大体积承台混凝土配合比优化设计

[摘要] ：分析大体积混凝土裂缝产生的主要原因，通过优化配合比设计，在大体积混凝土中掺入粉煤灰、减水剂来减少用水量和水泥用量，有效降低混凝土内部因水化热引起的温升，来保证大体积混凝土的质量。

[关键词]：大体积混凝土，配合比，优化设计

中图分类号：TU375 文献标识码：A

1 工程概况

大体积混凝土施工时遇到的普遍问题是温度裂缝，温度裂缝主要出现在结构成型之初，由于浇筑初期，水泥的水化作用放出大量水化热，但由于混凝土表面散热条件好，因而温度上升较少，而混凝土内部由于散热条件差，热量散发少，内部温度上升较快，体积膨胀，导致形成温度梯度，形成内约束力，结果混凝土内部产生压应力，在表面引起拉应力，当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会在混凝土表面出现裂缝。后期水泥水化热基本释放，混凝土内部温度逐渐降温，引起混凝土冷却收缩，再加上混凝土中多余水分蒸发等引起体积收缩变形，但由于受到基础或老混凝上的约束，导致结构结合面出现拉应力。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，也会在约束面向上形成裂缝。如果温度应力足够大，可以形成贯穿结构的整体裂缝，影响结构整体使用。

某独塔双索面混凝土斜拉桥，全长250m，桥跨布置为2×25+（110+67+23），其中主桥长度200.0m。主塔承台共有2座，外形尺寸均为17.25m×17.25m×4.5m，采用C35混凝土，单个承台混凝土方量为1339.03m3，采用一次浇筑完成的施工工艺，属大体积混凝土结构。施工时环境温度昼夜温差大，造成混凝土内表温差也大。在这些综合因素作用下，混凝土内部存在产生裂缝的危险，必须采取专门措施防止因为混凝土水化热温升而出现的温度裂缝，以满足设计要求，保证大桥的长期安全使用。

2 原材料选用及配合比设计

以降低混凝土内部温升为指导思想，在保证强度的前提下，通过掺加粉煤灰、减水剂来减少用水量和水泥用量，降低水化热，改善和易性，进行配合比优化设计。

2.1 胶凝剂

水泥的水化热是大体积混凝土内部热量的主要来源，由于大体积混凝土截面厚度大，水化热聚集在混凝土内不易散失，控制水泥产生水化热是控制大体积混凝土内部温度的重要措施。为此，对胶凝材料提出了如下要求：

①采用低水化热的普通硅酸盐水泥。避免使用早强、水化热较高和C3A含量较高的水泥，水泥中的C3A含量应控制在6%～12%之间。

②水泥中的氯离子含量应低于0.3%；水泥含碱量应小于0.6%。

③水泥细度控制在3%～6%之间，防止水泥细度过小，从而引起早期发热过快，不利于温控。

④降低水泥用量，在确保胶凝体总量不变的情况下采用双掺技术，即加入粉煤灰及外加剂。粉煤灰采用组分均匀和各项性能稳定的Ⅱ级以上优质粉煤灰，而且烧失量应不大于4%，需水量比应小于等于95%，以降低用水量；为提高混凝土耐久性和减少用水量，改善混凝土和易性，施工时应掺加适量的高效缓凝减水剂，延缓水泥水化热释放速度，凝结时间适当延长，以有效降低水化热峰值。减水剂的减水率不低于20%，以减少水泥用量，从而降低水化热。

⑤当水泥温度大于60℃时，不允许进入水泥储料罐。同时应做到先入罐的水泥先用，以保证水泥有足够的降温时间。

2.2 骨料

骨料在大体积混凝土中主要起骨架和填充作用，细骨料以选用中粗砂为佳，粗骨料以满足泵送性能要求，选取粒径较大、级配连续、强度高的骨料。这样可以获得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，减少干缩，减小混凝土裂缝的延展；另外，石灰岩骨料尤其是多棱角的石灰岩骨料可以使混凝土的温度变形系数值减小，同时可以使混凝土的极限拉伸显著提高。

根据上述分析，结合工程所在地实际情况，配合比设计时选用的骨料粒径为5mm～31.5mm，级配连续。细骨料为中粗砂，细度模数为2.4～2.6。

2.3 混凝土配合比设计

根据胶凝剂、骨料、外加剂对大体积混凝土温度、强度的影响分析，为了减少水泥用量，降低水化热（每减少10kg水泥用量水化热升温可以减低大约1℃～1.2℃），充分利用混凝土后期强度，配合比设计时，经设计同意，将混凝土28天强度改为45天强度设计，这样可以充分利用粉煤灰的后期强度，在规范允许的范围内尽量采用粉煤灰替代部分水泥，以达到减小水泥用量及混凝土绝热温升的目的。

依据上述原则，本工程大体积混凝土做了两个配合比，比较如下：

（1）、基准配合比设计：

①试配强度：fcu.0=fcu.k+1.645σ=35+1.645×5=43.225(MPa)

fcu,0--混凝土配制强度(MPa)；

fcu,k--混凝土立方体抗压强度标准值(MPa)；

σ---混凝土强度标准差(MPa)，σ取5 MPa。

②计算水灰比：W/C=αa.fce/（fcu,0+αa.αb.fce）

式中：αa，αb--回归系数，本次采用碎石浇筑混凝土，按经验取值αa=0.46，αb=0.07

fce--水泥28d抗压强度实测值(MPa)，采用P.O 42.5水泥，强度富裕系数取1.1

W/C=αa.fce/（fcu,0+αa.αb.fce）

=0.46×42.5×1.1/（43.2+0.46×0.07×42.5×1.1）=0.48

③计算用水量：mw0按经验选取210（kg/m3），掺高效减水剂1.4%，减水率18%，则：mw0=210×（1－18%）=172(kg/m3)

④计算水泥用量： mc=mw0÷W/C=172÷0.48=358(kg/m3)

⑤由于是大体积混凝土，为降低水化热，掺入20%粉煤灰，可替代水泥用量：358*0.20=72kg

⑥计算减水剂用量：mj=358×1.4%=5.02kg/m3

⑦计算砂率：βs0按经验选取40%

⑧计算砂石重量，设混凝土密度为2400kg/m3。

358+ms0+mg0+172+5.02+72=2400

40%=ms0/（ms0+mg0）×100%

解之得：ms0=717(kg/m3)、mg0=1075(kg/m3)

⑨初步配合比：

水泥：砂：碎石：水：减水剂：粉煤灰=358：716：1075(753+322)：172：5.02：72

水灰比W/C=0.48，砂率βs0=40%；

（2）调整配合比，在基准配合比的基础上水灰比增加0.05，砂率增加1%，则：

①水灰比：W2/C2=W/C＋0.05=0.48＋0.05=0.53；

②砂率：βs2=40%＋1%=41%；

③用水量：mw2=172(kg/m3)；

④计算水泥用量：mc2=mw2÷W2/C2=172÷0.53=325(kg/m3)

⑤掺入20%粉煤灰：325*0.20=65kg

⑥计算减水剂用量：mj2=325×1.4%=4.55kg/m3

⑦计算砂石重量，设混凝土密度为2400kg/m3。

325+ms2+mg2+172+4.55+65=2400

41%=ms2/（ms2+mg2）×100%

解之得：ms2=751(kg/m3)、mg2=1081(kg/m3)

则配合比确定为：

水泥：砂：碎石：水：减水剂：粉煤灰=325：752：1082（757+325）：172：4.55：65

水泥采用常州盘固P.O42.5、黄砂采用江西中粗砂、碎石采用安徽产5～31.5mm连续级配碎石、粉煤灰采用谏壁科源粉煤灰、外加剂采用特密斯TMS-Y1型外加剂。粉煤灰掺量占胶结总量的20%。

3 工程应用情况

根据试拌结果，二个配合比均能满足混凝土强度要求，考虑降低大体积混凝土水化热，选用调整配合比。每座承台混凝土浇筑时间为15h左右，施工中采取控制入仓温度、布设冷却水管及外部覆盖保温材料，并对混凝土的温度进行实时监测，根据监测数据指导养护工作。本工程承台模板在混凝土浇筑完成后14d拆除，从承台外部观测未发现结构性裂缝，承台大体积混凝土施工取得了较好的效果，达到了预期目的。

4 结束语

大桥主墩承台大体积混凝土施工中通过优化配合比设计，在大体积混凝土中掺入粉煤灰、减水剂来减少用水量和水泥用量，有效降低混凝土内部因水化热引起的温升，结合在混凝土浇筑时采取一定的控制措施，确保混凝土不出现过大的温度应力，避免出现有害裂缝。

[参考文献]：

1、JGJ 55-2000，普通混凝土配合比设计规程[S]。

2、谢伟英、黄顺祥、丘庆发，东沙大桥大体积混凝土配合比优化设计及施工[J]，公路，2007，(1)。

3、苗春、汤俊、缪小星、冯华君、MIAO Chun、TANG Jun、MIAO Xiao-xing、FENG Hua-jun，C40大体积混凝土配合比设计及工程应用[J]，西安建筑科技大学学报（自然科学版），2007，39(2)。