大体积混凝土配合比设计

王愉康，陈 才

(中交隧道局第二工程有限公司，陕西 西安 710100)

0 引 言

新建108国道禹门口黄河公路大桥线路的总体走向为由东向西，起点位于山西省运城市河津市超限检测站南侧，终点位于陕西省渭南市韩城市龙门镇上峪口超限检测站西侧，全长4.45 km，双向六车道标准。新建禹门口黄河大桥主桥全长1 660.4 m，分为山西侧东引桥、横跨黄河主桥、陕西侧西引桥3部分。其中山西侧东引桥形式为2×(3×40)m+1×(4×42.5)m 装配式预应力混凝土组合箱梁桥，横跨黄河主桥为(245+565+245)m三跨双塔双索面钢-混结合梁斜拉桥，陕西侧西引桥为(50+85+50)m双幅预应力混凝土变截面转体连续箱梁桥。主桥11#索塔单桩直径为2.0 m，桩长65 m，共60根；12#索塔单桩直径为2.0 m，桩长58 m，共50根。11#、12#采用群桩基础，承台为整体式矩形承台，11#承台尺寸为49 m×29 m×6 m，承台浇注量为8 526 m3；12#承台尺寸为49 m×24 m×6 m，承台混凝土浇注量为7 056 m3，均为C40大体积混凝土。大体积混凝土由低热硅酸盐水泥、优质粉煤灰、磨细矿渣粉、细骨料、粗骨料、高减水率、长缓凝型外加剂和水等组成，依据所选用原材料的各项工作性能和对混凝土的各项性能要求，通过大量理论计算、试配制、微调整等方法，摸索出各种材料的最佳组成比例，以此拌制出既经济实惠又符合质量要求的混凝土。

1 大体积混凝土配合比设计

1.1 大体积混凝土概念

混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1 m的大体量混凝土,或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土，被称为大体积混凝土[1-4]。

1.2 大体积混凝土配合比设计原则

(1)混凝土的用水量与总胶凝材料之比不应大于0.55，且总用水量不应大于175 kg·m-3。

(2)在保证混凝土各项工作性能满足规范要求的前提下，砂率最好在38%～42%之间，尽量提高每方混凝土中的粗集料占比。

(3)在保证混凝土各项工作性能满足规范要求的前提下，应该减少总胶凝材料中的水泥用量，提高粉煤灰、磨细矿渣粉等矿物掺合料的掺入量[5]。

(4)在试配与调整大体积混凝土配合比时，控制混凝土绝热温升不大于50 ℃。

(5)大体积混凝土配合比设计应满足专项施工方案制定情况下对混凝土凝结时间的要求[6]。

1.3 大体积混凝土配合比设计思路

(1)配合比设计应严格按照《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—1011)对大体积混凝土的各项要求进行设计和试配[7]。

(2)大体积混凝土配合比不宜采用28 d抗压强度作为评定标准，应采用60 d或90 d的抗压强度作为设计、评定及验收的依据。

(3)宜选用低掺量、低水化热的水泥来避免因水泥水化热过高而引起混凝土内外温差过大产生的细小裂缝。

(4)控制好混凝土配合比中总胶凝材料用量，通过加入大掺量矿物掺合料来降低大体积混凝土强度增长过程中的放热峰值。

1.4 原材料的选择

1.4.1 水泥

大体积混凝土所用水泥宜采用中、低热硅酸盐水泥或者低热矿渣硅酸盐水泥[8]，如果采用普通硅酸盐水泥时，宜掺加矿物掺合料例如粉煤灰和矿渣粉等。由于禹门口黄河大桥处于陕西和山西交界处，地理位置较偏，附近区域没有生产中、低热硅酸盐水泥和低热矿渣硅酸盐水泥的厂家，所以采用山西龙门五色石建材有限公司生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，经过试验检测，其物理性能如下：密度为3.04 g·cm-3，比表面积为332 m2·kg-1，标准稠度用水量为27.4%；初凝时间为220 min，终凝时间为301 min；雷氏夹法测定安定性合格；3 d抗折、抗压强度分别为5.3、25.4 MPa；28 d抗折、抗压强度分别为8.2、45.4 MPa。

1.4.2 粉煤灰

通过粉煤灰超量或等量取代的方法来降低大体积混凝土中水泥的用量，不仅可以大大降低混凝土整体水化热，增加大体积混凝土施工的和易性，而且能够大幅度提高混凝土密实度和耐久性[9]。本项目采用河津市龙辉建材有限公司生产的F类Ⅰ级粉煤灰，经过检测，其性能如下：细度(0.045 mm方孔筛通过百分率)为6%；烧失量为0.14%；需水量比为94%。

1.4.3 磨细矿渣粉

磨细矿渣粉作为大体积混凝土中的矿物掺合料，不仅可超量或等量替代水泥，改善混凝土胶凝材料体系中的颗粒级配，增加大体积混凝土施工过程中的和易性，还可以延长水泥水化热产生时间，推迟大体积混凝土凝结时间，降低其早期过程水化热[10-11]。本项目选用西安德龙粉体工程有限公司生产的S95级磨细矿渣粉。经过试验检测，其物理性能如下：比表面积为428 m2·kg-1；烧失量为1.4%；需水量比为98.1%；7 d活性指数为78%。

1.4.4 集料

集料是混凝土的骨架，直接关系到混凝土的质量。级配较好的集料不仅可以有效提高混凝土的抗压、抗弯拉等强度，提高混凝土的各项工作性能，减少混凝土早期成型过程中的干燥收缩、徐变、细小裂纹等不利影响，还可以大大提高混凝土的耐久性。对于细集料，规范规定一级公路大体积混凝土用细集料宜采用中砂，含泥量不应大于3.0%。本项目选用临潼区新丰镇春光砂场生产的Ⅱ区中砂。其技术指标如下：细度模数为2.77；表观密度为2 592 kg·m-3；堆积密度为1 600 kg·m-3；含泥量为1.6%；泥块含量为0.4%。对于粗集料，规范规定一级公路大体积混凝土用粗集料宜为连续级配，最大公称粒径不宜小于31.5 mm，含泥量不应大于1.0%。本项目选用河津石佳石场生产的5～31.5 mm连续级配碎石，其技术指标如下：表观密度为2 718 kg·m-3；堆积密度为1 610 kg·m-3；含泥量为0.6%；泥块含量为0.2%；压碎值为1..3%；针片状颗粒含量为5.4%。

1.4.5 外加剂

缓凝型聚羧酸高性能减水剂能有效延缓混凝土水化热的释放，降低及推迟混凝土水化热的放热最高值，使混凝土水化热释放过程更加平缓，避免混凝土最中心部位温度上升过快导致内部与外部温差增大从而产生微观裂缝，引起混凝土耐久性降低[12-13]。本项目选用山西黄河新型化工有限公司生产的 HJSX-A(缓凝型)聚羧酸高性能减水剂，经过试验检测，其各项工作性能如下：减水率为28.0%；7 d抗压强度比为146%；28 d抗压强度比为135%；泌水率比为17%；含气量为2.6%；28 d收缩率比为103%。

1.5 大体积混凝土配合比设计及混凝土试验

1.5.1 配合比的试配

首先根据试验规程、规范和设计文件要求对大体积混凝土用各种原材料进行自检和委外检测，各项指标均合格后依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)、《混凝土泵送施工技术规程》(JGJ/T 10—2011)的有关规定进行大体积混凝土配合比设计。设计混凝土坍落度为160～200 mm，混凝土表观密度为2 400 kg·m-3，计算配制强度为48.2 MPa，依据施工经验水灰比选择为0.35。根据设计规程，依据外加剂减水率确定单位用水量为150 kg·m-3，得出总胶凝材料用量为429 kg·m-3，选取矿物掺合料总量占胶凝材料总和为37%，分别得出水泥、粉煤灰、矿渣粉掺入量，选取砂率为41%，从而计算得出粗、细集料用量。依据试验规程进行配合比试拌及比对，结果如表1所示。

表1 混凝土配合比及主要性能

1.5.2 确定配合比

依据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T 50080—2016)和《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)的有关规定对新拌混凝土的各项工作性能进行检测。经多次试配优选，确定采用编号为c的配合比，其水胶比为0.35，1 m3混凝土用水量为150 kg，砂率为41%，水泥、粉煤灰、矿渣粉、细集料、粗集料、水、外加剂的比例为270∶100∶59∶747∶1 074∶150∶4.29。经检测该混凝土配合比初始坍落度为190 mm，1 h后坍落度为185 mm，混凝土初凝时间为960 min，终凝时间为1 110 min，28 d抗压弹性模量达到设计规范要求(3.25×104N·mm-2)的118.5%，60 d抗压弹性模量达到设计规范要求的134.0%，表观密度实测值为2 410 kg·m-3，与计算值之差的绝对值未超过计算值的2%，依据《普通混凝土配合比设计规程》(JGJ 55—2011)规定配合比可维持不变。经检验该混凝土的工作性符合规范及施工设计要求，可以用于本项目施工中。

承台混凝土强度等级为C40，各项实测参数见表2～5。

表2 11#承台混凝土配合比 kg·m-3

表3 混凝土劈裂抗拉强度参考值 MPa

表4 混凝土物理热学参数

2 施工注意事项

2.1 匀质性施工

混凝土工程施工前要提前做好统筹规划，本项目11#承台计划共分3层浇筑，每层分7小层布料，每小层厚约30 cm，由2台50 m长泵车按先两边后中间的顺序浇注，配置10套振捣棒按布料顺序成行式前进，避免混凝土出现过振或漏振现象；保证振动棒垂直插入混凝土面且快速插入慢慢拔起，以此避免在凝土坍落度较小时留下振捣小坑；要求振捣时间最少为20 s但不超过30 s，插入下层混凝土约5～10 cm，确保下层混凝土初凝前再次振捣，以此保证混凝土内部气泡及时排出达到密实状态。

表5 大体积混凝土温控标准

2.2 浇注混凝土的温度控制

本项目浇筑承台处于冬季施工期间，混凝土浇注温度控制是重中之重，为了确保入模温度达到规范要求，采取具体措施如下。

(1)必须使用遮阳防雨棚里的粗细集料且堆放高度必须符合规范要求，严禁使用户外临时堆放的材料，确保骨料含水率稳定、材质均匀。

(2)胶凝材料采取适当的保温措施，不得与60 ℃以上的热水接触。

(3)减少混凝土在运输和浇注过程中的温度变化，加快运输和浇注速度。

(4)混凝土运输罐车必须包裹帆布且施工前用热水洗罐1次。

(5)安排专人定岗、定时检测各种原材料温度并登记台帐，保证混凝土出机温度符合规范要求，浇注前根据环境温度和各种原材料温度计算运输过程和施工过程中的温度损耗情况。

2.3 混凝土养护

养护包括湿度和温度两个方面，施工期间气温较低，应注重结构的保温。

2.4 内外温差控制

聘请第三方专业温控单位根据现场施工工艺、大体积混凝土配合比以及各种原材料各项参数等指标，利用专用软件建立模型仿真演算预测温度应力、应力场随时间的变化，从而准确布置多层次大流通量循环冷却水管来降底混凝土内部温度，确保内外部温差不大于25 ℃，避免细小裂缝的产生。

3 结 语

(1)在胶材总量确定的情况下，尽量减小水泥用量，考虑加大矿物掺合料的掺量，提高混凝土性能。

(2)选择适宜的水胶比，控制混凝土最大用水量。

(3)在符合规范的情况下，掺加较大比例的高品质粉煤灰和磨细矿渣粉，掺加较低掺量的缓凝型高性能减水剂，以降低大体积混凝土中水泥用量和用水量，达到高密实度混凝土各项性能，从而使混凝土抗压强度、弹性模量、耐久性等得到提升。

(4)大体积混凝土以60 d强度作为控制指标，进一步减少水泥用量，降低水化热。

(5)适当延长混凝土缓凝时间以推迟并削弱温峰。

参考文献：

[1] 王为玉,张 强,杨 进.湛江海湾大桥正桥设计[J].广东公路交通，2004(S2):1-5.

[2] 张红华.武汉市梅家山立交跨京广铁路转体立交桥设计[J].交通科技，2016(2):38-40.

[3] 陈 欣,吴 梅.大体积混凝土裂缝及控制[J].四川水泥，2015(1):142.

[4] 冯宗敏.采用双掺技术高性能混凝土配合比优化设计[D].淮南:安徽理工大学,2017.

[5] 周 浩.南昌某银行工程高性能混凝土配合比设计研究[D].南昌: 南昌大学,2014.

[6] 范德均.建筑工程大体积混凝土裂缝控制与应用[D].重庆：重庆大学,2006.

[7] 李祖忠.建筑大体积混凝土施工技术之浅见[J].建筑工程技术与设计，2014(24):28.

[8] 吴华君.大体积混凝土结构裂缝控制措施研究——以义乌国际会展中心展馆为例[D].杭州: 浙江工业大学,2011.

[9] 林春升.C45自密实高性能混凝土的配制研究[J].广东建材,2006(1):13-14.

[10] 申帅凯,张利方.高层建筑大体积混凝土施工技术的探讨[J].卷宗,2017(3):150.

[11] 王英男.大体积混凝土裂缝控制[J].建材与装饰,2017(22):28-29.

[12] 丁淑苹.对建筑工程中大体积混凝土施工技术的探讨[J].建筑工程技术与设计,2015(18):112-113.

[13] 滕鹏远.桥用C60高性能混凝土性能研究及工程应用[D].重庆:重庆交通大学,2007.