大體積混凝土裂縫控制技術(shù)

1、武漢理工大學(xué)二0一二年四月大體積混凝土裂縫控制技術(shù)1 研究背景目前橋梁工程中廣泛運用的大體積混凝土，常會因為施工期間(配合比設(shè)計、入模溫度、養(yǎng)護措施等因素)控制不當而產(chǎn)生大量溫度裂縫，致使影響工程質(zhì)量。實際工程中通常采用預(yù)埋冷卻水管通水來降低大體積混凝土的升溫峰值，減小內(nèi)表溫差，進行溫控。但是這種方式在實際施工中控制不當也會產(chǎn)生溫度裂縫降低耐久性能。眾多工程實踐表明：冷卻水管會存在壓漿不實的問題，水、有害離子和空氣容易滲入進去，導(dǎo)致金屬冷卻水管銹蝕，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性冷卻水管用量較大，增大工程成本，現(xiàn)代橋梁的建設(shè)條件及存在環(huán)境越來越惡劣。高鹽分、高流速、高含沙量對橋梁承臺混凝土的沖刷造成磨蝕，

2、影響其使用壽命。1 研究背景橋梁大體積混凝土裂縫控制技術(shù)通過探明不同入模溫度下膠凝材料體系的水化放熱特性曲線和結(jié)合不同結(jié)構(gòu)部位大體積混凝土的特點，通過引入計算機有限元分析方法，將工程實際概況導(dǎo)入軟件進行匹配計算，利用密實骨架堆積原理形成針對不同結(jié)構(gòu)形式的最佳混凝土配合比設(shè)計方法，從而實現(xiàn)取消冷卻水管施工，達到抑制橋梁大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫產(chǎn)生，滿足低溫升、高抗?jié)B、耐沖磨、水下不分散的要求，并實現(xiàn)降低工程造價，提高結(jié)構(gòu)使用壽命的目的。2開發(fā)的大體積裂縫控制技術(shù) 針對橋梁的承臺、錨錠、索塔、沉井等各部位大體積混凝土服役環(huán)境，進行大體積混凝土低溫升梯度設(shè)計與綜合抗裂技術(shù)研究，取得如下的研究成果：

3、（1）建立大體積混凝土開裂敏感性試驗與評價方法，開發(fā)低溫升高抗裂大體積混凝土的增韌、增穩(wěn)技術(shù)，提出低溫升抗裂大體積混凝土的配合比設(shè)計方法和控制指標； （2）針對沉井部位混凝土易遇水分散的特點，開發(fā)適用于水下大體積混凝土的抗水分散劑，并利用其制備出具有抗水分散、自密實、低溫升抗裂性能的大體積混凝土； （3）針對承臺部位混凝土易受水沖磨的特點，設(shè)計并制備出邊部耐沖磨高抗裂混凝土，中部低溫升混凝土的梯度結(jié)構(gòu)，提出了抗?jié)B耐沖磨抗裂梯度大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工方法； （4）針對索塔部位實心段大體積混凝土超高、超遠距離泵送且標號較高（C50）、水化溫升比較高易造成內(nèi)外溫差較大、自收縮比較大、易開裂的特點

4、，制備出抗裂耐久、工作性能優(yōu)良的高性能混凝土； （5）提出橋梁各部位大體積混凝土施工質(zhì)量評價體系，制定相應(yīng)施工工藝及質(zhì)量控制技術(shù)指南。（1）不同強度等級低溫升抗裂大體積混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計及耐久性能密實骨架堆積法設(shè)計法原理：密實骨架堆積原理是通過尋求混凝土中的粗細集料的最大容重來尋找最小空隙率，通過曲線擬合可以得出骨料間的最佳比例，使得制備出的混凝土有較好的工作性、較高的強度、優(yōu)良的耐久性和經(jīng)濟性。方法：密實堆積設(shè)計是通過礦物摻和料填充細集料空隙、礦物摻和料和細集料的混合物填充粗集料之間的空隙來實現(xiàn)最小空隙率Vv，再利用Vv控制混凝土中的水泥漿體用量Vp，從而達到減少混凝土中水泥用量和單位用水

5、量。漿量Vp與空隙Vv 、集料表面積s（含粉煤灰）和漿量厚度t之間的關(guān)系為： Vp= Vv+st=NVv ，依據(jù)強度和耐久性要求設(shè)定水膠比，借鑒普通混凝土的水膠比取值，C30混凝土的水膠比可在0.360.40之間選取，C40混凝土的水膠比在0.320.36之間選取，C50混凝土的水膠比在0.280.32之間選??；最后再求出拌和水量。（1）不同強度等級低溫升抗裂大體積混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計及耐久性能技術(shù)措施：1）采用密實骨架堆積法來進行大體積混凝土配合比設(shè)計，通過摻礦物摻合料減少水泥用量，降低混凝土水化溫升、內(nèi)外溫差及其帶來的溫度應(yīng)力，避免產(chǎn)生溫度裂縫，提高混凝土耐久性和體積穩(wěn)定性。2）摻加具有減

6、縮、增韌的聚合物外加劑，減少混凝土的收縮，提高混凝土的抗裂性能。大板抗裂試驗混凝土抗?jié)B試驗Cl擴散系數(shù)試驗混凝土抗凍實驗大體積混凝土推薦配合比（kg/m3）嘉紹大橋大體積混凝土的性能標號坍落度（mm）抗壓強度（MPa）抗?jié)B等級抗凍等級氯離子滲透系數(shù)（10-12m2/s）0h1h3d7d28dC3022020019.832.545.8P18F3002.0C4022020023.537.952.1P20F3001.5C5021019529.647.659.3P25F3001.0標號水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑減縮增韌劑C301429615916379510553.84.2C4014514014014

7、078010604.734.3C5015023013012077010505.284.8低溫升抗裂混凝土與普通混凝土收縮對比結(jié)果標號水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑減縮增韌劑C30（抗裂）1429615916379510553.84.2C50（抗裂）15023013012077010505.284.8C30（普通）158290100/79510553.8/C50（普通）15040080/75010705.8/標號3d7d28d60d180dC30（抗裂）59113174233286C30（普通）82168231304382C50（抗裂）88143.230293369C50（普通）1282042993

8、46458（2）抗沖磨大體積混凝土配合比設(shè)計極其性能 現(xiàn)狀：構(gòu)件所處環(huán)境含沙量大，流速急，混凝土表面沖刷磨損和融蝕破壞嚴重。 措施一：通過基于密實骨架堆積方法并優(yōu)化膠凝材料漿體的組成，提高漿體和骨料間的界面粘結(jié)特性，提高混凝土自身耐沖磨特性. 措施二：在混凝土中摻入經(jīng)特殊處理的高強聚丙烯仿鋼纖維，在其內(nèi)部構(gòu)成一亂向支撐體系，產(chǎn)生有效的多向二級加強效果，賦予了混凝土一定的韌性，改善混凝土的抗裂性能及抗沖磨性能。 抗沖大體積磨混凝土性的配合比與能抗沖磨混凝土配合比（Kg/m3）抗沖磨混凝土性能編號坍落度/mm抗壓強度劈裂抗拉強度抗沖磨強度/kg/h.m20h2h7d28d7d28d12202003

9、7461.83.31.92221518535451.93.51.43322018531422.13.60.98421019036522.94.30.81521018029402.03.41.23編號CF礦粉硅灰砂石減水劑水高強聚丙烯仿鋼纖維1160120140/77510704.5146/2160120140/77510704.514623160120140/77510704.5146441501101402077510704.914645160120140/77510704.51466 通過優(yōu)化設(shè)計后的抗沖磨大體積混凝土抗裂性能、抗?jié)B性能優(yōu)異，并且抗沖磨性能顯著提高。各組混凝土其他性能編號抗

10、裂性能（平板法）初凝時間/h氯離子滲透系數(shù)/ 10-12m2/s1201.42221.33241.14240.95241.2抗沖磨混凝土配合比（Kg/m3）編號CF礦粉砂石減水劑水聚丙烯纖維316012014077510704.51464515013014077510704.51454617011014077510704.51484718010014077510704.51514抗沖磨混凝土性能編號坍落度/mm抗壓強度劈裂抗拉強度抗沖磨強度/kg/h.m20h2h7d28d7d28d322520031422.13.60.98522021028382.03.31.21622219033452.2

11、3.70.91723018534482.23.80.85膠凝材料的用量對抗沖磨混凝土性能的影響（3）水下不分散混凝土的配合比設(shè)計及其性能研究A、由纖維素類水溶性聚合物羥乙基纖維素作為抗水分散主劑，復(fù)配無機增粘保水組分和緩凝組分，研制出適用于水下抗分散大體積混凝土的專用外加劑WHT-1。B、通過對抗水分散劑及膠凝材料用量的影響分析，設(shè)計出適合施工要求的水下不分散、自密實、低溫升、高抗裂性能的混凝土配合比。水下不分散混凝土配合比設(shè)計 （1）抗水分散劑的摻量水下不分散混凝土性能的影響編號CFUEA砂大石小石水PCWHT%1210170407489691081554.20.22210170407489

12、691081554.20.43210170407489691081554.20.6水下不分散混凝土性能編號坍落度/mm擴展度/mm7d抗壓強度水陸比28d抗壓強度水陸比0h2h0h2h水中陸地水中陸地125020065060024.331.20.7829.736.70.81224018063057026.631.30.8532.637.10.88321015060053026.531.20.8532.336.80.88水下不分散混凝土配合比（Kg/m3）配合比用量不變的情況下，隨著抗水分散劑摻量的增加，水下不分散混凝土的初始坍落度逐漸變小，并且坍落度損失快；另外，隨著抗水分散劑摻量的增加，水下

13、不分散混凝土的水陸強度先增大，摻量增到0.6%時，水陸強度比基本不變；所以，綜合水下不分散混凝土的工作狀態(tài)和經(jīng)濟效益，優(yōu)選抗水分散劑最佳摻量4%。（2）膠凝材料的用量對水下不分散混凝土性能的影響水下不分散混凝土性能水下不分散混凝土配合比（Kg/m3） 膠凝材料總用量不變時，隨著水泥用量增加和粉煤灰用量降低，需水量不斷增加才能保證水下不分散混凝土工作狀態(tài)和經(jīng)時工作狀態(tài)保持一致。由于抗水分散劑、高效減水保塑劑和基本配合比沒有變化，7d、28d水陸強度比基本不變，均滿足設(shè)計要求；在此，考慮封底混凝土為C30高性能混凝土，優(yōu)選配合比4進行研究。編號CFUEA砂大石小石水PCWHT%2210170407

14、489691081554.20.44230150407489691081574.20.45250130407489691081594.20.4編號坍落度/mm擴展度/mm7d抗壓強度水陸比28d抗壓強度水陸比0h2h0h2h水中陸地水中陸地224018063057026.631.30.8532.637.10.88423518562056029.934.80.8636.341.20.88524018563056530.335.60.8537.042.10.88（4）承臺低溫升抗裂大體積混凝土梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)材料復(fù)合設(shè)計原理，設(shè)計采用在大體積混凝土的邊部采用通過增韌增穩(wěn)技術(shù)制備出高韌性抗裂耐磨混

15、凝土，中部采用低溫升高抗裂混凝土，形成連續(xù)（無冷縫）的高抗裂大體積混凝土梯度結(jié)構(gòu)。 在低溫升高抗裂混凝土+高韌性抗裂耐磨混凝土結(jié)構(gòu)形式的組合下，通過優(yōu)化設(shè)計兩種混凝土材料的不同厚度及布置形式，既降低了內(nèi)表溫差，減小了整體的溫度應(yīng)力水平，又增強了溫度梯度最大處邊部混凝土的抗裂性能，最終形成了一種混凝土溫度及抗裂特性梯度變化的橋梁大體積混凝土結(jié)構(gòu)。梯度結(jié)構(gòu)側(cè)剖圖梯度結(jié)構(gòu)俯視圖19三、研究成果部分工程應(yīng)用實例在工程應(yīng)用當中，本課題取消了冷卻水管，加速了施工進度，減少工程造價，而且混凝土沒有產(chǎn)生裂縫，具有優(yōu)良的抗碳化、抗氯離子滲透、抗凍等耐久性能。在施工當中，承臺大部分采用一次性澆筑，在澆筑過程當中采

16、用分層澆筑。在混凝土初凝之前噴霧養(yǎng)護，初凝之后蓄20cm水養(yǎng)護，45d后拆模。贛州贛江大橋承臺水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑減縮增韌劑15415017012077010863.963.5 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，屬大體積混凝土結(jié)構(gòu)。采用C35大體積混凝土.抗壓強度(MPa)劈裂抗拉強度(MPa)坍落度/擴展度(cm)抗?jié)B等級氯離子擴散系數(shù)7d28d90d7d28d0h1h31.649.359.12.53.519.518P181.010-12 混凝土最高溫度53

17、，最大內(nèi)表溫差均小于20，在取消冷卻水管下, 沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 贛州贛江大橋錨錠 錨塊混凝土為C30強度等級, 總計46700m3。強度等級各組分用量（kg/m3 ）坍落度（mm）抗壓強度(MPa)水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑0h1h7d28d90dC3015012015015079010903.5718516527.743.063.2 C30 混凝土斷面最高溫度51，最大內(nèi)表溫差均小于18，在取消冷卻水管條件下, 沒有產(chǎn)生溫度裂縫, 僅冷卻水管就節(jié)約100多萬元.氯離子擴散系數(shù)為1.410-12m2/s天興洲大橋 水灰比各材料用量（kg/m3）坍落度抗壓強度（MPa,d）水水泥砂碎石粉煤灰7

18、28900.45173231759114016520031.743.2C30承臺混凝土配合比 在承臺混凝土澆筑和養(yǎng)護過程中，采用優(yōu)化后的混凝土以及合理的溫控措施，所控的承臺施工質(zhì)量良好，混凝土斷面最高溫度55，最大內(nèi)表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 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。 氯離子擴散系數(shù)1.810-12m2/s東沙大橋 東沙

19、特大橋主塔承臺長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 。各組分用量（kg/m3）初凝時間（h）坍落度（cm）抗壓強度（MPa）水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑0h1h7d28d90d16013014014073811078.342522.01926.045.866.2混凝土斷面最高溫度49，最大內(nèi)表溫差均小于25，未產(chǎn)生溫度裂縫 。氯離子擴散系數(shù)為：1.310-12m2/s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(jié)構(gòu)物，基坑底板為直徑70.6m、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 各

20、組分用量（kg/m3）坍落度（cm）抗壓強度（MPa）氯離子擴散系數(shù)水水泥粉煤灰礦粉膨脹劑砂石減水劑0h1h7d28d90d1751401401203070810628.121.5182946681.010-12混凝土斷面最高溫度55，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 黃埔大橋南錨錠基坑填芯 各組分用量（kg/m3）初凝時間（h）坍落度（cm）抗壓強度（MPa）抗?jié)B等級水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑0h1h7d28d90d1751001501007501009530211818.836.557.8P18混凝土斷面最高溫度52，最大內(nèi)表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫 廣州珠江黃埔大橋

21、南錨錠基坑填芯混凝土為C20強度等級，澆筑總方量為44900m3 氯離子滲透系數(shù)為2.010-12m2/s廣州珠江黃埔大橋南錨錠頂板 編號各組分用量（kg/m3）初凝時間（h）坍落度cm抗壓強度（MPa）水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑0h1h7d28d90d116514014014073810628.12122.01928.54363.8廣州珠江黃埔大橋南錨錠頂板屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)物，基坑頂板混凝土為C30強度等級，混凝土澆筑總方量17418m3 混凝土斷面最高溫度49，最大內(nèi)表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 氯離子滲透系數(shù)為1.310-12m2/s陽邏大橋 陽邏長江大橋北錨塊

22、，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(jié)構(gòu)物，混凝土方量為80418.4m3 。水(kg/m3)水泥(kg/m3)礦粉(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)砂(kg/m3)石(kg/m3)減水劑(kg/m3)坍落度(cm)氯離子擴散系數(shù)0h2h17012014014072810959.021.5171.4510-12 混凝土斷面最高溫度53，最大內(nèi)表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 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(jié)構(gòu)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

23、土總方量約為：C30混凝土41720m3 各組分用量（kg/m3）初凝時間（h）坍落度（cm）抗壓強度（MPa）水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑0h1h7d28d90d16514014014073810628.12122.01928.54364.1混凝土斷面最高溫度49，最大內(nèi)表溫差均小于25，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 氯離子滲透系數(shù)為1.310-12m2/s廣州珠江黃埔大橋塔座 各組分用量（kg/m3）坍落度（cm）抗壓強度（MPa）水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑0h1h7d28d90d1752201101007651043720.515365575.3混凝土斷面最高溫度59，最大內(nèi)表溫差均小

24、于25，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 廣州珠江黃埔大橋塔座屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)物，棱臺形底長19m,寬19m,高5m。上、下游塔座混凝土方量均為582 m3，共計1164m3。 氯離子滲透系數(shù)為1.410-12m2/s雅西高速公路全線承臺大體積混凝土設(shè)計 雅西高速公路:例如黑石溝大橋2號承臺，臘八斤10號、11號承臺，承臺尺寸為：長24.5m，寬20.5m，高5m，采用該技術(shù)方案，取消冷卻水管，承臺大體積混凝土內(nèi)部最高溫升48.9，入模溫度25，節(jié)約了工期和成本（每方混凝土節(jié)約30元，每個承臺混凝土節(jié)約6萬元左右，冷卻水管節(jié)約5萬元左右，每個承臺共計節(jié)約工程造價11萬元），工程應(yīng)用效果良好

25、，混凝土未產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫。 水水泥級粉煤灰砂石減水劑（kg/m3）坍落度cm抗壓強度MPa凝結(jié)時間h氯離子擴散系數(shù)聚羧酸系0h1h7d28d90d初凝15022017079610993.52018234161211.310-12嘉紹跨江大橋承臺 各組分用量（kg/m3）坍落度（cm）抗壓強度（MPa）水水泥粉煤灰礦粉砂石減水劑0h1h7d28d90d1429615916379510554.220.515244363.2 入模溫度為35，混凝土斷面最高溫度61，最大內(nèi)表溫差均小于20，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。 嘉紹跨江大橋?qū)儆诖篌w積混凝土結(jié)構(gòu)物，圓形直徑40米，高6米。分兩層澆注，混凝土方量為7500方。贛江石虎塘航電樞紐工程 石虎塘航電樞紐工程泄洪閘底板及閘墩，船閘底板與上下閘首結(jié)構(gòu)斷面尺寸與實體尺寸均超過1m，混凝土一次澆注量大，屬于典型的水工大體積混凝土。 C30混凝土入模溫度在30時最高溫度47，最大內(nèi)表溫差均小于20，溫控效果良好，沒有產(chǎn)生溫度裂縫。編號標號各組分用量（kg/m3）水水泥粉煤灰礦粉砂小石（5-20mm）中石(20-40mm)大石(40-80mm)