低溫升高性能抗裂大體積混凝土研究內容及工程應用

1、低溫升高性能抗裂大體積混凝土研究內容及工程應用一、大體積混凝土國內外研究進展國外自1930年以后，就注意到大體積混凝土的裂縫問題，并且意識到水泥水化熱引發(fā)的溫度應力是大體積混凝土產生裂縫的根本問題。1933年，美國在建造221m高的胡佛壩(Hoover)時，對大體積混凝土進行了全面的研究，提出并開發(fā)了多種技術措施，以后相繼又開發(fā)了多種技術，在實際施工中取得了良好的效果，其原理、方法至今仍然被廣泛地應用于各種大體積混凝土中?？偟膩碚f，大壩混凝土中水泥的用量已經從30年代的225kg/m3降到了現(xiàn)在的膠凝材料總用量160kg/m3左右(含摻和料)，其中最低的如利爾壩，膠凝材料總用量只有 118 k

2、g/m3 (水泥88 kg/m3，粉煤灰30 kg/m3)。美國在對水工大體積混凝土溫控防裂方面，在60年代初已經逐漸形成較定型的設計、施工模式，包括：（1）采用具有低水化熱的水泥，或一部分用活性摻合料來代替；（2）采用低水泥含量以減少總的發(fā)熱量；（3）限制澆筑層厚度和最短的澆筑間歇期；（4）采用人工冷卻混凝土組成材料的方法來降低混凝土的澆筑溫度；（5）采用預埋冷卻水管，通循環(huán)水來降低混凝土的水化熱溫升；（6）保護新澆混凝土的暴露面，加強養(yǎng)護保溫，以防止突然的降溫。日本土木學會混凝土規(guī)范的混凝土標準示方書中，對大體積混凝土做原則規(guī)定，要求采取措施控制溫度裂縫，根據(jù)混凝土一次澆灌量和裂縫控制要求

3、設置施工縫。它的土木設計資料要求對露天連續(xù)現(xiàn)澆混凝土的配筋，每米厚的鋼筋斷面大于5cm2，橫向間距小于300mm；同時要求混凝土的伸縮縫間不大于30m，施工縫間距9m。按日本經驗，伸縮縫處鋼筋斷開，以橡膠止水阻水；施工縫處鋼筋連續(xù)，仍然要設置橡膠止水帶防止?jié)B漏。國內大體積混凝土溫控防裂技術措施主要有：（1）水泥品種選擇和用量控制；（2）骨料的優(yōu)選；（3）控制混凝土出機溫度和澆筑溫度；（4）延緩混凝土的降溫速率；（5）預埋冷卻水管降低混凝土的水化熱溫升；（6）提高混凝土的極限拉伸值；（7）摻加外加料、改善邊界約束和構造設計、加強施工監(jiān)測工作、采取暫時解除約束等方法。二、課題組主要研究內容及研究方

4、法本課題組結合我國橋梁設施工程量巨大的背景，針對橋梁索塔和錨碇等部位大體積混凝土的質量控制難點，開發(fā)一種施工性能優(yōu)良、水化熱較低、具有梯度保護結構及自養(yǎng)護功能的高耐久性的大體積混凝土。研究成果為大跨度橋梁的施工建設提供有力的技術支持與保障。開展的試驗研究內容和方法如下：（1）低溫升高性能抗裂混凝土配合比優(yōu)化設計分析混凝土裂縫的產生與發(fā)展影響因素，建立混凝土澆筑過程中模架的彈性變形、混凝土凝結時間及強度發(fā)展之間的匹配關系；研究混凝土的自收縮、干燥收縮、溫度收縮、塑性收縮性能體積增穩(wěn)技術；研究水灰比、砂率、礦物摻合料種類和摻量對混凝土工作性能與物理力學性能的影響規(guī)律，提出抗裂混凝土配合比優(yōu)化設計方

5、法，制備出抗裂的高性能混凝土；（2）大體積混凝土的體積增穩(wěn)與增韌技術研究膠凝材料組成、骨料品種、外加劑品種、水膠比、砂率等因素對混凝土體積穩(wěn)定性與彈性模量的影響。研究纖維的品種、摻量、摻加方式對混凝土的體積增穩(wěn)效果，設計適用于大體積混凝土的級配纖維。優(yōu)選原材料、優(yōu)化設計配合比，確定大體積混凝土配合比關鍵參數(shù)。研究纖維、礦物摻合料、有機聚合物等材料對混凝土的增韌效果。開發(fā)適用于大體積混凝土的復合型增韌材料。（3）大體積混凝土的邊部增強與表面保護技術考察不同配合比混凝土的匹配性，研究其界面過渡區(qū)的特性。梯度大體積混凝土溫度應力場的ANSYS有限元模擬。優(yōu)選表面增強材料，研究增強材料的成膜性能及其對

6、混凝土的保護效果。（4）建立抗裂性能評價體系模擬施工現(xiàn)場，進行大體積混凝土澆筑的中間試驗。大體積混凝土溫度應力場的ANSYS有限元模擬。確定合理的參數(shù)，對其抗裂能力做出全面評估，建立抗裂性能評價體系。（5）低溫升高性能抗裂混凝土溫度監(jiān)測及其影響效應分析研究原材料、混凝土配合比、環(huán)境溫度、濕度、澆筑溫度和澆筑方式、結構尺寸等對混凝土溫度與應力的影響規(guī)律；模擬分析混凝土溫度場與溫度應力場，建立溫度開裂安全性評估體系；研究混凝土溫度控制技術，提出溫度控制措施與實施細則；（6）低溫升高性能抗裂混凝土裂縫控制與結構耐久性研究對混凝土結構裂縫的進行分形特征模擬，研究溫度場、濕度場、混凝土開裂性能的影響規(guī)律

7、；提出混凝土裂縫預防與控制技術；分析在役混凝土材料裂化原因，研究混凝土氯離子滲透系數(shù)和結構耐久性之間的內在關系，提出其壽命評估方法；（7）低溫升高性能抗裂混凝土澆筑施工質量控制技術提出適宜于大體積混凝土的養(yǎng)護工藝，研究其強度與脫模時間、張拉時間、灌漿時間的最優(yōu)匹配關系；研究大體積混凝土澆筑工藝與振搗工藝，提出大體積混凝土澆筑質量控制方法。（8）索塔混凝土的超高距離泵送技術研究各種潤滑材料對高強度等級混凝土粘度的影響效果?？疾鞊接袧櫥牧匣炷恋墓ぷ餍阅?。確定適用于高強度等級索塔混凝土的泵送施工工藝。摻有潤滑材料混凝土的超高距離泵送模擬試驗，確定潤滑材料的品種和摻量。三、大體積混凝土工程應用1嘉

8、紹大橋大橋主航道橋采用技術含量最高的6塔獨柱斜拉橋方案，主橋長2680米，寬55.6米，索塔數(shù)量、主橋長度規(guī)模位居世界第一。承臺混凝土7d劈裂抗拉強度為2.1MPa，28d劈裂抗拉強度為3.3MPa，均大于同齡期下混凝土溫度應力，且有較大安全系數(shù)。2大榭二橋大榭二橋為特大型跨海橋梁，承臺長38.22m、寬26.4m、厚5.0m。在未進行預埋冷卻水管施工的情況下，第一層（1.5m）混凝土最高溫度為34.6，最大內外溫差為18.5；第二層（3.5m）混凝土最高溫度為51.3，最大內外溫差為21.1。施工效果優(yōu)良，未見溫度裂縫的產生。3西藏通麥特大橋通麥特大橋為單塔單跨鋼桁架懸索橋，主跨256米，索

9、塔為門式構造,塔高59.5米，錨碇采用重力式錨。在取消冷卻水管的情況下，各部位混凝土的抗拉強度均大于同齡期降溫時產生的拉應力，具有較高的抗裂安全系數(shù)，施工質量良好，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。4東沙連通工程中北路跨楚河橋中北路跨楚河橋橋臺長約66.80m，寬約7.70m，高約3.20m。本工程綜合采用設置后澆段分塊澆筑以及配合比優(yōu)化設計減少水泥用量的方法，降低水化熱，達到取消冷卻水管，抑制橋臺混凝土結構溫度裂縫產生的目的。5東沙連通工程東一路跨楚河橋東一路跨楚河橋單個橋臺基礎采用6根2.5m鉆孔灌注樁，混凝土澆筑方量約為1929.84m3，混凝土的各齡期下的抗拉強度均大于混凝土內部因降溫不

10、均產生的拉應力，具有較高的抗裂安全系數(shù)，充分驗證了東一路跨楚河橋大體積混凝土取消冷卻水管的可行性。6合江一橋合江一橋拱座C30大體積混凝土，總方量為11000m3，28天強度38-41MPa，90天強度53-57MPa，新拌混凝土PH值12.4。C30大體積塔座混凝土實際溫升29；摻級粉煤灰C40承臺大體積混凝土絕熱溫升32，在未通冷卻水管的情況下，混凝土內外溫差均小于25。7合江二橋合江二橋采用預應力砼簡支T梁結構型式,大橋全長1976.00m，主橋寬29.50m,引橋寬27.50m，塔座實心段26.514.73m。一次性澆注,入模溫度為30，最高溫度為58.9，內外最大溫差19.7。8港珠

11、澳大橋港珠澳大橋承臺為六邊形，邊緣順橋向寬為12.2m，中心順橋向寬為12m，橫橋向寬16m，高5m，采用C45低溫升抗裂混凝土；帽梁C50低溫升抗裂混凝土，屬于海工大體積混凝土，一次性澆注,未產生溫度裂縫。9天興洲大橋中鐵十二局天興洲大橋標段橋墩承臺主要有三種尺寸類型，分別為：029-045、067-070墩承臺平面尺寸為21 m10.8m，高3.5 m，046-049承臺平面尺寸為21m11.6 m，高4 m，050061墩承臺平面尺寸為23.1m15.3m，高5 m，均屬于大體積混凝土?；炷翑嗝孀罡邷囟?5，最大內表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。10東沙大橋東沙特大橋

12、主塔承臺長28m、寬19m、厚6m，混凝土標號為C30，共3092m3，屬于典型的大體積混凝土施工?；炷翑嗝孀罡邷囟?9，最大內表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。11陽邏大橋陽邏長江大橋北錨塊，長70.5m，寬54.0m，高46.0m，混凝土強度等級分別為C30，屬大體積混凝土結構物，混凝土方量為80418.4m3?；炷翑嗝孀罡邷囟?3，最大內表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。12贛州贛江大橋-承臺贛州贛江公路大橋為特大橋，全長1073米，主跨為408米地錨式懸索橋，引橋為連續(xù)梁橋。該橋東、西兩岸承臺各自分上下游兩部分，承臺單個尺寸直徑為19.5m，高為5m

13、，屬大體積混凝土結構。采用C40大體積混凝土?；炷磷罡邷囟?3，最大內表溫差均小于20，在取消冷卻水管下,沒有產生溫度裂縫。13贛州贛江大橋-錨錠贛州贛江大橋錨塊混凝土為C30強度等級，澆筑總方量為46700m3，屬于大體積混凝土?；炷翑嗝孀罡邷囟?1，最大內表溫差均小于18，在取消冷卻水管條件下,沒有產生溫度裂縫,僅冷卻水管就節(jié)約100多萬元。14廣州珠江黃埔大橋-承臺廣州珠江黃埔大橋由承臺由上游承臺和下游承臺兩部分，構造屬大體積砼結構物，長19.0m，寬19.0m，高6.0m，砼強度等級為C30，上、下游承臺方量各為2166m3，共計4332m3；上游承臺分三層澆筑；下游承臺分兩層澆筑

14、，上下游承臺由橫系梁連接。混凝土斷面最高溫度53，最大內表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。15廣州珠江黃埔大橋-南錨錠底板廣州珠江黃埔大橋南錨錠底板屬于大體積混凝土結構物，基坑底板為直徑65.6m、高5m的混凝土圓柱體，混凝土為C30微膨脹混凝土，混凝土總方量為19899m3。混凝土斷面最高溫度55，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。16廣州珠江黃埔大橋-南錨錠頂板廣州珠江黃埔大橋南錨錠頂板屬于大體積混凝土結構物，基坑頂板混凝土為C30強度等級，混凝土澆筑總方量17418m3?；炷翑嗝孀罡邷囟?9，最大內表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。17廣州珠江黃埔大橋-后錨塊廣州珠江黃埔大橋后錨塊屬于大體積混凝土結構物，錨塊最長32.0m，寬26.25m，高31.17m，混凝土強度等級為C30。錨塊混凝土總方量約為：C30混凝土41720m3?；炷翑嗝孀罡邷囟?9，最大內表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產生溫度裂縫。18雅西高速公路雅西高速公路C4標段黑石溝大橋2號承臺，臘八斤10