掺合料在大体积混凝土中应用浅析

2018-07-04李丽琴

福建交通科技 2018年3期

■李丽琴

（福建新路达交通建设监理有限公司，南平 353000）

1 引言

大体积混凝土在道路工程建设中，常见用于桥梁工程承台部位中，随着交通事业的日益发展，机械化程度不断提升，施工技术趋于完善，大体积混凝土的施工控制已不再是难题，施工质量水平卓越提升，但裂缝病害仍普遍存在。多年来，针对大体积混凝土的研究方向主要有：（1）大体积混凝土施工技术和参数方面[2-3]，（2）大体积混凝土配合比设计及应用方面[4]，（3）大体积混凝土材料应用[5]，针对大体积混凝土的收缩、绝热温升指标研究较少提及。然而收缩和温升又是造成混凝土开裂的主要因素，因此有必要作为配合比设计结果的控制指标。

2 大体积混凝土裂缝产生原因分析

由于大体积混凝土体量大，水泥的水化效应产生温度变化以及自身体积变化，造成裂缝，因此温度应力和收缩是施工阶段产生裂缝的主要原因[1]：

（1）水泥水化：混凝土在浇筑初期升温阶段，水泥产生大量水化热，随着龄期的延长而增长，最高温度一般产生在混凝土浇筑后3～4d。由于混凝土内部散热系数小，导致内部温度急剧上升，形成了内外温度梯度，导致内约束，内部产生压力，面层产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉应力时，混凝土产生裂缝。

（2）混凝土的收缩：混凝土的收缩是在空气中凝结时体积减小的现象，在凝结初期主要是水泥在凝固结硬过程中的体积变化引起的自收缩，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。收缩裂缝是由于混凝土水灰比较大，外界环境温度较高，混凝土表面水份蒸发得不到充分补充，在受到外力的情况下产生裂缝，内部水份蒸发加快，裂缝扩展加速。

3 常见的裂缝控制措施

3.1 配合比设计控制措施

在配合比设计过程中，通过添加掺合料、缓凝型外加剂，降低水泥用量、提高混凝土密实性、改善混凝土工作性能以及延缓凝结时间，一定程度上降低水化效应，减小水化热，同时也降低了混凝土开裂可能性。

3.2 施工工艺控制措施

根据原材料、配合比、环境条件、施工方案和施工工艺等因素，对大体积混凝土进行温控和监测。施工过程中，控制入模坍落度，采用整体式水平分层连续浇筑。控制温差梯度是关键，依据施工技术方案降低混凝土入模温度，按照“内降外保”的原则，在混凝土浇筑层中采取设置冷却水管通循环水冷却，对外部采取覆盖蓄热或蓄水保温等措施进行。浇筑后对混凝土立即采取有效保温措施并按规定进行覆盖养护，降低混凝土内外温差，防止表面裂缝产生。

4 配合比设计及性能指标分析

本文结合南平某高速公路傍溪大桥承台配合比设计进行分析，该桥起点桩号K19+704，终点桩号K20+266，桥梁全长562m，分左右两幅桥。5#、6#墩采用矩形整体式承台，长 12.5m，宽12.45m，承台厚 4m，混凝土设计强度等级为C30。从掺合料对混凝收缩、温升指标方面进行优化，阐述了大体积混凝土原材料的选择和配合比设计原则，并通过室内试验，对在不同掺量掺合料下，混凝土的强度、收缩和绝热温升变化情况进行对比分析，得出合理的掺合料掺量，供今后类似工程配合比设计参考。

4.1 配合比设计原则

大体积混凝土配合比的设计除应符合设计强度等级、耐久性、抗渗性、体积稳定性等要求外，尚应符合大体积混凝土施工工艺特性的要求，并应满足合理使用材料、降低混凝土绝热温升值的原则，主要有[6]：

（1）水泥：宜选用低水化热和凝结时间长的水泥品种。

（2）集料：粗集料宜选用连续级配，细集料宜采用中砂，控制含泥量，砂率宜为38%～42%。

（3）外加剂：宜选用有缓凝功能的减水剂，拌合物泌水量宜小于10L/m3。

（4）掺合料：粉煤灰、矿渣粉等，采用单掺、双掺以及多掺等方式。掺合料的总量不宜大于混凝土中胶凝材料用量的 50%[6]。

表1 水泥检测结果

配合比设计时，在保证混凝土强度、和易性等工作性能的前提下，采取改善集料级配，提高粗集料、掺合料用量，降低水胶比等措施，实现降低水泥的用量目标，且水胶比不宜大于0.55，所配制的混凝土拌合物的入模坍落度不宜低于160mm，拌和用水量不宜大于175kg/m3。

4.2 原材料试验结果及配合比情况

本文研究对象为选定配合比中，在不同掺量掺合料下，混凝土的强度、收缩和温升指标变化情况，成型试件所使用的原材料和配合比情况详见表1～表6。

表2 粉煤灰检测结果

表3 粗集料检测结果

表4 细集料检测结果

表5 外加剂检测结果

表6 C30混凝土配合比

4.3 强度、收缩和绝热温升指标变化情况

（1）强度

从图1可见，不同粉煤类掺量的混凝土早期强度增幅差异较大，掺量小的混凝土比大掺量混凝土早期强度增长快，随着龄期的延长，这种差异逐渐变小，60d后强度增长差异不显著，且表现出混凝土强度随着掺量的增加而有所提高。这是因为稳定而惰性的粉煤灰对水泥具有稀释效应，减缓了水泥水化结晶过程，造成掺量越大，强度增长愈缓；水泥与水产生水化反应，生成氢氧化钙，粉煤灰再与氢氧化钙发生二次反应，生成以水化硅酸钙和水化铝酸钙为主的产物，但这个是较为缓慢的反应过程，前期粉煤灰只起到填充及改善拌合物性能的作用，提高混凝土的致密性，随着龄期的增长，后期粉煤灰表面产生大量的水化硅酸钙和水化铝酸钙的纤维晶体，具有较强的粘结力，有效地改善混凝土的性能，提高了力学强度，因此粉煤灰掺量大的混凝土后期强度较高。

图1 混凝土强度

（2）收缩

混凝土干缩变形是因存在毛细孔中的游离水蒸发而使孔中水面下降，曲率增大，孔内负压而引起的体积收缩。由于粉煤灰的微集料效应和火山灰反应生成大量CS-H凝胶，填充了混凝土中毛细孔，提高混凝土的致密性，一定程度上减小和补偿了因孔隙失水而产生的干缩。从图2可以看出三种掺量混凝土均在7～14d收缩值显著增加，90d后逐渐缓慢。粉煤灰掺量为40%的混凝土14d后较另两个掺量的体积收缩小。相对而言选用粉煤灰掺量大混凝土能够明显减小干缩。

图2 混凝土干缩

（3）绝热温升

混凝土绝热温升主要是由水泥的水化热效应产生的，由水泥用量等因素决定，温升速度能够反映出混凝土中所用胶凝材料的水化程度。通过控制和降低绝热温升，使其内部最高温度不大于75℃、并使混凝土内外温差控制在25℃以内，能够大大减小大体积混凝土内胀外缩的应力，减小和避免混凝土开裂的可能性。从图3可见当粉煤灰掺量越高，温升水平越低，这是因为粉煤类掺量加大时水泥与水的比例减小，改善了胶凝材料的水化环境，促进提高水化程度，减少放热量，因此掺量高的混凝土温升水平低于掺量较低的混凝土。

通过室内试验室分析掺合料对大体积混凝土的强度、收缩、温升的影响，可以得到以下结论：

（1）通过提高掺合料掺量，能够有效减小和避免大体积混凝土开裂的可能性，尤其掺量达到40%时效果显著，但应结合工程实际情况和相关标准规定，通过试验确定掺量上限。

（2）掺加掺合料的混凝土在质量评定时，如工期允许情况下，采取60d或90d强度结果进行评定，更能符合工程实体质量情况。

（3）在混凝土配合比设计过程中，应参考混凝土的绝热温升、收缩的指标，选定混凝土配合比结果。