低水化热高性能混凝土在合江长江一桥拱座中的应用

杨照叔 刘海彬

摘要：大体积混凝土的水化热控制对于控制裂缝的产生极为重要。本文结合了合江长江一桥工程的施工情况，阐述了低水化热高性能混凝土的配合比设计，混凝土的施工及养护方法，以及混凝土裂缝控制情况，为其它大体积混凝土的施工提供借鉴。

关键词：低水化热高性能 大体积混凝土 水化热 裂缝控制

引言

混凝土裂缝的产生在所难免，裂缝的宽度超过一定范围则会导致内部钢筋锈蚀，降低混凝土的耐久性，从而减小结构的使用寿命。因此，对于混凝土的裂缝必须加以控制。大体积混凝土由于其强度形成过程中产生水化热，使其中心温度较高，而外表面与空气接触，散热较快，造成内外温差。混凝土外表面冷却收缩快，而内部收缩慢，从而极易产生裂缝。要控制混凝土的裂缝，必须从控制其水化热做起。降低混凝土水化热的普通方法为在其内部埋设冷却水管，通过循环水降低其中心温度。此方法需在混凝土内埋较多钢管，使用完后需将其压浆封闭。且在冷却管附近，混凝土温度较低，但远离冷却管的地方，混凝土温度仍较高，更易产生温差。要改善这个问题，必须从混凝土配合比本身入手，降低混凝土的发热量，从而控制其内外温差，达到预防裂缝产生的目的。

一、工程概况

合江长江一桥为泸渝高速公路的控制性工程。桥宽30.6m，全桥长841m，主桥为净跨500m的特大型钢管砼中承式拱桥。主桥两岸拱座均位于河岸上，每边拱座都为分离式双座，重庆岸拱座基础长37.94m，宽10m，拱座上部底宽10m，顶宽7m。宜宾岸拱座长24.34m，宽7m。基础不得超挖，混凝土浇筑时除临空面外不立模，使混凝土与岩体紧密结合。拱座基础及拱座内纵横和竖向均布置间距为50cm的Φ12钢筋。拱座用C30砼浇筑，浇筑时，预留一段C40混凝土，待拱圈合龙，封固拱铰座时浇筑。

图1 重庆岸拱座构造图（单位：cm）

二、低水化热高性能混凝土配合比设计

合江长江一桥拱座属于典型的大体积混凝土结构，必须采取措施防止混凝土中裂缝产生。首先，从混凝土的配合比着手。拱座的混凝土配合比按密实骨架堆积理论设计。

配合比设计原理为：密实骨架法以大量安定的集料为骨架，采用致密配合比技术，使粗细集料的堆积密度达到最大，从而使水泥混凝土的结构达到最密实的程度，在保证混凝土强度的同时最大程度的降低了水泥的用量。是通过寻求混凝土中的粗细集料的最大容重来寻找最小空隙率，通过曲线拟合得出骨料间的最佳比例。

配合比计算步骤：

（1） 确定粉煤灰填充砂的比例，α=Wf/（Wf+Ws）；

（2） 以α比例的细集料（含粉煤灰与砂）填塞石子，得最大堆积因子β=（Wf+Ws）/（Wf+Ws+ Wa）；

（3） 由此得出最大单位中为Uw（其中Wf、Ws、 Wa分别表示粉煤灰、砂、石子的单位质量）。

（4） 最大单位重中的石子重agg= Uw（1-β）；

（5） 最大单位重中的砂重sand= Uwβ（1-α）；

（6） 最大单位重中的粉煤灰重fly= Uwβα；

（7） 最小空隙率Vv=1-（fly/γf+sand/γs +agg/γa）；

（8） 混凝土中所需填塞和润滑的水泥浆量Vp=Vv+s×t=N×Vv（其中N为水泥浆量的放大倍数，s为骨材表面积，t为包裹于骨材表面的润浆厚度）；

（9） 骨料的用量Vagg=1-Vp。

合江长江一桥拱座所用材料为：安徽海螺P.O42.5水泥，细度模数大于2.3的宜宾中砂，5～31.5连续级配的碎石，贵州习水电厂Ⅱ级粉煤灰。按如上步骤，并参照《粉煤灰混凝土应用技术规范》GBJ146-90，按超量取代法用部分粉煤灰替代水泥。

粉煤灰的摻加比例，《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》JGJ28中规定粉煤灰取代水泥的最大限量为35%。而《粉煤灰混凝土应用技术规范》中则规定，对于中、低强度混凝土，泵送混凝土及大体积混凝土，使用普通硅酸盐水泥时，粉煤灰取代水泥的最大限量为40%。在四川雅西高速上，部分地区缺水，在桥梁大体积混凝土浇筑位置无法安装水冷却循环系统，使用了低水化热高性能混凝土，粉煤灰掺量达40%。结合雅西高速的应用实践，为最大限度的减小混凝土水化热，拱座混凝土配合比中粉煤灰替代水泥的量按最大限值取40%。最终配制出合江长江一桥拱座大体积混凝土的配合比为

混凝土的用水量大，则其收缩也大。为减小每方混凝土用水量并保证混凝土的工作性能，在混凝土中使用聚羧酸缓凝高效减水剂，其缓凝时间达到10小时以上，减水效率达到普通减水剂的2倍，从而使用水量最终为150Kg/m3。

配制出的混凝土坍落度为160～200mm，扩展度为540：590mm，工作性能极好，易于振捣，混凝土搅拌后发热量低。实测其试件的28天强度达到38.23MPa，满足要求。

三、混凝土的拌合及浇筑控制

拱座混凝土采用大型搅拌楼拌制，所有材料的用量，包括外加剂均采用电子称量系统准确称量。

拱座的混凝土对用水量较敏感，控制不准则其工作性能差异较大。而用水量的不确定性主要在于材料（主要的砂）含水量的变化。为控制砂的含水量，混凝土所用砂均用大棚遮盖，避免出现太阳暴晒，砂外表面较干，而堆积在内部的砂又较湿的情况。同时，又可避免砂温度太高，引起混凝土入模温度过高。且上料前先用装载机将砂搅拌均匀，使其含水量均匀。

为降低混凝土入模温度，对原材料采取降温措施：①将堆场石子连续浇水，使其温度自浇水前的56℃降至浇水后的29℃ ，且可预先吸足水分，减少混凝土坍落度损失；②在搅拌混凝土用的贮水池加棚覆盖，防止太阳直晒到拌合用水上，避免水温过高。

图2 原材料遮阳棚

由于采用低水化热高性能配合比，混凝土水化热低，因此施工中不采用常规的循环冷却水管，绑扎钢筋，安装模板后直接浇筑混凝土。

混凝土浇筑时用泵机连续泵送入模板内，分层厚度不超过30cm。由于混凝土浇筑面积较大，因此采用2台泵机多点分块浇筑，防止其中任一层混凝土由于浇筑时间过长，表面干燥，造成相邻层间混凝土连接的整体性差。混凝土用插入式振捣棒多点进行振捣，振捣时振捣棒快插慢拔，并连续插拔数次，将气泡充分排出，使混凝土达到密实。

为验证低水化热高性能配合比的有效性，拱座露出地面部分，首次混凝土浇筑时在混凝土内部埋设了热传感器，从混凝土浇筑完开始，每4个小时测一次混凝土温度。经过实测，混凝土的内外温差小于规范的28°C。

四、混凝土的养护

为减小混凝土的内外温差，拱座混凝土施工中采用延遲拆除侧模，并在混凝土顶面蓄水保温的方法对混凝土进行养护。具体做法为：

模板不仅有使混凝土成形，还有在一定程度上可保持混凝土表面温度的作用。混凝土浇筑时，不浇筑满模板，留出10cm以上的高度以便蓄水。混凝土浇筑完成后3天内为水化热最高的时间段。在此3天内侧模不拆除，防止混凝土表面散热造成表面混凝土温度降低，从而加大混凝土的内外温差。同时，当混凝土初凝以后，立即在混凝土顶面蓄满水，直至满模板顶面。当太阳温度较高时，由于水的比热较大，水层逐渐将该热量吸收，避免混凝土表面温度变化过快过高。而当太阳下山，气温降低时，由于水散热慢，水层又很好的将温度保持住。如此，可避免混凝土顶面温度变化较大，混凝土侧面的温度也得到了很好保持，不至于散热过快，造成混凝土内外温差过大而产生裂缝。

保留侧模养护3天后，拆除侧模，然后立即在混凝土表面及侧面覆盖土工布，洒水进行养护，保持混凝土表面湿润。采取此方法一直养护7天。

五、结论

低水化热高性能混凝土的应用，有效减小了混凝土的水化热，避免了合江长江一桥拱座混凝土产生收缩裂缝。拱座浇筑完成后，未出现有害裂缝，混凝土表面平整，外观良好。该案例为工程界提供了一种避免大体积混凝土开裂的新方法。其在桥梁大体积混凝土基础、墩台、锚碇等上有良好的应用前景，尤其在山区缺少水源作为循环冷却水的地方优势最明显，值得今后类似的工程上参考。

参考文献

[1] 四川省交通运输厅. 桥梁高性能混凝土制备与应用技术指南. 北京：人民交通出版社，2010.

[2] JGJ55-2000 普通混凝土配合比设计规程.

[3] JTJ041-2000 公路桥涵施工技术规范.

[4] GBJ146-90 粉煤灰混凝土应用技术规范.