高速公路桥梁承台大体积混凝土配合比设计与温控防裂研究

毕进安

摘要 为进一步探究大体积混凝土施工质量的提升路径，文章以某高速公路工程中的某桥梁承台结构施工为研究案例，结合该工程对混凝土的实际要求，对该次需要的C40混凝土配合比进行优化，使其综合性能处于较优水平；结合实际情况设置温控措施，确保温控防裂目标得以实现。最后对该次研究取得的效果进行分析，结果显示，通过应用优化后的配合比和温控防裂措施，混凝土裂缝问题得到有效解决。

关键词 高速公路；桥梁承台；大体积混凝土；防裂

中图分类号 TU755文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）03-0045-03

0 引言

承台是高速公路桥梁工程中的重要组成部分，如何保证其力学性能符合要求是施工领域重点关注的内容。考虑大体积混凝土因其自身理化性质而存在的特殊性，因此仍需要结合工程实际，对大体积混凝土的配合比重新进行优化设计，并进一步研究其温控防裂措施，以确保承台部分的工程质量。

1 工程概况

某高速公路桥梁工程全长为400 m，跨径布置为4×30 m+5×30 m+4×30 m，桥面宽度约为16 m，设计最高通行时速为100 km/h。由于该桥梁工程所在区域地形相对较为复杂，因此为提升对该桥梁的支撑能力，针对桥梁主墩采用圆端矩形承台设计模式，承台则分为两级布置，其中一级承台平面外轮廓尺寸为67.5 m×35.75 m，厚度为7 m；二级承台（塔座）地面平面尺寸设计为46 m×18 m，厚度则为2.5 m，拟采用大体积混凝土施工模式进行作业[1-2]。

2 混凝土配合比设计与优化

2.1 不同配合比的基本力学性能分析

结合该项目中的承台部分设计手册要求，确定该次使用的强度为C40的大体积混凝土需满足以下几方面的技术要求：①混凝土坍落度在160～200 mm，扩展度为420～480 mm，且不应出现泌水和离析等问题；②混凝土28 d抗压强度不可低于48.2 MPa；③混凝土最终绝热温升值需控制在45 ℃以下；④混凝土28 d碳化深度需控制在5 mm以下。

基于上述技术要求，参考已有经验及相关文献资料后，对混凝土进行配合比优化设计实验。该环节共设计4个实验组合，分别标记为A0、A1、A2和A3，其中各个实验组合的砂、碎石用量保持不变，水胶比均控制为0.35，由此对其他指标进行调整，得到四种实验组合下的配合比如表1所示。

基于上述几个实验组合进行少量混凝土的配制，而后对不同实验组合下的混凝土基本性能进行分析，得到的分析结果分别如图1和图2所示。

根据图1和图2可知，在上述四个实验组合中，所制备的混凝土在基本力学性能上均符合技术要求。

2.2 不同胶凝材料体系下的水化热分析

为分析混凝土制备中采用不同胶凝材料体系对于混凝土水化热的影响，在该环节中，在确定采用P0425水泥的前提下，对胶凝材料体系进行调整，分别设定如下三个体系：一是采用100%水泥，不添加其他材料，该体系标记为S1；二是将水泥比例调整为55%，其余材料为27%粉煤灰和18%矿渣粉，记作S2；三是控制水泥比例55%不变，其余材料为27%粉煤灰和18%矿渣粉，并另加1%的缓凝型聚羧酸减水剂，该体系记作S3。由此，使用C80微量热仪对水化热进行测定，并对三个胶凝材料体系下的水化热变化情况进行汇总分析，得到结果如表2所示。

根据表2中的数据变化趋势可知，在上述三个体系中，S2和S3的水化热显著低于S1，同时在S2和S3中，最大水化放热速率出现时间存在一定的差异，当添加1%的缓凝型聚羧酸减水剂后，S3体系下的水化热在48 h内均未见显著增长，证明应用缓凝型聚羧酸减水剂对于控制水化热较有作用。同时，由于S2和S3两个实验组在7 d后的水化热放热量基本相同，因此可以认为，引入缓凝型聚羧酸减水剂并不会因为缓凝时间长而影响水泥的力学性能[3-4]。

2.3 绝热温升实验分析

在确定章节2.1中的四个实验组合在基本力学性能上均满足需求后，对其做进一步分析，结果显示，由于A3实验组在初凝时间方面偏长，达到2 000 min以上，显著高于其他组，在实际应用中较受限制，因此在该环节的绝热温升实验分析中，仅分析A0、A1和A2三个实验组。使用测试设备对三个实验组制备的混凝土试样进行7 d绝热温升测定后发现，在该次分析的三个实验组合中，绝热温升与时间的函数关系基本趋同，未见显著差异，在7 d的分析时间内，A0组绝热温升为44.95 ℃，A1组为43 ℃，A2组为41.6 ℃。从变化趋势来看，各组的绝热温升变化均可用以下特征予以描述：绝热温升这项指标经历了“相对稳定—快速上升—相对稳定”的变化过程，相对而言，混凝土绝热温升的快速上升期是温控工作应当重点关注的时间段。

2.4 耐久性实验分析

通过前期分析论证可知，该施工区域客观环境对于钢筋混凝土结构存在一定的锈蚀作用，主要表现为水渗透和碳化而引起混凝土结构的破坏。对此，研究人员在耐久性实验分析中，重点对不同实验组的混凝土电通量与碳化深度进行分析，得到测试结果如表3所示。

根据表3中数据对比分析可知，随着养护龄期的增加，各组混凝土样品在电通量上均逐步降低，且在56 d后的电通量已处于较低水平，符合设计要求。相对而言，上述三个实验组在电通量方面存在一定差异，从A0到A2，其电通量缓慢减小，由此可知，当水胶比固定不变时，适当降低胶材用量对于提升混凝土内部的致密性作用更明显。另外，从碳化深度这项指标来看，上述三個实验组的碳化深度均在5 mm的临界值以下，均符合实际要求，但相对而言，A2组的碳化深度最低，在耐久性方面也更具优势。

2.5 掺杂辅助材料的影响分析

在确定上述A2实验组合中的配合比作为该次承台C40混凝土的配合比后，其基本力学性能已经满足实际需要。但由于大体积混凝土在理化性质上的特殊性，加之该次承台施工作业的混凝土浇筑为分层浇筑，因此仍可能存在因混凝土表面浮浆过厚而引起后期收缩不一致的情况，一旦这种情况发生，则混凝土开裂问题仍然难以避免。对此，参考相关文献资料后，研究人员决定在A2配合比的基础上，按照0.9 kg/m3的比例添加聚丙烯纤维材料进行优化，由此得到实验组A4，并对两个组别的主要指标进行重复测试。结果显示，在掺入聚丙烯纤维材料后，基本力学指标未见显著差异，电通量和碳化深度值进一步降低，同时抗拉强度显著提升，这表明掺入聚丙烯纤维有助于提升混凝土抗裂性能，降低出现开裂的概率。

3 混凝土温控措施设计

3.1 理论模拟

为避免大体积混凝土因自身传热等因素影响而出现裂缝，研究人员在确定混凝土配合比后，进一步研究混凝土温控措施。结合混凝土配合比，查阅相关设计手册后确定该C40混凝土比热为0.990 26 kJ/（kg·℃），导热系数为9.23 kJ/（mh·℃），密度为2 443.3 kg/m?。由此，根据混凝土热源函数对绝热温升θ值进行求解，其公式如下：

式中，W——水泥用量（kg）；C——混凝土比热；ρ——混凝土密度；F——混合料用量（kg）；Q（t）——水泥水化热；k——折减系数，该次取值为0.25。代入上述已知数据后，即可求得该次应用的C40混凝土的绝热温升为49.851 6 ℃。

3.2 温控措施设计

在确定需对混凝土內外温差进行控制后，进一步查阅相关文献资料，最终确定采用布置冷却水管的方式进行温控。结合该承台设计尺寸，确定冷却水管采用直径50 mm，壁厚2.5 mm的钢管，按照蛇形布置，各层冷却水管水平间距控制为1 m，竖向间距控制为1 m（布置1～4层时）和1.4 m（布置4层以上）。

为防止过多的浮浆在模板周边聚集，在混凝土浇筑时采取了从四周向中心布料的方式。在整个布料过程中，始终保持承台周边混凝土的高度稍高。为了确保混凝土均匀分布，特别加强了边角处的振捣工作。这样做的目的是防止胶凝材料浆体在流动过程中发生过长距离的流动并堆积在承台四周，从而产生较大的温度应力和收缩应力，通过这种方式能够降低混凝土侧面和边角发生开裂的风险。同时在分层浇筑过程中，将单层浇筑的厚度均控制在40 cm左右，控制浇筑厚度尽量缩短层间间隔时间，避免出现收缩裂缝。另外在浇筑过程中，为确保混凝土浇筑的均匀性，施工部门在浇筑过程中使用直径为φ40 mm规格的振动棒进行振捣。振捣器插入混凝土材料的间距控制为20 cm，每次振捣时间则控制为30 s[5]。

3.3 温控效果分析

在该次混凝土施工环节完成后，为检验温控效果的有效性，使用红外测温装置对两层承台混凝土分别进行测温，得到测温结果如表4所示。

根据表4中的测温结果变化情况可知，在两层承台混凝土浇筑完成后，其均在第50～100 h时间段内出现混凝土温度的峰值，但相对而言，内表温差均处于较低水平，维持在10 ℃左右的范围内，有助于规避裂缝的产生。

4 应用效果测试

在该次施工作业全部完成后，为检验混凝土配合比研究及温控技术措施的效果，研究人员对大体积混凝土裂缝问题进行监测，以分析技术应用效果。通过对裂缝进行监测，得到裂缝监测结果如图3所示。

根据图3中的裂缝监测结果知，在监测周期内，该大体积混凝土裂缝问题得到了有效控制，裂缝最大值也被抑制在0.2 mm以下，处于允许范围之内，这也证明了该次混凝土配合比合乎要求，温控技术措施基本取得预期效果。

5 结束语

从实际测试结果来看，通过应用上述两方面的措施，该大体积混凝土未出现显著的裂缝问题，裂缝最大值处于允许范围内，表明该次针对混凝土配合比优化和混凝土温控防裂两方面的研究取得一定进展，相关经验可予以总结，并在后续的类似工程项目中做进一步的推广与应用。

参考文献

[1]杨志学， 张林艳， 王立伟. 大体积混凝土温度智能控制技术及防护措施研究[J]. 技术与市场， 2023（9）： 100-103.

[2]刘华东. 高寒地区转体斜拉桥承台大体积混凝土温控研究[J]. 黑龙江交通科技， 2023（9）： 126-128.

[3]周雨. 中山大桥承台大体积混凝土控裂技术研究[J]. 现代交通技术， 2023（4）： 68-73.

[4]白小伟. 大体积混凝土承台温控仿真及智能控制技术探讨[J]. 交通世界， 2023（24）： 118-120.

[5]何江伟. 百合郁江特大桥承台大体积混凝土温度裂缝研究[J]. 铁道运营技术， 2023（3）： 38-41.