跨海大桥大体积混凝土配合比设计.pdf

4 6 桥梁检测与加固 2 0 0 9 年第 1 期 跨海大桥大体积混凝土配合 比设计 肖海龙 ( 武汉桥梁建 筑工程监理有 限公司 ， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘要 ： 不同的工程 和环境 对混凝 土的配合 比提 出了 不同的要求 ， 以跨海悬索桥锚碇混凝土配合 比为研究对象， 从大体积混凝土材料研究人手， 针对大体积混凝土浇筑及养 护所处的高温高湿环境 ， 制作试块 进行试验 ， 从 而确定跨 海 悬索桥锚碇混凝土的最佳配合比。 关键词： 大体积混凝土； 配合比； 优化设计 l 工程概况 1 1 地形 地貌 西堠门大桥是舟山大陆连岛工程中的第 4座大 桥 ， 走 向由北 向南 ， 北端连接册子岛， 南端连接金塘 岛， 横跨西堠 门水域 ， 主跨为 1 6 5 0 m 的大跨径悬索 桥 。桥址区属于海 岛低山丘陵 区， 地形地势起伏较 大 。陆域为基岩裸露半裸露 的残坡基层 ， 水下地形 以潮流冲刷槽为主， 此外水道内存在裸露 的孤丘和 水下暗礁 ， 锚碇分别坐落于两岛之上 。 1 2 气象 气温 ： 多 年平均气温 1 6 4。 C， 历年 最低气 温 一 6 1 。 C 。 降水 ： 多年平均降水 1 4 4 2 5 mm， 月降水最大 53 1 8 mm 。 风况 ： 年平均台风影响 2 5 6次。 1 3 工 程地质 锚碇区表面植被发育 ， 出露地层岩性为上侏罗 九里坪流纹斑岩 ， 近山脊顶部或坡脚海蚀面均见强 、 弱风化基岩裸露。强风化流纹板岩大面积分布在锚 碇区表面 ， 厚度较薄， 锚碇 区地表 以下平均深度 约 2 0 m以内地层岩性主要为弱风化流纹板岩 ， 岩质坚 硬 ， 性脆 ， 节理裂隙较发育， 锚碇 区地表以下平均深 度约 2 0 m 以下地层岩性为微、 未风化流纹板岩 ， 岩 质较脆 ， 节理裂隙一般不发育， 局部相对发育。 1 4 锚碇简介 西堠门大桥南锚碇为重力式锚 ， 尺寸约为 6 0 m 8 O mX5 2 m， 底面开挖成齿坎状。锚碇为钢筋混 凝土及预应力钢筋混凝土结构， 锚碇体由锚块、 前锚 室 、 后锚室、 散索鞍 、 基础及支墩 、 连接部 、 后浇段 、 横 梁组成。锚碇的主要混凝土工程量集中在锚块 C 3 0 级普通混凝土上， 其浇筑方量为 6 1 5 6 3 m。 。锚块分 2 3 层浇筑 ， 每层厚度约 1 5 m。锚碇混凝土浇筑体 积大， 工程量大， 并且施工期跨越夏季高温期和冬季 低温期。 2 原始配合比设计 锚碇大体积混凝土施工要跨越夏季高温期 ， 在 配合比设计 时应 考虑 ： 为 降低水 泥混凝土水化 热， 胶凝材 料总量 5 0 0 k g m。 ，水 泥用 量 4 0 0 k g m 。 ， 水胶比Ko 4 5 。 掺人优质粉煤灰取代部 分水泥， 粉煤灰用量胶凝材料总量 2 O 。 为使 早期混凝土保持 良好 的温度传递梯度， 初凝时间为 1 4 2 0 h 。 外加 剂应具备减水 、 保 塑、 缓凝 等复 合功能。 骨料选用应尽量保证混凝土 内部的高 密实度 。 根据上述思路 ， 经过试配筛选 ， 初步选定锚碇 C 3 0 级混凝土配合 比为： 水泥 ： 砂 ：石 ： 粉煤灰 ： 水 ： = ： 2 6 0： 7 5 1： 1 0 7 7： 1 1 0： 1 5 2 。 3 配合比优化设计 3 1 设计思 路 关于大体积混凝土， 我国的定义是“ 混凝土结构 物实体最小尺寸等于或大于 1 m， 或预计会因水泥 水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝 土” _ 2 。由该定义可知， 水泥凝结硬化过程中由水化 热产生的温度应力是影响大体积混凝土质量的重要 因素 。减小水泥水化热影响， 防止温度应力产生裂 缝主要有 3 个 途径 ： 采用低热水泥 ， 减少水泥用 量， 降低水化热 ； 采用 温度预控， 降低 内外温差 ； 应用信息化施工技术， 验证预控措施和采取相应 收稿 日期 ： 2 o 0 9 0 2 0 6 作者简介 ：肖海龙 ( 1 9 8 1 一) 男 ， 助理工程 师， 2 0 0 4年毕业于武汉理工大学材料科学与工程专业， 工学学士 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 2 期 跨海大桥大体积混凝土配合比设计 4 7 对策 3 。就配合比优化设计 而言 ， 在保证混凝土强 度及和易性的情况下 ， 尽量降低水化热是主要 目的。 3 2 大体积混凝土材料的优选 3 2 1 水泥 大体积混凝土宜采用低热水泥。矿渣硅酸盐水 泥的早期强度低 ， 后期强度高， 对温度较为敏感 ， 适 宜于高温养护 ； 水化热较低 ， 放热速度慢 ； 抗侵蚀 、 腐 蚀性能较好 ； 泌水性及干缩率较大， 抗冻性差。普通 硅酸盐水泥抗冻性好 ， 干缩率较小 ， 早期强度高 ， 但 水化热较高， 抗侵蚀及腐蚀能力较差。选用华新水 泥厂的 3 2 5矿渣硅酸盐水泥和 3 2 5普通硅酸盐水 泥进行混凝土抗压强度试验及水化热试验 ， 试 验结 果分别见表 1 、 表 2 。 表 1 C 3 0级混凝土坍落 度及抗压 强度 墨 , m - 3 聊I 坍 落 a n 普3 2 5 3 7 0 4 O 0 6 1： 2 0 1 ： 2 9 4： 0 4 3 1 9 O 1 9 5 1 9 0 l 9 5 1 8 5 注 ： C为水泥 ； S为砂 ； G为石 ； W 为水 ， 下 同。 表 2 水泥水化热 混凝土绝热升温计算公式为 ： T=m Q ， 其 中， 为胶凝材料用量 ， Q为胶凝材料水化热 ， C为 混凝土比热 ， |D 为混凝土容重。由试验结果可知 ： 选 用矿渣硅酸盐 3 2 5水泥 ， 水泥用量 3 7 0 k g m。 ， 混 凝土强度满足要求， 该配合 比计算绝热温升为 2 8 2； 选用普通硅酸盐 3 2 5水泥 ， 水泥用量 3 7 0 k g m。 ， 计算绝热温升为 3 1 2。经过试验计算对 比， 结合西堠门大桥海洋气候及大体 积混凝土温控 条件， 确定用矿渣硅酸盐水泥 ， 为了进一步降低单位 体积混凝土的水泥水化热量 ， 应掺加一定量 的粉煤 灰 ， 确保混凝土温差不至于过大。 3 2 2 骨料 在配制大体积混凝土时， 应增加骨料的用量以 降低水泥用量。粗骨料使用一种连续级配和一种单 级配配合使用的效果 比单一使用一种连续级配的效 果要好 。与细骨料组成一个合理的级配后能使混凝 土的密度达到最大值。在混凝土坍落度和水灰比变 化不大的情况下可以使水泥用量达到最小化 。经过 对比， 最后选 用舟 山采石场 的 5 1 6级配和 1 6 3 1 5级配的粗骨料按 4：6配合使用 ， 细骨料选用 福建闽江 级 中砂。使用时 ， 严格控制骨料 的含泥 量 ， 粗骨 料控制 在 0 5 以下 ， 细 骨料控 制在 1 以下 。 3 2 3 粉煤灰 粉煤灰具有活性 ， 可代替部分水泥 ， 能改善混凝 土的粘塑性 ， 提高混凝土的可泵性 ， 提高混凝土的后 期强度 ， 推迟水化热峰值的出现时间。掺入 3 O 的 粉煤灰可减少用水量约 1 O 9 6 ； 掺人 5 0 的粉煤灰可 减少用水量约 1 5 2 O 【 4 。掺入粉煤灰 可有效 地减少混凝 土的水化热 ， 防止大体积混凝 土开裂。 选用江苏谏壁电厂 I、 级粉煤灰进行混凝土性能 试验 ， 试验结果见表 3 。由试验结果可知 ： 采用 I级 粉煤灰后混凝土和易性得到改善， 用水量减小 ， 混凝 土 1 4 d强度明显增强 ， 因此 ， 最终选 用江苏谏壁 电 厂 的 I级粉煤灰 。 表 3 掺粉煤灰混凝土的性能对比 3 2 4 减 水剂 大体积混凝土 中掺入一定量的减水剂后可减少 约 1 5 的水泥用量 ， 由于锚块体积较大 ， 即使分 2 3 层浇筑后 ， 每层浇筑 的时间也 超过了 2 0 h ， 对混凝 土的凝固时间也有一定 的要 求。选用 江苏建 科院 J M- 2缓凝高效减水剂 、 上海麦斯特 5 6 1 缓凝高效减 水剂及 四川 大桥牌缓凝高效减水剂进行筛 选试验 ( 表 4 ) 。由表 4可知， 掺入江苏建科 院 J M- 2缓凝高 效减水剂的混凝土减水 率及混凝土强度最高 ， 坍落 度损失最小 ， 凝 固时间满 足要求 。掺入上海麦斯特 5 6 1缓凝高效减水剂各项指标亦能满足要求 ， 但该 减水剂为液态， 不便于运输。掺人四J i I 大桥牌缓凝 高效减水剂 的混凝 土强度较低。经过试验对 比， 确 定使用江苏建科院的J M- 2 缓凝高效减水剂。 3 2 5 水 采用普通水库水作为混凝土用水 ， 经过检测 ， 该 ( 下转第 5 3页) 抗 度 一 a l 3 9 1 5 麟 一 一 强弧 档 鹳 U O 0 O O 踮趴 2 2 2 0 1 1 2 i 1 6 6 6 6 0 0 0 O O 0 O O 娼 弘 卵 5 5 5 5 弛 弛驼船 矿 矿 矿普 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 2期 浅谈大体积混凝土冬季施工 5 3 0 口 口 口 口 口 0 图 2承台暖棚示意 在保温棚制作混凝土试件， 并在保温棚内与承台混 凝土同等条件下养护 。 ( 3 )承台混凝土浇筑过程 中， 承台暖棚 内 1 6台 燃油加热器布置在模板外侧 ， 保持暖棚内温度 ， 在承 台混凝土水化热释放 ， 棚内温度升高后 ， 可根据棚 内 温度调整加热器数量及安装位置 。 ( 4 )承台混凝 土浇筑完毕后 ， 承 台施工点均设 专人看管加热器和碘钨灯， 设专人测量记录棚内温 度， 棚 内温度低于 1 5时 ， 采取升温措施 ， 棚 内温度 高于 3 5时洒水养护混凝土， 以保持温度稳定， 确 保混凝土的养生温度。分别检测混凝土 3 d及 5 d 的强度 ， 若混凝土强度达到设计强度 的 7 5 ， 逐渐 关 闭加热器和碘钨灯降低棚内温度， 降温速度不超 ( 上接 第 4 7页) 过 5 C h ， 棚内温度与外界接 近时拆除暖棚 ， 待混 凝土温度降至 5以下时方可拆除模板 。当混凝土 与外界温差大于 2 0时， 拆除模板后的混凝土表面 应加以覆盖， 使其缓慢冷却。 ( 5 )该承台为大体积混凝 土施工 ， 由于冬季环 境气温低 ， 施工 、 养护过程中承 台内部温升 高， 极易 产生有害温度裂缝 ， 为保证混凝土施工质量 ， 专门对 承台大体积混凝土冬季施工进行温度监控。通过对 测定的温度数据进行计算 、 分析来指导混凝土的养 生 ； 通过调节冷却水流量、 进出口水温差等方法来调 控混凝土内部温度 ； 通过改变混凝土表面养生方法 来调控混凝土表层温度。 3结语 保证大体积混凝土冬季施工质量 的措施有 ： 选用适当的混凝土配合 比， 降低温度对混凝土 的影 响； 采取适当的混凝土加热保温措施 ， 保证混凝土 的人模温度 ； 采取有效的措施保证施工时混凝土 温度以及养护 ， 做好温度监控工作 ， 防止裂缝的产生。 表 4 混凝土基本性能 水符合 混凝土拌和用水标准 要求 。 3 3 确定优化配合比 按照 普通混凝土配合 比设计规程 ( J G J 5 5 2 0 0 0 ) ， 结合原始配合 比， 经过多次试配， 同时在锚碇 第 2 层大体积混凝土施工中将胶凝材料再次降低到 3 6 0 k g ms ， 使用该 配合 比时 ， 施工过程正 常， 该配 合比的 7 d 、 2 8 d 、 6 0 d强度都非常理想( 7 d平均抗 压强 度为 3 2 8 MP a ， 2 8 d平 均抗压 强度为 4 1 5 MP a ， 6 0 d平 均抗 压强度为 5 5 6 MP a ) ， 符合 C 3 o 级普通混凝土的技术要求 。同时该配合 比也经过温 控方的温控研究 ， 在温控方面亦符合要求 。最后确 定此配合 比为西堠 门大桥锚块 C 3 O级混凝 土的优 化配合比， 具体数据见表 5 。 表 5 优化 配合比 m3 2 5 2 7 4 9 1 1 01 1 5 5 4 3 2 】 08 4 结语 大体积混凝土配合比优化设计是个较为复杂的 研究 ， 需要考虑到较多的因素 。通过对混凝土待选 原材料的研究 ， 经过试验室反复试配， 最后确定 出配 合 比， 并 以此制作试块进行研究 。经过所有待选原 材料试验、 试块强度试验、 温控验证均符合要求， 可 以将此配合比应用于实际生产 。 参考文献 ： E I - I大体积混凝土配合设计与综合温差控制技术 J 施 工技术 ， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 5 ) ： 3 1 -3 3 2 J G 5 5 -2 0 0 0 ， 普通混凝土配合 比 设计规程 S E 3 - 1 陈光福大体积混凝土施工技术E J 中国港湾建设 ， 2 0 0 3 ， ( 4 ) ： 2 1 2 2 E 4 王爱琴大体积混凝土配合比设计中一些问题的思考 E J 水力发电， 2 0 0 3 ， 2 9 ( 4 ) ： 3 6 4 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m