水管可以有效降低承臺(tái)內(nèi)部溫度，減少承臺(tái)里表溫差，降低混凝土表面拉應(yīng)力。④優(yōu)化后的配合比能降低原材料消耗，有效降低項(xiàng)目部材料消耗成本。每立方混凝土原材料能節(jié)約14.34元。⑤推薦進(jìn)行配合比優(yōu)化的條件為：單個(gè)配合比工程數(shù)量≥50000/m3混凝土原材料節(jié)約。本橋的大體積混凝土總數(shù)量為5445m3滿足按照該條件≥3500m3的要求。⑥項(xiàng)目部總節(jié)省費(fèi)用為14.34×（n-3500），n表示該配合對(duì)應(yīng)的工程數(shù)量（如在大體積混凝土中設(shè)置冷卻管需加入冷卻管的材料和加工費(fèi)用）。