水泥与混凝土 广东建材2 0 0 9 年第9 期 桥梁承台大体积混凝土温控方案设计 张宝兰 陈中杰 ( 中交四航工程研究院有限公司) ( 交通运输部水工构造物耐久性技术交通行业重点实验室) 摘 要：本文通过对桥梁下部承台大体积混凝土结构的温控方案进行设计， 探讨行之有效的现场大 体积混凝土控裂配套技术。 研究通过原材料选择、 混凝土配合比优化、 混凝土结构的温度应力计算、 温 控措施以及 现场温度监测等一系列 综合温控措施 ，形成较为系统且 易于实施 的大体积混凝土温控方 案 ， 进而提高大体积混凝土 的抗开裂性能和耐久性。 关键词：承台； 大体积混凝土； 温度应力： 温控引言 1引言 1 1 工程概况 某桥梁下部承 台为顺桥 向宽 2 3 2 5 m ，横桥 向长 4 2 m ， 厚 5 5 m ， 混凝土浇筑方量为 5 1 8 7 7 m 。 ， 构造形式如 图 1 所示。 图 1承 台一 般构 造 图 1 2大体积混凝土温控方案设计思路 承台混凝土浇筑方量在 1 干立方米以上 ， 属于典型 的大体积混凝土 ， 在配合比设计 中， 往往采用低水胶 比， 较高的胶凝材料用量， 辅助 以高效减水剂和活性矿物掺 合料等措施，这势必会引起混凝土温升和 自收缩加剧， 当由此产生的拉应力超出混凝土的极 限抗拉强度时， 混 凝土结构就会出现不同程度 的开裂 ，影响结构表观质 量， 更重要的是加速 了混凝土结构功能的失效。 对于混凝土结构， 尤其是大体积混凝土结构， 要完 全避免裂缝是很困难的。 国内外设计规范是根据不同的 环境规定了相应的最大允许裂缝宽度 ， 并在施工过程 中 将结构裂缝控制在合理范围内。 混凝土的裂缝控制可从 以下两方面着手：一是提高混凝土材料本身的抗裂性 能；二是减小约束及温度等对混凝土体积稳定性 的影 响。主要从温度控制、 提高混凝土性能和改善混凝土 的 约束条件等方面采取措施， 而主要难点就在于如何控制 温度应力。 大体积混凝土在凝结硬化开始 的前几天 内将产生 大量的水化热， 使得混凝土温度升高。由于混凝土材料 导热性能不 良， 使得大体积混凝土结构散热较慢 ， 大量 的热量滞留在结构 内部 ，而外表的热量散失速度较快 ， 虽然通过以上一系列有效措施的处理， 可以很好地 预防、 控制裂缝的产生。但这并不是说裂缝就完全不会 产生。 一旦出现裂缝， 危害到其他方面的功能， 那么就要 采取有效的措施来解决。 目前主要方法有表面修补法灌 浆、 嵌缝封堵法 、 结构加 固法、 混凝土置换法、 仿生 自愈 合法等。由于影响商品混凝土开裂的因素较多， 必须加 以综合防治， 如出现裂缝后应根据不同的情况采取不同 的方法 来处 理 。 5 4 【 参考文献】 1 建筑施工手册编写组编著 。建筑施工手册( 缩 印本第 四版) 中国建筑工业出版社 2 0 0 3 2 王铁梦著 工程 结构裂缝控制 中国建筑 工业 出版社 1 9 9 7 3 G B 5 0 2 0 4 - 2 0 0 2 混凝土结构工程质量验收规范 中 国建筑 工业 出版社 2 0 0 2 4 G B 5 0 1 0 -2 0 0 2 混凝土结构设计规 范。 中国建筑工业 出版社 20 02 5 蔡继龙， 娄明亮 商品混凝土裂缝控制与处理。科技咨询导 报 2 0 0 7第 1 2期 6 潘晖 商 品混凝土裂缝 的成因及防治工。 南宁职业技术学 院学 报2 0 0 7第 3期 广东建材2 0 0 9 年第9 期 水泥与混凝土 便会在混凝土结构中形成温度梯度场。 在温度梯度和各 类约束的共同作用下， 混凝土 内部产生压应力， 而表面 产生拉应力， 当表面拉应力超过混凝土的极限抗拉强度 时， 在混凝土结构表面产生裂缝 。 在升温阶段， 混凝土的 弹性模量较小， 产生的拉应力也较小 ， 只引起混凝土浅 层裂缝。 随着胶凝材料水化速率的降低及混凝土的不断 散热， 大体积混凝土由升温阶段转变为降温阶段 。随着 温度的降低， 混凝土的体积会出现收缩， 在降温阶段， 混 凝土结构中心部分与表面部分的收缩程度不一致 ， 在 内 外约束的共同作用下， 混凝土将产生拉应力 。降温阶段 产生的拉应力较大， 易在混凝： E 中心部位形成较高拉应 力区，若此时的拉应 力超 出此时混凝土的抗拉强度， 必 将产生温度裂缝。 随着混凝土水分的散失和化学反应的 继续 ， 也将引起体积收缩， 从而产生收缩应力， 在收缩应 力与温度应力共同作用加剧了混凝上的开裂 。 针对大体积混凝土早期裂缝产生的原因， 以及主要 控制手段 ， 结合该桥梁工程实际情况 ， 拟通过原材料选 择及混凝土配合比优化、 混凝土结构的温度应力计算的 方式，从源头上对混凝土水化热和温度应力进行研究， 在上述研究结果基础上设计相应的温控方案并采取现 场温度监测手段对其进行实时温控监测。 2 原材料选择及混凝土配合比优化 2 1 原材料选择 2 1 1水泥 本工程中需要配制高性能混凝土 ， 所选用的水泥应 该具有足够的强度 ， 良好 的流变性 ， 并能与 目前广泛采 用的聚羧酸类高效减水剂有很好的适应性。 由于水泥水 化过程中释放大量的热量是导致大体积混凝土产生温 度裂缝的主要诱因， 在满足水泥强度及流变性要求的条 件下， 本工程中的大体积混凝土应该选择低热或者中热 的水泥品种。水泥为华润 P I I 4 2 5 R硅酸盐水泥， 其性 能指 标如表 1 所示 。 表1华润硅酸盐水泥性能指标 凝结时间 抗折强度 抗压强度 比表而积 标准稠度 安定性 ( m i n ) ( M P a ) ( M P a ) ( m 2 k g ) ( ) 初凝 l 终凝 3 天 l 2 8天 3天 l 2 8天 4 3 2 2 7 6 合格 l 4 5 l 1 9 1 6 3 j 9 5 3 2 4 l 5 6 0 2 1 2 矿物掺合料 在大体积混凝土中掺入一定量的矿物掺合料后， 可 以增加混凝土的密实度 ， 提高抗渗能力， 改善混凝土的 工作度， 降低最终收缩值 ， 减少水泥用量 ， 降低大体积混 凝土的水泥水化温升。 为了充分发挥矿物掺合料在混凝 土中的替代作用 、 填充作用及活性作用， 本工程应该使 用细度合适 、 活性较高、 有害物质含量较少且质量稳定 的磨细矿渣粉与粉煤灰。 本工程中使用的矿粉为广西柳 钢矿粉， 其性能指标如表 2 ； 使用的粉煤灰使珠江电厂 的 I 级粉煤灰， 其性能指标如表 3所示。 表2柳钢矿粉性能指标 比表面积1 活性指数( ) 流动度比 含水率 S 0 氯离子 烧失量 m 2 k g I 7 d l 2 8 d 3 7 4 l 8 6 1 l 1 1 0 9 1 O 0 O O 7 0 O 8 O O 3 1 3 O 5 5 细度 需水量比 烧失量 I氯离子 s 0 。 含水率 1 1 8 9 9 2 5 5 i I 1 8 7 O 0 7 2 1 3 外加剂 高效减水剂是制备高性能混凝土最常用、 最重要的 外加剂， 具有较好的减水、 增塑及保坍作用。 本工程宜采 用缓凝高效聚羧酸减水剂，在发挥高效减水效果的同 时，更主要的是可以降低胶凝材料体系水化放热速率、 延缓水化热峰值期的出现时间、缓和温度变化曲线， 可 以在一定程度上减小混凝土内部温度梯度的陡降程度。 本工程中使用的是 四航材料科技有限公司的 H S P V聚 羧酸减水剂， 性能指标如表 4所示。 表4四航材料科技有限公司外加剂性能指标 固含量 密度 C l 一 总碱 减水 抗压强度比 含气 品名 含量 p H 值 量 塞 ( ) g m 1 f 3 d 2 8 d ( ) H S P - V 2 3 0 2 1 0 5 0 0 0 0 2 6 O 1 3 5 3 3 3 2 0 2 I l 5 7 3 2 2 1 4 集料 在混凝土 中，集料一般可 占到体积的 6 5 左右 ， 主 要起着骨架 的作用 ，对混凝土的性能指标有着重要影 响。配制高性能混凝土， 需要集料具有较小的空隙率及 表面积， 从而减少胶凝材料的用量， 降低水化热 ， 减少收 缩， 减小混凝土裂缝的出现。 本工程中应该选用粒形好、 表5粗细集料性能指标 集料类 表观 堆积 含泥 泥块 C 1 一 坚固 压碎 针片状 密度 密度 量 含量 含量 性 S O 值 含量 型 k g c m 。 k g c m 。 5 1 0 2 7 20 1 5 0 0 O 9 O 0 0 0 8 1 2 4 O 2 3 6 8 碎石 1 O 2 0 2 7l 0 1 4 6 0 0 3 O 0 0 0 8 1 2 4 O 2 3 1 2 7 4 0 碎石 砂 2 6 2 0 l 4 6 0 0 0 0 4 O 1 l 一 5 5 水泥与混凝土 广东建材2 0 0 9 年第9 期 强度高、 级配好、 热膨胀系数低、 吸水率低的优质集料 。 本工程中使用的粗、 细集料性能指标如表 5所示。 2 2 混凝土配合比 从提高混凝土抗裂性、 满足工作性、 力学性能、 耐久 性能等要求出发 ， 采用大掺量矿物掺合料、 尽量减少胶 凝材料用量 以及使用缓凝型高效减水剂等技术来控制 胶凝材料水化放热总量、 水化放热速率 ， 缓和温度曲线， 提高混凝土体积稳定性， 确定混凝土配合比。各部位混 凝土配比如表 6所示： 表 6承台混凝土配合比 强度 胶凝材 胶凝材料 编号 水胶 比 砂率 减水 容重 等级 料用量 水泥 粉煤灰 矿粉 1 # 4l 0 1 6 4 8 2 1 64 0 3 2 4 2 1 2 30 0 2 # C 3 5 4 3 0 1 8 5 l 1 6 1 2 9 0 3 3 4 2 1 2 3 0 0 3 # 45 0 l 8O 9 0 1 8O O 3 3 4 2 1 2 30 0 3 混凝土结构温度应力计算 计算混凝土结构的温度应力， 根据温度应力发展以 及分布规律， 评估各结构部位 的抗开裂能力， 据此提 出 合理的温度控制指标， 以防止大体积混凝土硬化过程出 现较大的温度应力 。 3 - 1 混凝土材料参数 混凝土的绝热温升根据胶凝材料 7 d放热总量计算 得出， 热膨胀系数根据工程经验取值 ， 承台混凝土的具 体热性能参数如表 7 所示： 表7承台混凝土热性能参数 强度 最大放热 最大放 热速率 7 d 放热 绝热 热膨胀 速率 出现 时间 总量 温升 系数 等级 ( k J h k g ) ( h ) ( k j k g ) ( ) ( 1 O ) C 3 5 1 2 9 6 2 1 9 9 3 8 7 5 8 1 根据混凝土各龄期的抗压强度， 采用 国际公认的回 归分析拟合公式 ， 计算 出早期各阶段混凝土弹性模量和 劈裂抗拉强度数值。 该航道桥承台混凝土的力学性能指 标如表 8所示： 表8承台 混凝土力学性能参数 强度 抗压强度( M P a ) 弹性模量( x 1 0 4 M P a ) 抗拉强度( M P a ) 等 级 3 d 7 d 2 8 d 3 d 7 d I 2 8 d 3 d 1 7 d l 2 8 d C 3 5 2 3 4 3 8 O 5 2 6 O 9 8 1 9 3 l 3 8 l 2 6 6 3 6 8 3 2