大體積混凝土施工配合比設(shè)計及溫度控制

大體積混凝土施工配合比設(shè)計及溫度控制余巧寧霍斌中鐵大橋局集團(tuán)第五工程有限公司武漢天興洲大橋關(guān)于大體積混凝土的定義與規(guī)定，美國混凝土學(xué)會（ACI）規(guī)定為：“任何就地澆筑的大體積混凝土，根據(jù)其尺寸之大小，必須要求采用措施解決水化熱隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂”。日本建筑學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)（JASS5）則規(guī)定為：“結(jié)構(gòu)斷面最小厚度在80cm以上，同時水化熱引起混凝土內(nèi)部的最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計超過25°C的混凝土，稱為大體積混凝土”。而目前我們國內(nèi)對大體積混凝土尚無一個確切的定義，多數(shù)論著認(rèn)為：“結(jié)構(gòu)斷面最小厚度在1m以上，同時水化熱引起混凝土內(nèi)部的最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計超過25C?！蔽錆h天興洲大橋正橋I標(biāo)段引橋4廣20#承臺均屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，而大體積混凝土的施工首要問題就是配合比的優(yōu)化設(shè)計，同時在施工前必須做好充分的混凝土溫控與防裂準(zhǔn)備。大體積混凝土結(jié)構(gòu)一方面因混凝土澆筑量大，由于水泥在水化過程中釋放出大量的熱量，但混凝土的傳熱性能差，結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量不易散發(fā)，形成內(nèi)外溫度差，導(dǎo)致混凝土發(fā)生應(yīng)變，另一方面結(jié)構(gòu)物的約束力會阻止這種應(yīng)變，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，一旦溫度應(yīng)力超過混凝土所能承受的極限抗拉強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生溫度裂縫。因此，解決大體積混凝土水化熱的問題，不僅要利用原材料來降低水化熱的溫升，同時應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制混凝土的內(nèi)外溫度之差。但大家都知道，我國關(guān)于大體積混凝土產(chǎn)生的水化熱溫升及溫度控制并沒有一個統(tǒng)一的規(guī)范和控制措施。美國ACI委員會成員Paul和Michael在多倫多做的試驗為我們在這方面的研究及實(shí)施提供了部分的依據(jù)。其研究采用截面為1.37mX2.80m的試驗梁，每立方米混凝土含普通硅酸鹽水泥450kg、粉煤灰和硅粉共110kg，水灰比為0.28，集料最大粒徑為10mm，并摻加少量的高效減水劑。在試驗梁跨中截面的上表面、中心、下表面處設(shè)置熱電偶用于測試混凝土各測點(diǎn)各時段的溫度值。最初規(guī)定混凝土內(nèi)部測點(diǎn)的最高溫度不超過60C，最大溫度梯度不超過20C/m。熱電偶的測試結(jié)果表明混凝土內(nèi)部測點(diǎn)的最高溫度達(dá)到68.5C，最大溫差達(dá)到37.5C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開始設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)，裂紋的產(chǎn)生不言而喻。經(jīng)分析，超標(biāo)的主要原因是水泥用量大，骨料粒徑較小，混凝土入倉的溫度高。綜合上述試驗，我們應(yīng)在滿足承臺施工的前提下，盡量減少水泥的用量，摻加粉煤灰等摻和料，選用合適的外加劑，選擇較大粒徑的粗細(xì)骨料，嚴(yán)格控制混凝土的入倉溫度，根據(jù)環(huán)境溫度與混凝土內(nèi)部溫度，采取有效的溫控、降溫系統(tǒng)，方能盡可能減少和避免裂紋的產(chǎn)生。在澆筑前，我們必須對混凝土的最高溫度進(jìn)行理論推算，對混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計和篩選，按規(guī)范要求設(shè)計和布置混凝土的溫度測試設(shè)備，并應(yīng)規(guī)定由專人測試、記錄溫度數(shù)據(jù)，再根據(jù)測試所得的溫度數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場工作人員，操作降溫系統(tǒng)。以下，我們將配合比的設(shè)計、混凝土的熱工計算、測溫系統(tǒng)及降溫系統(tǒng)的布置一一說明。一、配合比的優(yōu)化設(shè)計1）為了降低水泥水化溫升，減少混凝土的內(nèi)外溫差，控制溫度應(yīng)力，避免產(chǎn)生混凝土裂縫，從而提高混凝土抗裂、抗侵蝕等耐久性，提高結(jié)構(gòu)物的后期強(qiáng)度，改善混凝土拌合物的和易性；2）配合比原材料確定：a、采用華新堡壘牌普通硅酸鹽水泥（P.O42.5），堿含量V0.6%，C3AV0.8%b、采用“雙摻”技術(shù)，既在混凝土內(nèi)摻加一定數(shù)量的粉煤灰和外加3劑，粉煤灰為青源熱電優(yōu)質(zhì)的II級粉煤灰，外加劑為荊州強(qiáng)達(dá)SF-2型緩凝高效減水劑，外加劑的緩凝時間能滿足施工的要求，使混凝土拌合物的初凝時間達(dá)到20h~30h（更大限度的減緩混凝土水化熱峰值時間），其減水率在15%以上，且能良好的改善混凝土的和易性和工作性；c、粗細(xì)集料：粗集料選用陽新5~31.5mm連續(xù)級配的碎石，針片狀顆粒含量＜12%，壓碎值＜10%，含泥量V0.7%，泥塊含量＜0.25%。細(xì)骨料采用洞庭湖或巴河出產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)中砂，含泥量V2.0%，泥塊含量V0.5%。因為增大骨料粒徑，可減少用水量及水泥用量，混凝土的收縮和泌水也可隨之減少。通過試配，在9組配合比試驗中，篩選出最優(yōu)配合比如下表1:表1材料水泥C砂S碎石G粉煤灰F水W外加劑SF-2每m3用量25081510371001617.35配合比13.2604.1480.4000.6440.0294配合比試驗數(shù)據(jù)如下表2:表2坍落度坍落度擴(kuò)展值R(MPa)7R28(MPa)初凝時間砂率混凝土容重（kg/m3）190mm460mm*450mm25.835.7約22h0.442370注：6月4日~6月7日參照《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工規(guī)范（討論稿）》，做混凝土抗裂性能對比試驗，未發(fā)現(xiàn)裂紋，因此可判定該配合比的混凝土抗裂性能良好。二、混凝土配合比熱工計算1）混凝土的拌合物溫度混凝土拌合物的熱量由各種原材料所提供，根據(jù)拌合前混凝土原材料的總熱量與后流態(tài)混凝土的總熱量相等的原則，混凝土的拌合物溫度To為：To=Z七.W.C/ZWC0式中：To混凝土拌合物溫度，°C；t.各種原材料的初始溫度，C；W各種原材料的質(zhì)量，kg；C各種原材料的比熱容，kJ/kg.k按照施工期間的實(shí)際情況（環(huán)境溫度按30C考慮），列出表3，用于計算:表3材料名稱W質(zhì)量/（kg）C比熱容/(kJ/kg.k)熱當(dāng)量/(kJ/C)溫度/(C)熱量/(kJ)(1)(2)(3)=(1)X(2)(4)(5)=(3)X(4)水泥2500.84210459450粗集料8150.84684.63020538細(xì)骨料10370.84871.083026132.4拌合水1614.2676.22516905Z—2441.8873025.4...To=73025.4/2441.88=29.9°C注：根據(jù)前期樁基礎(chǔ)混凝土灌注時，實(shí)際測量所得數(shù)據(jù)基本等同于環(huán)境溫度，即30C,與計算值相符?；炷恋娜肽囟龋篢=T+(T-T)(u+U+…+U)式中：t]混凝土的入模溫度，C；To混凝土拌合物溫度，C；[——澆注混凝土?xí)r氣溫，取30C；u1、u2、un系數(shù)裝車u1=0.032卸車u2=0.032攪拌車運(yùn)輸，運(yùn)距約10min，u3=0-032...Ti=29.9+(30-29.9)X(0.032+0.032+0.032)=29.9C考慮泵送中管道內(nèi)摩擦升溫1C，則Tie31C注：根據(jù)前期樁基礎(chǔ)混凝土灌注時，實(shí)際測量所得數(shù)據(jù)高于混凝土的拌合物溫度3C~5C，因此要比計算值要高2C~4C?；炷恋乃^熱溫升按絕熱條件溫升計算時，采用經(jīng)驗公式：混凝土絕熱溫升：Tmax=00=Q.(mc+K.F)/(C.p)式中：mc每方混凝土水泥用量，根據(jù)配合比mc=250kg/m3；Q水泥水化熱，廠家提供Q=330kJ/kg；K——折減系數(shù)，粉煤灰時取K=0.25；F——每方混凝土粉煤灰用量，根據(jù)配合比F=100kg/m3；C混凝土比熱，取0.92kJ/kg.K；p混凝土容重，p=2370kg/m3；...Tmax=330X(250+0.25X100)/(0.92X2370)=41.6C通過不同齡期的&值求出不同齡期的水化熱絕熱溫升(查表得&值，&為不同澆筑塊的降溫系數(shù)，該處承臺厚度按4.0m取值。)t(d)123456789101112131415E0.29910.48750.60570.6780.72020.74250.75190.7530.74870.7410.73130.72040.70890.69710.68520。弋(C)12.420.325.228.230.030.931.331.331.130.830.430.029.529.028.5澆筑溫度30C估算溫度42.450.355.258.260.060.961.361.361.160.860.460.059.559.058.5實(shí)測溫度注：表中實(shí)測溫度0后補(bǔ)。4)混凝土收縮當(dāng)量溫差采用下列指數(shù)函數(shù)表達(dá)式計算收縮值：￡（T）=￡°?M?MM.（1-e-0.01t）式中：￡（T）任意時間的收縮應(yīng)變（mm/mm）；7T——由澆注日算起到計算時的時間值（d）;e常數(shù)，取2.718；￡o=￡（8）最終收縮應(yīng)變（mm/mm）,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下￡。=3.24X10-4；M1、My2……M10——考慮各種非標(biāo)準(zhǔn)條件的修正系數(shù)；7M]采用普通硅酸鹽水泥，取1.00；m2——采用普通硅酸鹽42.5水泥，取1.35；M3骨料采用石灰?guī)r，取1.00；M4水膠比為0.45，取1.10；M；——水泥漿量為0.25，取1.20；M：——自然養(yǎng)護(hù)14d，取0.93；M；——環(huán)境相對濕度70%，取0.77；m8——基礎(chǔ)暴露大氣的程度，以水力半徑倒數(shù)計，r=0取0.54；M9采用機(jī)械振搗，取1.00；M；含筋率（EsFs/ECFC），取0.95；???...￡（T）=3.24X10-4X1.00X1.35X1.00X1.10X1.20X0.93X0.77X0.54X1.00X0.95X（1-e-0.01t）=2.121X10-4X（1-e-0.01t）為了計算方便，把收縮值換成“收縮當(dāng)量溫差”，就是把收縮產(chǎn)生的變形，換算成相當(dāng)于引起同樣變形所需要的溫度：0（T）=￡（T）/a式中：￡（T）任意時間的收縮應(yīng)變（mm/mm）；ya——混凝土的線膨脹系數(shù)，取1.0X10-5表4齡期收縮值￡（T）yW溫度0y(T)("各階段的收縮當(dāng)量溫差（°C）12.110X10-60.2110.21124.199X10-60.4200.20936.268X10-60.6270.41848.316X10-60.8320.414510.343X10-61.0340.620612.350X10-61.2350.615714.338X10-61.4340.819816.305X10-61.6300.811918.253X10-61.8251.0141020.182X10-62.0181.0041122.091X10-62.2091.2051223.982X10-62.3981.1931325.853X10-62.5851.3921427.706X10-62.7061.3141529.541X10-62.9541.6401834.936X10-63.4941.8542140.171X10-64.0172.1632445.252X10-62750.183X10-63054.968X10-64.5252.3625.0182.6565.4972.8415）各階段臺階式降溫的綜合溫差必須先計算混凝土絕熱溫升，再根據(jù)查表計算各階段臺階式降溫的綜合溫差△e。混凝土絕熱溫升：Tmax=Q.(m+K.F)/(C.p)cc式中：m——每方混凝土水泥用量，根據(jù)配合比m=250kg/m3；ccQ水泥水化熱，廠家提供Q=330kJ/kg；K折減系數(shù)，粉煤灰時取K=0.25；F——每方混凝土粉煤灰用量，根據(jù)配合比F=100kg/m3；C混凝土比熱,取0.92kJ/kg.K；p混凝土容重，p=2370kg/m3；Tmax=330X(250+0.25X100)/(0.92X2370)=41.6°Ce(6-3)=0.418+41.6X(0.65-0.62)=1.67Ce(9-6)=0.615+41.6X(0.62-0.59)=1.86Ce(12-9)=1.014+41.6X(0.59-0.48)=5.59CTOC\o"1-5"\h\ze(15-12)=1.193+41.6X(0.48-0.38)=5.35Ce(18-15)=1.640+41.6X(0.38-0.29)=5.38Ce(21-18)=1.854+41.6X(0.29-0.23)=4.35Ce(24-21)=2.163+41.6X(0.23-0.19)=3.83Ce(27-24)=2.362+41.6X(0.19-0.16)=3.61Ce(30-27)=2.656+41.6X(0.23-0.19)=4.32C總綜合溫度e=￡△e=1.67+1.86+5.59+5.35+5.38+4.35+3.83+3.61+4.32=35.96C注：以上各降溫差均為負(fù)值。6）各齡期混凝土的彈性模量計算公式：E（T）=E（1-e-0.09t）利用最小二乘法計算各E（T）式中：E（T）各齡期混凝土的彈性模量E——最終的彈性模量，一般取成齡的彈性模量即R混凝土的彈性模量，E=3.2X104(N/mm2，MPa)o28T——混凝土澆注后到計算時的齡期（E——最終的彈性模量，一般取成齡的彈性模量即R混凝土的彈性模量，E=3.2X104(N/mm2，MPa)o28E(1)=3.2X104X(1-2.718-0.09X1)=0.275X104(MPa)E(2)=3.2X104X(1-2.718-0.09x2)=0.527X104(MPa)E(3)=3.2X104X(1-2.718-0.09x3)=0.757X104(MPa)E(4)=3.2X104X(1-2.718-0.09x4)=0.967X104(MPa)E(5)=3.2X104X(1-2.718-0.09x5)=1.159X104(MPa)E(6)=3.2X104X(1-2.718-0.09x6)=1.335X104(MPa)E(7)=3.2X104X(1-2.718-0.09x7)=1.496X104(MPa)E(8)=3.2X104X(1-2.718-0.09x8)=1.642X104(MPa)E(9)=3.2X104X(1-2.718-0.09x9)=1.776X104(MPa)E(12)=3.2X104X(1-2.718-0.09x12)=2.113X104(MPa)E(15)=3.2X104X(1-2.718-0.09x15)=2.370X104(MPa)E(18)=3.2X104X(1-2.718-0.09x18)=2.567X104(MPa)E(21)=3.2X104X(1-2.718-0.09x21)=2.716X104(MPa)E(24)=3.2X104X(1-2.718-0.09x24)=2.831X104(MPa)E(27)=3.2X104X(1-2.718-0.09x27)=2.918X104(MPa)E(28)=3.2X104X(1-2.718-0.09x28)=2.942X104(MPa)各齡期混凝土的松弛系數(shù)在計算溫度應(yīng)力時，徐變所導(dǎo)致的溫度應(yīng)力的松弛，有益于防止裂縫的開展。徐變可使混凝土的長期極限抗拉值增加一倍左右，即提高了混凝土的極限(抗拉)應(yīng)變能力。因此在計算混凝土的抗裂性時顯然需要把松弛考慮進(jìn)去。其松弛程度同加荷時混凝土的齡期(T)有關(guān)，齡期越早，徐變引起的松弛亦越大，其次同應(yīng)力作用時間長短t有關(guān)，時間越長則松弛亦越大。隨時間增加而使應(yīng)力降低的松弛應(yīng)力。*(t，T1)，該松弛應(yīng)力與彈性應(yīng)力ax(T1)之比值，即為“松弛系數(shù)”，以H(t；T1)表示：計算公式：H(t，t)=a*(t，t)/a(t)[a(t)]=a[(t)(11x1x1x1x1H(t，t1)]/a(t1)式中：H(t，T1)x按理論求解積分方程十分復(fù)雜，而在一般條件下將定量結(jié)果列成表格就可給工程界一個考慮材料徐變的簡便計算方法。參照文獻(xiàn)(1)，考慮齡期及荷載持續(xù)時間影響下的應(yīng)力松弛系數(shù)H(t=30，T=3、6、9……30)的各值見下表5:表5T(d)36912151821242730H(t=30，T)0.1860.2080.2140.2150.2330.2520.3010.5240.5701.00初步計算松弛系數(shù)，計算結(jié)果如下表6:表6T(d)36912151821242730H(t=30，T)0.47370.51240.54120.56710.59290.62080.65310.69430.75601.000注：從上述計算看，表5、表6的H(t，T)值有區(qū)別，使得松弛系數(shù)的取值不盡一致，因此在重要工程應(yīng)通過試驗確定。在目前條件下宜選擇計算方便，理論可靠，又偏于安全的數(shù)值，所以在具體計算中宜進(jìn)行計算比較，然后斟酌選取偏安全值。8)收縮拉應(yīng)力計算計算公式：a(t，T)=—丈(1-1/coshP—).E(t).￡△0.H(t，T)1-^2i=1式中：a(t，t)——各齡期混凝土基礎(chǔ)所承受的溫度應(yīng)力；E.(t)各齡期混凝土的彈性模量；1a——混凝土的線膨脹系數(shù)，取1.0x10-5；￡△0——各齡期的綜合溫度，均以負(fù)值代如；.M——泊松比，當(dāng)基礎(chǔ)為雙向受力時取M=0.15；H.(t，T)各齡期混凝土的松弛系數(shù)；cosh雙曲線余弦函數(shù)；L——基礎(chǔ)長度，本例取32，000mm；B^Cx/Ei（t）;H——基礎(chǔ)底板厚度，取4