济南黄河特大桥高性能混凝土配比设计及施工控制.pdf

桥梁工程 5 年第3期 1概述 济南黄河特大桥是京沪高速铁路的重点控制性 工程，主桥长5 14 3 m，采用5 跨连续钢桁柔性拱 （112+168+168+168+112）m ，主墩6个，承台最大尺 寸为42. 5 m23. 3 m 6 m，承台混凝土为5 942 m 3。墩 身和承台混凝土设计强度等级为C45，混凝土所处环境作 用为碳化等级T3、抗冻等级D3、抗化学侵蚀H1，长期耐 久性使用年限为100年。 混凝土的水泥水化产生热量多，混凝土又是热的不良 导体，导致混凝土内部热量积聚产生较高温度。当混凝土 内部温度升高时，混凝土的体积产生膨胀，处于强度增长 阶段。混凝土内部体积膨胀产生的拉应力大于混凝土抗拉 强度时出现裂纹。在混凝土构件中，我国目前的规范、标 准允许出现裂缝，但有一个最大允许值。当混凝土构件处 于潮湿环境或水中，通过裂纹引起混凝土中钢筋锈蚀，影 响混凝土的耐久性。济南黄河特大桥承台和墩身混凝土设 计强度等级高、体积大，还要满足高性能混凝土的抗裂、 抗冻、抗氯离子渗透和抗侵蚀耐久性指标，对混凝土配比 设计和混凝土实体施工提出了严格要求。 济 南 黄 河 特 大 桥 高 性 能 混 凝 土 配 比 设 计 及 施 工 控 制 朱鹏 畅亚文 刘亚涛 2混凝土原材料 （1）水泥。大体积混凝土构件芯部产生大量热量， 主要原因是水泥水化过程中产生大量水化热。水泥的比表 面积、C3A含量、碱含量、三氧化硫含量、氧化钙、游离 氧化钙含量、氧化镁含量在一定程度上影响大体积混凝土 的质量和稳定性。选定使用低碱普通硅酸盐PO42. 5水 泥。 （2）粉煤灰。选择烧失量和需水量低的级粉煤灰。 （3）矿渣粉。选择磨细矿渣粉。 （4）减水剂。选择缓凝型高效减水剂。 （5）细骨料。选择级配合理、质地均匀坚固、吸水 率低、空隙率小的洁净天然中级河砂。 （6）粗骨料。选择颗粒级配连续合理、粒形良好、 质地均匀坚固、线膨胀系数小，525 m m 碎石。 3混凝土配比选定 济南黄河特大桥对混凝土耐久性有较高要求。结合设 计对高性能混凝土强度、环境作用等级、长期耐久性要求 及混凝土配比，从3个方面进行调整、优化，以提高混凝土 7 2011 桥梁工程 6 年第3期 耐久性、解决混凝土泌水问题和降低混凝土绝热温升值。 3. 1 减少水泥用量，采用较低水胶比 为降低混凝土中产生水化热，降低水化热主要取决 于水泥用量，混凝土采用较低水胶比。水胶比是混凝土中 水与胶凝材料的比值，减小混凝土水胶比，不但可以提高 混凝土的抗压强度，而且还可以提高高性能混凝土的耐久 性，降低混凝土电通量值。混凝土电通量是在直流恒定电 压作用下，测定混凝土通过的电量值，反映混凝土氯离子 渗透性能和抗化学侵蚀能力，间接评价混凝土的密实性。 经试验确定，将混凝土水泥用量由原来的443 kg/ m 3降低到 220 kg/ m 3，水胶比降低为0. 38。 3. 2采用“双掺”法适量掺加矿物掺合料 在混凝土中适量掺加矿物掺合料，不仅节约成本， 还可改善混凝土的拌和物性能。从图1粉煤灰与矿渣粉总 掺量对混凝土坍落度的影响可以看出，随着粉煤灰和矿渣 粉总掺量的增加，混凝土初始坍落度呈增长趋势，30 mi n 坍落度损失值也逐渐减小。掺加粉煤灰提高混凝土的流动 性是因为粉煤灰的微珠效应，在新拌混凝土浆体中起到润 滑作用，使混凝土的流动性得到很大改善。粉煤灰和矿渣 粉的掺加延长了混凝土的凝结时间，使混凝土坍落度损失 减少。掺加适量的磨细矿渣粉，因其颗粒很细、比表面积 大，吸附水分，起到保水作用，减缓水分的蒸发速率。混 凝土中适量掺加粉煤灰和矿渣粉使混凝土的流动性、保水 性和泌水性得到很大改善。当总掺量大于50% 时，流动性 呈下降趋势。因此，在高性能混凝土中掺加20% 的粉煤灰 和30% 的矿渣粉。 粉煤灰、矿渣粉均为活性矿物掺和料，其填充效应、 微集料效应，以及在碱性激发剂作用下的火山灰效应，可 增加混凝土的密实性，提高其后期的强度和长期耐久性。 图1粉煤灰与矿渣粉总掺量对混凝土坍落度的影响示意图 粉煤灰的活性较低，活性物质含量较少，火山灰效应较迟 缓，掺粉煤灰的混凝土强度发展较慢，早期强度较低。矿 渣粉具有比粉煤灰更大的化学内能和化学活性，掺加矿渣 粉的混凝土后期强度高于掺加粉煤灰的混凝土。粉煤灰、 矿渣粉复合使用，可发挥其强度互补效应。混凝土硬化早 期发挥矿渣粉活性高、火山灰效应较快，后期发挥粉煤灰 的缓慢火山灰效应，改善浆体和集料的界面结构，使混凝 土结构密实，强度和抗裂性、抗氯离子渗透性能得到持续 提高，延迟混凝土温升高峰出现时间。 3. 3使用缓凝型高效减水剂 从混凝土中的热量产生和温升机理可知，混凝土芯部 温度急剧上升，主要因为大量的胶凝材料同时发生水化反 应，使混凝土内部热量没有散失和缓解时间。通过在混凝 土中掺加减水率高、水泥适应性强的缓凝型高效减水剂， 降低混凝土的水胶比，减少混凝土中水泥用量，延长混凝 土凝结时间，既满足大方量混凝土在长时间浇筑中拌和物 性能始终满足施工工艺的要求，也有效延缓了混凝土中水 化反应温度峰值出现的时间。 经过配比试配试验，得到承台高性能混凝土每立方米 材料用量配比（见表1），混凝土性能试验结果见表2。 对调整、优化配比后的混凝土进行绝热温升计算： Th=KW 0Q0/ （C）=0.87440300 （0.972 412）=49. 1 ， 式中：W 0每立方米混凝土中的水泥用量，kg/ m 3； Q0每公斤水泥的累积最终热量，kJ/ kg； C混凝土的比热容，取0.97，kJ/ （kg）； 混凝土质量密度，kg/ m 3； K不同掺量掺合料水化热调整系数。 从混凝土性能指标试验和绝热温升计算结果可知：通 过调整、优化配比，混凝土绝热温升值得到明显降低，混 检测 项目 坍落 度/ m m 扩展 度/ m m 泌 水 率 28天 强度/ M Pa 抗裂 性 电通 量/ C 抗冻 性/ 次 抗侵蚀 系数 实测 值 195490无54. 1 无裂 纹 7603001. 08 配比 编号 水泥 河砂碎石 粉煤 灰 矿渣 粉 水外加剂 PH B12207741 027881321674. 4 表2混凝土性能试验结果 表1 每立方米材料用量配比kg 坍 落 度 /m m 102030405060 220 210 200 190 180 170 160 粉煤灰与矿渣粉总掺量/ % 初始坍落度30 m i n坍落度 7 2011 桥梁工程 年第3期 凝土拌和物性能良好。大量掺加粉煤灰和磨细矿渣粉后， 在混凝土浇筑中最难克服的混凝土泌水问题得到有效解 决。拌制的混凝土拌和物性能、物理力学性能和耐久性能 能够满足高性能混凝土的要求。 4高性能混凝土施工、养护温控措施 （1）混凝土搅拌和运输。济南黄河特大桥承台混凝 土施工是在气温较高的8月份，对混凝土原材料采取适当 遮阳和降温措施。骨料仓搭建彩钢蓬，拌和站设置个以 上的水泥储料灌。水泥储料罐循环使用，水泥进场后在罐 内静置一段时间，待水泥温度降低到40 以下再使用。 拌和水采用温度较低的地下水，同时采用制冷系统降低拌 和水温度。混凝土施工尽可能避开中午，选择气温较低的 傍晚或晚上施工。混凝土运输中，混凝土罐车用帆布包裹 并进行洒水降温。采取以上措施解决原材料和施工环境造 成混凝土拌和物温度升高问题，将混凝土拌和物入模温度 控制在30 以下。 （2）浇筑混凝土和降温、养护措施。承台混凝土采 用分层浇筑和插入式振捣器振捣的方法。在前层混凝土初 凝前或能重塑前完成次层混凝土的浇筑作业，分层厚度控 制在3040 c m ，以利于早期混凝土水化热的散发，降低 混凝土内外温差。承台混凝土内部理论温度高、散热慢， 除采取上述措施外，采取了“内散外蓄”的降温养护。在 承台混凝土内布设冷却管进行降温，采用耐腐蚀的镀锌钢 管，布设3层直径50 mm冷却管，竖向层距1 m ，水平间 距1. 5 m ，水平方向蛇形结构布置。进出水管间用塑料管 连接，冷却管的每个出水口设置阀门控制流量。当混凝土 浇筑至该层冷却管标高时，立即通水散热，单根冷却管流 量按不小于1.5 m 3/ h控制，通水时间不少于7 d，直至混凝 土内外温差小于20 。同时在承台混凝土外表面采取保 温措施，四周及表面覆盖帆布，用冷却管流出的水进行养 护，浇水保持混凝土表面湿润。 （3）混凝土芯部的温度监测。为测定混凝土结构内 部温度，在承台混凝土的特征位置布置温度监测点，采用 J M T- 36C温度探头，分辨率为0.1 ；采用万用表测量电 阻，并转换为温度。根据观测结果确定冷却水管通水量、 通水时间和蓄热养护时间，以降低混凝土内外温差，将其 控制在20 以内。测定混凝土温升峰值及其达到所需时 间，定期记录冷却管进出水温度，绘制混凝土内部温度变 化曲线（见图2）。 根据图可知，采用优化、调整后的混凝土配比和 图2 混凝土内部温度变化曲线 020406080100120140160180200 60 50 40 30 20 10 0 温 度 / 时间/ h “内散外蓄“的养护方法，在混凝土浇筑结束后，其芯部 温度在入模温度基础上的温升值不超过50 ，符合混凝 土施工规程要求。经过对承台混凝土表面检测，没有发现 任何裂纹。 5 结论 （1）选用水泥用量低、低水胶比，并掺加适量粉煤 灰和矿渣粉，使用缓凝性高效减水剂，可降低混凝土的水 化热，满足其强度要求。 （2）在高性能混凝土中掺加粉煤灰和矿渣粉，可降 低混凝土的水化热，提高混凝土和易性，解决混凝土泌水 问题，提高其耐久性和抗裂性，降低混凝土的电通量。 （3）在混凝土拌和站对原材料适当降温，控制混凝 土的入模温度，采用分层浇筑。通过温度监控，采取有效 的“内散外蓄”控温、养护措施，混凝土芯部温度和裂纹 得到控制。 参考文献 1 科技基2005101号 客运专线高性能混凝土暂行技术 条件 S 2 G B 504962009 大体积混凝土施工规范 S 责任编辑葛化一 77 2011