大体积混凝土裂缝控制技术

大体积混凝土裂缝控制技术1研究背景目前桥梁工程中广泛运用的大体积混凝土，常会因为施工期间(配合比设计、入模温度、养护措施等因素)控制不当而产生大量温度裂缝，致使影响工程质量。实际工程中通常采用预埋冷却水管通水来降低大体积混凝土的升温峰值，减小内表温差，进行温控。但是这种方式在实际施工中控制不当也会产生温度裂缝降低耐久性能。众多工程实践表明：冷却水管会存在压浆不实的问题，水、有害离子和空气容易渗入进去，导致金属冷却水管锈蚀，影响桥梁结构安全性冷却水管用量较大，增大工程成本，现代桥梁的建设条件及存在环境越来越恶劣。高盐分、高流速、高含沙量对桥梁承台混凝土的冲刷造成磨蚀，影响其使用寿命。1研究背景桥梁大体积混凝土裂缝控制技术通过探明不同入模温度下胶凝材料体系的水化放热特性曲线和结合不同结构部位大体积混凝土的特点，通过引入计算机有限元分析方法，将工程实际概况导入软件进行匹配计算，利用密实骨架堆积原理形成针对不同结构形式的最佳混凝土配合比设计方法，从而实现取消冷却水管施工，达到抑制桥梁大体积混凝土结构温度裂缝产生，满足低温升、高抗渗、耐冲磨、水下不分散的要求，并实现降低工程造价，提高结构使用寿命的目的。2开发的大体积裂缝控制技术

针对桥梁的承台、锚锭、索塔、沉井等各部位大体积混凝土服役环境，进行大体积混凝土低温升梯度设计与综合抗裂技术研究，取得如下的研究成果：（1）建立大体积混凝土开裂敏感性试验与评价方法，开发低温升高抗裂大体积混凝土的增韧、增稳技术，提出低温升抗裂大体积混凝土的配合比设计方法和控制指标；（2）针对沉井部位混凝土易遇水分散的特点，开发适用于水下大体积混凝土的抗水分散剂，并利用其制备出具有抗水分散、自密实、低温升抗裂性能的大体积混凝土；（3）针对承台部位混凝土易受水冲磨的特点，设计并制备出边部耐冲磨高抗裂混凝土，中部低温升混凝土的梯度结构，提出了抗渗耐冲磨抗裂梯度大体积混凝土结构设计与施工方法；（4）针对索塔部位实心段大体积混凝土超高、超远距离泵送且标号较高（C50）、水化温升比较高易造成内外温差较大、自收缩比较大、易开裂的特点，制备出抗裂耐久、工作性能优良的高性能混凝土；（5）提出桥梁各部位大体积混凝土施工质量评价体系，制定相应施工工艺及质量控制技术指南。（1）不同强度等级低温升抗裂大体积混凝土配合比优化设计及耐久性能密实骨架堆积法设计法原理：密实骨架堆积原理是通过寻求混凝土中的粗细集料的最大容重来寻找最小空隙率，通过曲线拟合可以得出骨料间的最佳比例，使得制备出的混凝土有较好的工作性、较高的强度、优良的耐久性和经济性。方法：密实堆积设计是通过矿物掺和料填充细集料空隙、矿物掺和料和细集料的混合物填充粗集料之间的空隙来实现最小空隙率Vv，再利用Vv控制混凝土中的水泥浆体用量Vp，从而达到减少混凝土中水泥用量和单位用水量。浆量Vp与空隙Vv、集料表面积s（含粉煤灰）和浆量厚度t之间的关系为：Vp=Vv+s×t=N×Vv，依据强度和耐久性要求设定水胶比，借鉴普通混凝土的水胶比取值，C30混凝土的水胶比可在0.36～0.40之间选取，C40混凝土的水胶比在0.32~0.36之间选取，C50混凝土的水胶比在0.28~0.32之间选取；最后再求出拌和水量。（1）不同强度等级低温升抗裂大体积混凝土配合比优化设计及耐久性能技术措施：1）采用密实骨架堆积法来进行大体积混凝土配合比设计，通过掺矿物掺合料减少水泥用量，降低混凝土水化温升、内外温差及其带来的温度应力，避免产生温度裂缝，提高混凝土耐久性和体积稳定性。2）掺加具有减缩、增韧的聚合物外加剂，减少混凝土的收缩，提高混凝土的抗裂性能。大板抗裂试验混凝土抗渗试验Cl−扩散系数试验混凝土抗冻实验大体积混凝土推荐配合比（kg/m3）嘉绍大桥大体积混凝土的性能标号坍落度（mm）抗压强度（MPa）抗渗等级抗冻等级氯离子渗透系数（×10-12m2/s）0h1h3d7d28dC3022020019.832.545.8P18F3002.0C4022020023.537.952.1P20F3001.5C5021019529.647.659.3P25F3001.0标号水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂减缩增韧剂C301429615916379510553.84.2C4014514014014078010604.734.3C5015023013012077010505.284.8低温升抗裂混凝土与普通混凝土收缩对比结果标号水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂减缩增韧剂C30（抗裂）1429615916379510553.84.2C50（抗裂）15023013012077010505.284.8C30（普通）158290100/79510553.8/C50（普通）15040080/75010705.8/标号3d7d28d60d180dC30（抗裂）59113174233286C30（普通）82168231304382C50（抗裂）88143.230293369C50（普通）128204299346458（2）抗冲磨大体积混凝土配合比设计极其性能

现状：构件所处环境含沙量大，流速急，混凝土表面冲刷磨损和融蚀破坏严重。措施一：通过基于密实骨架堆积方法并优化胶凝材料浆体的组成，提高浆体和骨料间的界面粘结特性，提高混凝土自身耐冲磨特性.

措施二：在混凝土中掺入经特殊处理的高强聚丙烯仿钢纤维，在其内部构成一乱向支撑体系，产生有效的多向二级加强效果，赋予了混凝土一定的韧性，改善混凝土的抗裂性能及抗冲磨性能。抗冲大体积磨混凝土性的配合比与能抗冲磨混凝土配合比（Kg/m3）抗冲磨混凝土性能编号坍落度/mm抗压强度劈裂抗拉强度抗冲磨强度/kg/h.m20h2h7d28d7d28d122020037461.83.31.92221518535451.93.51.43322018531422.13.60.98421019036522.94.30.81521018029402.03.41.23编号CF矿粉硅灰砂石减水剂水高强聚丙烯仿钢纤维1160120140/77510704.5146/2160120140/77510704.514623160120140/77510704.5146441501101402077510704.914645160120140/77510704.51466

通过优化设计后的抗冲磨大体积混凝土抗裂性能、抗渗性能优异，并且抗冲磨性能显著提高。各组混凝土其他性能编号抗裂性能（平板法）初凝时间/h氯离子渗透系数/×10-12m2/s1Ⅲ201.42Ⅲ221.33Ⅳ241.14Ⅳ240.95Ⅲ241.2抗冲磨混凝土配合比（Kg/m3）编号CF矿粉砂石减水剂水聚丙烯纤维316012014077510704.51464515013014077510704.51454617011014077510704.51484718010014077510704.51514抗冲磨混凝土性能编号坍落度/mm抗压强度劈裂抗拉强度抗冲磨强度/kg/h.m20h2h7d28d7d28d322520031422.13.60.98522021028382.03.31.21622219033452.23.70.91723018534482.23.80.85胶凝材料的用量对抗冲磨混凝土性能的影响（3）水下不分散混凝土的配合比设计及其性能研究A、由纤维素类水溶性聚合物羟乙基纤维素作为抗水分散主剂，复配无机增粘保水组分和缓凝组分，研制出适用于水下抗分散大体积混凝土的专用外加剂WHT-1。B、通过对抗水分散剂及胶凝材料用量的影响分析，设计出适合施工要求的水下不分散、自密实、低温升、高抗裂性能的混凝土配合比。水下不分散混凝土配合比设计（1）抗水分散剂的掺量水下不分散混凝土性能的影响编号CFUEA砂大石小石水PCWHT%1210170407489691081554.20.22210170407489691081554.20.43210170407489691081554.20.6水下不分散混凝土性能编号坍落度/mm扩展度/mm7d抗压强度水陆比28d抗压强度水陆比0h2h0h2h水中陆地水中陆地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）配合比用量不变的情况下，随着抗水分散剂掺量的增加，水下不分散混凝土的初始坍落度逐渐变小，并且坍落度损失快；另外，随着抗水分散剂掺量的增加，水下不分散混凝土的水陆强度先增大，掺量增到0.6%时，水陆强度比基本不变；所以，综合水下不分散混凝土的工作状态和经济效益，优选抗水分散剂最佳掺量4%。（2）胶凝材料的用量对水下不分散混凝土性能的影响水下不分散混凝土性能水下不分散混凝土配合比（Kg/m3）

胶凝材料总用量不变时，随着水泥用量增加和粉煤灰用量降低，需水量不断增加才能保证水下不分散混凝土工作状态和经时工作状态保持一致。由于抗水分散剂、高效减水保塑剂和基本配合比没有变化，7d、28d水陆强度比基本不变，均满足设计要求；在此，考虑封底混凝土为C30高性能混凝土，优选配合比4进行研究。编号CFUEA砂大石小石水PCWHT%2210170407489691081554.20.44230150407489691081574.20.45250130407489691081594.20.4编号坍落度/mm扩展度/mm7d抗压强度水陆比28d抗压强度水陆比0h2h0h2h水中陆地水中陆地224018063057026.631.30.8532.637.10.88423518562056029.934.80.8636.341.20.88524018563056530.335.60.8537.042.10.88（4）承台低温升抗裂大体积混凝土梯度结构设计

根据材料复合设计原理，设计采用在大体积混凝土的边部采用通过增韧增稳技术制备出高韧性抗裂耐磨混凝土，中部采用低温升高抗裂混凝土，形成连续（无冷缝）的高抗裂大体积混凝土梯度结构。在低温升高抗裂混凝土+高韧性抗裂耐磨混凝土结构形式的组合下，通过优化设计两种混凝土材料的不同厚度及布置形式，既降低了内表温差，减小了整体的温度应力水平，又增强了温度梯度最大处—边部混凝土的抗裂性能，最终形成了一种混凝土温度及抗裂特性梯度变化的桥梁大体积混凝土结构。梯度结构侧剖图梯度结构俯视图19三、研究成果部分工程应用实例在工程应用当中，本课题取消了冷却水管，加速了施工进度，减少工程造价，而且混凝土没有产生裂缝，具有优良的抗碳化、抗氯离子渗透、抗冻等耐久性能。在施工当中，承台大部分采用一次性浇筑，在浇筑过程当中采用分层浇筑。在混凝土初凝之前喷雾养护，初凝之后蓄20cm水养护，4~5d后拆模。赣州赣江大桥承台水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂减缩增韧剂15415017012077010863.963.5

赣州赣江公路大桥为特大桥，全长1073米，主跨为408米地锚式悬索桥，引桥为连续梁桥。该桥东、西两岸承台各自分上下游两部分，承台单个尺寸直径为19.5m，高为5m，属大体积混凝土结构。采用C35大体积混凝土.抗压强度(MPa)劈裂抗拉强度(MPa)坍落度/扩展度(cm)抗渗等级氯离子扩散系数7d28d90d7d28d0h1h31.649.359.12.53.519.518P181.0×10-12

混凝土最高温度53℃，最大内表温差均小于20℃，在取消冷却水管下,没有产生温度裂缝。

赣州三赣江三大桥三锚锭锚块三混凝三土为C3三0强度三等级,总计46三70三0m3。强度等级各组分用量（kg/m3）坍落度（mm）抗压强度(MPa)水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂0h1h7d28d90dC3015012015015079010903.5718516527.743.063.2C3三0混凝三土断三面最三高温三度51三℃，最三大内三表温三差均三小于18三℃，在三取消三冷却三水管三条件三下,没有三产生三温度三裂缝,仅冷三却水三管就三节约10三0多万三元.氯离三子扩三散系三数为1.三4×三10-1三2m2/s天兴三洲大三桥水灰比各材料用量（kg/m3）坍落度抗压强度（MPa,d）水水泥砂碎石粉煤灰728900.45173231759114016520031.743.2C3三0承台三混凝三土配三合比在承三台混三凝土三浇筑三和养三护过三程中三，采三用优三化后三的混三凝土三以及三合理三的温三控措三施，三所控三的承三台施三工质三量良三好，混凝三土断三面最三高温三度55三℃，最三大内三表温三差均三小于25三℃，温三控效三果良三好，没有三产生三温度三裂缝三。中铁三十二三局天三兴洲三大桥三标段三桥墩三承台三主要三有三三种尺三寸类三型，三分别三为：02三9-三04三5、06三7-三07三0墩承三台平三面尺三寸为21三m三×1三0.三8m，高3.三5三m，04三6-三04三9承台三平面三尺寸三为21三m×三11三.6三m，高4三m，05三0×三06三1墩承三台平三面尺三寸为23三.1三m×三15三.3三m，高5三m，均三属于大体三积混三凝土。氯离三子扩三散系三数1.三8×三10-1三2m2/s东沙三大桥东沙三特大三桥主三塔承三台长28三m、宽19三m、厚6m，混三凝土三标号三为C3三0，共30三92三m3，属三于典三型的三大体三积混三凝土三施工三。各组分用量（kg/m3）初凝时间（h）坍落度（cm）抗压强度（MPa）水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂0h1h7d28d90d16013014014073811078.342522.01926.045.866.2混凝三土断三面最三高温三度49三℃，最三大内三表温三差均三小于25三℃，未三产生三温度三裂缝。氯离三子扩三散系三数为三：1.三3×三10-1三2m2/s黄埔三大桥三南锚三锭底三板广州三珠江三黄埔三大桥三南锚三锭底三板属三于大三体积三混凝三土结三构物三，基三坑底三板为三直径70三.6三m、高5m的混三凝土三圆柱三体，三混凝三土为C3三0微膨三胀混三凝土三，混凝三土总三方量三为19三89三9m3各组分用量（kg/m3）坍落度（cm）抗压强度（MPa）氯离子扩散系数水水泥粉煤灰矿粉膨胀剂砂石减水剂0h1h7d28d90d1751401401203070810628.121.5182946681.0×10-12混凝三土断三面最三高温三度55三℃，温控三效果三良好三，没三有产三生温三度裂三缝。黄埔三大桥三南锚三锭基三坑填三芯各组分用量（kg/m3）初凝时间（h）坍落度（cm）抗压强度（MPa）抗渗等级水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂0h1h7d28d90d1751001501007501009530211818.836.557.8P18混凝三土断三面最三高温三度52三℃，最大三内表三温差三均小三于25三℃，温控三效果三良好三，没三有产三生温三度裂三缝广州三珠江三黄埔三大桥三南锚三锭基三坑填三芯混三凝土三为C2三0强度三等级三，浇筑三总方三量为44三90三0m3氯离三子渗三透系三数为2.三0×三10-1三2m2/s广州三珠江三黄埔三大桥三南锚三锭顶三板编号各组分用量（kg/m3）初凝时间（h）坍落度cm抗压强度（MPa）水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂0h1h7d28d90d116514014014073810628.12122.01928.54363.8广州三珠江三黄埔三大桥三南锚三锭顶三板属三于大三体积三混凝三土结三构物三，基三坑顶三板混三凝土三为C3三0强度三等级三，混凝三土浇三筑总三方量17三41三8m3混凝三土断三面最三高温三度49三℃，最大三内表三温差三均小三于25三℃，温三控效三果良三好，三没有三产生三温度三裂缝三。氯离三子渗三透系三数为1.三3×三10-1三2m2/s阳逻三大桥阳逻三长江三大桥三北锚三块，长70三.5三m，宽54三.0三m，高46三.0三m，混三凝土三强度三等级三分别三为C3三0，属三大体三积混三凝土三结构三物，混凝三土方三量为80三41三8.三4m3。水(kg/m3)水泥(kg/m3)矿粉(kg/m3)粉煤灰(kg/m3)砂(kg/m3)石(kg/m3)减水剂(kg/m3)坍落度(cm)氯离子扩散系数0h2h17012014014072810959.021.5171.45×10-12混凝三土断三面最三高温三度53三℃，最三大内三表温三差均三小于25三℃，温三控效三果良三好，三没有三产生三温度三裂缝三。广州三珠江三黄埔三大桥三后锚三块广州三珠江三黄埔三大桥三后锚三块属三于大三体积三混凝三土结三构物三，锚三块最长32三.0三m，宽26三.2三5m，高31三.1三7m，混三凝土三强度三等级三为C3三0。锚三块混三凝土三总方三量约三为：C3三0混凝三土41三72三0m3各组分用量（kg/m3）初凝时间（h）坍落度（cm）抗压强度（MPa）水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂0h1h7d28d90d16514014014073810628.12122.01928..54364.1混凝三土断面三最高三温度49三℃，最三大内三表温三差均三小于25三℃，温控三效果三良好三，没三有产三生温三度裂三缝。氯离三子渗三透系三数为1.三3×三10-1三2m2/s广州三珠江三黄埔三大桥三塔座各组分用量（kg/m3）坍落度（cm）抗压强度（MPa）水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂0h1h7d28d90d1752201101007651043720.515365575.3混凝三土断面三最高三温度59三℃，最三大内三表温三差均三小于25三℃，温控三效果三良好三，没三有产三生温三度裂三缝。广州三珠江三黄埔三大桥三塔座三属于三大体三积混三凝土三结构三物，三棱台三形底长19三m,宽19三m,高5m。上三、下三游塔三座混三凝土三方量三均为58三2三m3，共三计11三64三m3。氯离三子渗三透系三数为1.三4×三10-1三2m2/s雅西三高速三公路三全线三承台三大体三积混三凝土三设计雅西三高速三公路:例如三黑石三沟大三桥2号承三台，三腊八三斤10号、11号承三台，三承台三尺寸三为：长24三.5三m，宽20三.5三m，高5m，采用三该技三术方三案，三取消三冷却三水管三，承台三大体三积混三凝土三内部三最高三温升48三.9三℃，入三模温三度25三℃，节三约了三工期三和成三本（三每方三混凝三土节三约30元，三每个三承台三混凝三土节三约6万元三左右三，冷三却水三管节三约5万元三左右三，每三个承三台共三计节三约工三程造三价11万元三），三工程三应用三效果三良好三，混三凝土三未产三生温三度裂三缝和三收缩三裂缝三。水水泥Ⅱ级粉煤灰砂石减水剂（kg/m3）坍落度cm抗压强度MPa凝结时间h氯离子扩散系数聚羧酸系0h1h7d28d90d初凝15022017079610993.52018234161211.3×10-12嘉绍三跨江三大桥三承台各组分用量（kg/m3）坍落度（cm）抗压强度（MPa）水水泥粉煤灰矿粉砂石减水剂0h1h7d28d90d1429615916379510554.220.515244363.2入模三温度三为3三5℃三，混凝三土断三面最三高温三度6三1℃三，最三大内三表温三差均三小于三20三℃，温控三效果三良好三，没三有产三生温三度裂三缝。嘉绍三跨江三大桥三属于三大体三积混三凝土三结构三物，三圆形三直径40米，三高6米。三分两三层浇三注，混凝三土方三量为75三00方。赣江三石虎三塘航三电枢三纽工三程石虎三塘航三电枢三纽工三程泄三洪闸三底板三及闸三墩，三船闸三底板三与上三下闸三首结三构断三面尺三寸与三实体三尺寸三均超三过1m，混三凝土三一次三浇注三量大三，属三于典三型的三水工三大体三积混三凝土三。C3三0混凝三土入三模温三度在30三℃时最三高温三度47三℃，最三大内三表温三差均三小于20三℃，温三控效三果良三好，三没有三产生三温度三裂缝三。编号标号各组分用量（kg/m3）水水泥粉煤灰矿粉砂小石（5-20mm）中石(20-40mm)大石(40-80mm)外加剂1C201088564386504145524141.92C251089271416274195584192.03C3010810179455854325764322.3合江三二桥三2号三墩承台长三37三.6×20三.1×6米三，一三次性三浇注。入三模温三度为三28三摄氏三度，最高三温度三为5三7.三8℃三，内三外最三大温三差2三0.三5℃三。90三天强三度达三到6三3M三Pa三，P三H值三12三.6三。合江三二桥三塔座三实心三段26三.5三×1三4.三7×三3米，一三次性三浇注三。入模三温度三为30三℃，最三高温三度为58三.9三℃，内三外最三大温三差19三.7三℃。合江三