先进混凝土保护剂设计（水化温升抑制剂在大体积混凝土中的应用）
摘 要：在传统大体积混凝土施工中采用冷却水管进行混凝土内部降温，达到內降外保的效果。采用混凝土水化热温升抑制剂，取消冷却水管，既可达到大体积混凝土温控要求，又可以减少冷却水管的投入。
关键词：锚碇;大体积混凝土;水化热温升抑制剂;
1 工程概况新田长江大桥北岸高峰侧锚碇为重力锚，采用扩大基础结构形式，由锚块、散索鞍支墩及基础、前锚室3部分组成。总体长70.6 m, 宽57.13 m, 高41.88 m。锚块基底置于中风化泥岩及中风化砂岩层，其顺桥向长43.36 m, 横桥向宽57.13 m, 高 41.88 m, 锚块基底标高为 198.0 m。锚块前后趾及下游侧表面在标高 222 m以下外轮廓构造利用基坑开挖边坡成型。锚块整体为上小下大，前窄后宽的结构构造。锚块顶面兼作30 m 路基段，同时作为前后引桥的桥台基础，左右幅锚块间设置2.2 m宽后浇段。见图1。
图1 新田长江大桥锚碇结构示意
单位：cm
2 设计措施(1) 对大体积混凝土进行优化，增加抑制剂来改变传统意义大体积混凝土降温措施，取代冷却水管。
(2)通过胶凝材料中大掺量粉煤灰来降低水化热，减少开裂风险。
3 配合比设计3.1原材料(1)水泥：P.O42.5水泥；
(2)粉煤灰：F类Ⅱ级粉煤灰，粉煤灰掺量为40%;
(3)细集料：机制砂；
(4)粗集料：5～25 mm连续级配卵碎石(5～10 mm占40%,10～25 mm占60%);
(5)外加剂：YH-A型聚羧酸高性能减水剂，掺量1%(胶凝材料质量计);
(6)水化热抑制剂：掺量3.8%(胶凝材料质量计)。
3.2水化热抑制剂大体积配合比配合比见表1和表2。
表1 C30水化热抑制剂大体积混凝土配合比
|
水胶比 |
砂率%砂率% |
水 |
水泥 |
粉煤灰 |
机制砂 |
5～10 mm粗集料 |
10～25 mm粗集料 |
减水剂 |
抑制剂 |
|
kg/m3 | |||||||||
|
0.43 |
44 |
150 |
209 |
140 |
837 |
426 |
639 |
3.49 |
1.33 |
|
0.45 |
44 |
457 |
209 |
140 |
852 |
417 |
625 |
3.49 |
1.33 |
|
0.47 |
46 |
164 |
209 |
140 |
868 |
408 |
611 |
3.49 |
1.33 |
表2 C30水化热抑制剂大体积混凝土检测数据
|
水胶比 |
表观密度/(kg/m3) |
坍落度/mm |
凝结时间/(h: min) |
抗压强度/MPa | ||
|
初凝时间 |
终凝时间 |
28 d |
60 d | |||
|
0.43 |
2 410 |
190 |
37:55 |
50:10 |
39.4 |
45.5 |
|
0.45 |
2 400 |
200 |
38:40 |
50:20 |
38.5 |
42.7 |
|
0.47 |
2 390 |
215 |
39:50 |
52:10 |
34.1 |
37.6 |
通过表1和表2可知，水胶比0.45的水泥混凝土配合比满足设计要求，故选定为试验配合比，该配合比具体技术指标见表3。
表3 试验室最终配合比C30水化热抑制剂大体积混凝土配合比
|
水胶比 |
砂率/% |
水 |
水泥 |
粉煤灰 |
机制砂 |
5～10 mm粗集料 |
10～25 mm粗集料 |
减水剂 |
抑制剂 |
|
kg/m3 | |||||||||
|
0.45 |
44 |
157 |
209 |
140 |
852 |
417 |
625 |
3.49 |
1.33 |
|
相对用量/% |
0.75 |
1 |
0.67 |
4.08 |
1.99 |
2.99 |
0.01 |
0.38 | |
|
检测项目 |
试验结果 |
试验方法 | |||||||
|
坍落度 |
200 mm |
JTG E30-2005T0527-2005 | |||||||
|
凝结时间 |
初结时间 |
38 h: 40 min |
JTG E30-2005T0527-2005 | ||||||
|
终凝时间 |
50 h: 20 min | ||||||||
|
抗压强度 |
7 d |
20.8 MPa |
JTG E30-2005T0527-2005 | ||||||
|
28 d |
38.5 MPa | ||||||||
|
60 d |
42.7 MPa | ||||||||
(1)控制混凝土浇筑温度；
(2)降低混凝土的温升、延缓温峰出现时间；
(3)控制温峰过后混凝土的降温速率；
(4)降低混凝土中心和表面之间、新老混凝土之间的温差以及控制混凝土表面温度和气温之间的差值。
温度控制方法的制定需根据气温、混凝土配合比、结构尺寸、约束情况等具体条件确定。根据温控方案中的仿真计算结果，结合本工程的实际情况，参考《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650-2020)、《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018)和《水运工程大体积混凝土温度裂缝控制技术规程》(JTS 202-1-2010)等的相关规定，对高峰侧锚碇大体积混凝土制定的温控标准见表4。
表4 高峰侧锚碇大体积混凝土温度控制标准
|
序号 |
温控项目 |
控制标准 |
依据 |
|
1 |
混凝土浇筑温度 |
≥5℃,≤30℃ |
《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650-2020)《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018) |
|
2 |
混凝土内部最高温度 |
≤70℃ |
施工条件及温控计算结果 |
|
3 |
混凝土内表温差 |
≤25℃ |
《公路桥涵施工技术规范》(JTG/T 3650-2020)《大体积混凝土施工标准》(GB 50496-2018) |
|
4 |
混凝土降温速率 |
≤2.0℃/d | |
|
5 |
混凝土表面与养护环境温度之差 |
≤20℃ | |
|
6 |
冷却水进出水口温差 |
≤10℃ | |
|
7 |
冷却水与混凝土内部温度之差 |
≤25℃ |
新田长江大桥高峰侧锚碇左幅锚块五～七层，右幅锚块八～十层采用抑制剂大体积混凝土。见表5～表7、图2和图3。
表5 高峰侧锚碇混凝土浇筑情况
|
部位 |
开盘时间 |
收盘时间 |
浇筑时长/h |
浇筑厚度/m |
混凝土方量/m3 |
|
左幅锚块第一层 |
1月7日14:35 |
1月9日00:30 |
34 |
4 |
2 236 |
|
左幅锚块第二层 |
3月13日20:30 |
3月15日08:20 |
36 |
4 |
2 328 |
|
左幅锚块第三层 |
3月25日08:00 |
3月26日20:00 |
36 |
4 |
2 760 |
|
左幅锚块第四层 |
4月5日19:00 |
4月7日06:00 |
35 |
4 |
3 054 |
|
左幅锚块第五层 |
4月18日20:45 |
4月20日18:00 |
46 |
4 |
3 200 |
|
左幅锚块第六层 |
5月3日22:00 |
5月5日18:00 |
44 |
4 |
2 942 |
|
左幅锚块第七层 |
5月18日16:00 |
5月20日12:00 |
44 |
4 |
2 740 |
|
右幅锚块第一层 |
1月13日8:30 |
1月14日8:30 |
24 |
4 |
1 898 |
|
右幅锚块第二层 |
3月11日08:00 |
3月13日00:00 |
40 |
4 |
2 206 |
|
右幅锚块第三层 |
3月22日08:00 |
3月24日00:00 |
40 |
4 |
2 913 |
|
右幅锚块第四层 |
4月2日20:00 |
4月4日15:00 |
44 |
4 |
3 326 |
|
右幅锚块第五层 |
4月14日23:45 |
4月16日23:40 |
48 |
4 |
3 897 |
|
右幅锚块第六层 |
4月30日09:00 |
5月2日12:00 |
51 |
4 |
4 070 |
|
右幅锚块第七层 |
5月12日13:00 |
5月12日13:00 |
31 |
4 |
2 716 |
|
右幅锚块第八层 |
5月25日23:45 |
5月27日08:00 |
32 |
4 |
2 713 |
|
右幅锚块第九层 |
6月14日20:00 |
6月16日07:00 |
35 |
4 |
2 691 |
|
右幅锚块第十层 |
7月3日21:30 |
7月5日09:30 |
37 |
4 |
2 167 |
根据浇筑层厚布置，于混凝土底面以上162.5 cm和237.5 cm的高度布置测温点监测混凝土内部温度及表面温度，测温元件布设及编号见图4。
混凝土温度监测于2020年7月3日21:30开始，截至7月13日22:00的混凝土温度监测数据如表8所示。
混凝土内部最高温度为68.9℃,符合≤70℃的控制标准；混凝土最大内表温差为24.6℃,符合≤25℃的控制标准；温峰后混凝土降温速率为0.4～1.4℃/d, 符合≤2.0℃/d的控制标准。
高度162.5 cm混凝土温度特征值发展历时曲线如图5所示。可以看出，测点监测区域混凝土覆盖测点后于10 h左右开始升温，于116 h左右达到温峰。因取消冷却水管，温峰后混凝土内部降温缓慢，表面温度随气温波动，混凝土内表温差整体水平较高。
表6 高峰侧锚碇水管控制情况汇总
|
浇筑部位 |
开水时间 |
关水时间 |
进水温度/℃ |
出水温度/℃ |
进出水温差/℃ |
内部温度与进水温度差/℃ |
|
左幅锚块第一层 |
1月8日8:30 |
1月11日12:00 |
11～29 |
17～38 |
3～9 |
9.3～23.6 |
|
左幅锚块第二层 |
3月14日18:00 |
3月17日14:00 |
20～31 |
21～40 |
1～9 |
11.4～25.0 |
|
左幅锚块第三层 |
3月25日18:00 |
3月28日13:00 |
18～39 |
20～44 |
2～8 |
11.6～24.6 |
|
左幅锚块第四层 |
4月6日12:00 |
4月9日08:00 |
22～31 |
23～38 |
1～8 |
8.3～24.9 |
|
左幅锚块第五层 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
|
左幅锚块第六层 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
|
左幅锚块第七层 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
|
右幅锚块第一层 |
1月13日20:30 |
1月16日11:30 |
8～27 |
9～36 |
1～9 |
9.2～24.7 |
|
右幅锚块第二层 |
3月12日09:00 |
3月14日13:00 |
14～30 |
17～39 |
2～9 |
19.9～24.9 |
|
右幅锚块第三层 |
3月23日09:00 |
3月25日22:00 |
27～35 |
32～42 |
2～8 |
23.2～24.9 |
|
右幅锚块第四层 |
4月3日18:00 |
4月5日13:00 |
17～35 |
20～43 |
3～9 |
18.3～24.5 |
|
右幅锚块第五层 |
4月15日20:00 |
4月19日22:00 |
20～40 |
24～49 |
2～10 |
19.9～24.1 |
|
右幅锚块第六层 |
4月30日20:00 |
5月3日13:00 |
20～39 |
23～46 |
3～7 |
9.3～24.2 |
|
右幅锚块第七层 |
5月12日20:00 |
5月17日18:00 |
22～40 |
26～47 |
3～7 |
9.2～24.2 |
|
右幅锚块第八层 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
|
右幅锚块第九层 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
|
右幅锚块第十层 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
无通水 |
表7 高峰侧锚碇各层温度特征值监测数据
|
层数 |
内部最高温度℃高温度℃ |
温峰到达时间h达时间h |
最大内表温差℃表温差℃ |
降温速率℃/d速率℃/d |
|
左幅锚块第一层 |
54.0 |
69 |
24.8 |
0.6～2.0 |
|
左幅锚块第二层 |
57.2 |
71 |
23.3 |
0.7～1.4 |
|
左幅锚块第三层 |
61.5 |
56 |
25.0 |
1.1～2.0 |
|
左幅锚块第四层 |
56.5 |
69 |
24.4 |
0.7～2.0 |
|
左幅锚块第五层 |
65.8 |
80 |
24.6 |
0.8～1.8 |
|
左幅锚块第六层 |
63.7 |
37 |
24.5 |
0.8～1.8 |
|
左幅锚块第七层 |
63.4 |
54 |
22.8 |
1.0～1.7 |
|
右幅锚块第一层 |
51.7 |
57 |
24.3 |
0.9～1.8 |
|
右幅锚块第二层 |
54.2 |
69 |
18.1 |
0.5～2.0 |
|
右幅锚块第三层 |
60.8 |
64 |
24.7 |
0.8～2.0 |
|
右幅锚块第四层 |
55.9 |
72 |
13.8 |
0.6～2.0 |
|
右幅锚块第五层 |
65.0 |
64 |
25.0 |
1.0～2.0 |
|
右幅锚块第六层 |
69.2 |
88 |
25.0 |
1.0～2.0 |
|
右幅锚块第七层 |
64.0 |
78 |
25.0 |
1.0～2.0 |
|
右幅锚块第八层 |
65.5 |
71 |
23.1 |
0.8～1.9 |
|
右幅锚块第九层 |
68.3 |
62 |
25.0 |
1.0～2.0 |
|
右幅锚块第十层 |
68.9 |
116 |
24.6 |
0.4～1.4 |
图2 左幅锚块第七层浇筑
图3 右幅锚块第十层浇筑
图4 测温元件平面布置
单位：cm
表8 高峰侧锚块右幅第十层混凝土温度特征值监测数据
|
测点高度cm测点高度cm |
内部最高温度/℃ |
最高温度出现时间/h |
最大内表温差/℃ |
降温速率℃/d降温速率℃/d |
|
162.5 |
68.9 |
116 |
24.6 |
0.4～0.8 |
|
237.5 |
65.3 |
81 |
25.0 |
0.9～1.4 |
注：最高温度出现时间从传感器与混凝土接触时算起。
图5 高度162.5 cm测点监测区域混凝土温度特征值历时曲线
高度237.5 cm混凝土温度特征值发展历时曲线如图6所示。可以看出，测点监测区域混凝土覆盖测点后于26 h左右开始升温，于81 h左右达到温峰。因取消冷却水管，温峰后混凝土内部降温缓慢，表面温度随气温波动，混凝土内表温差发展较为平缓。
图6 高度237.5 cm测点监测区域混凝土温度特征值历时曲线
6 结语(1)混凝土配合比优化较大限度地降低了水泥用量，掺加粉煤灰优化胶凝材料体系，从而降低了混凝土水化热的总量，延缓了温峰出现时间，后期强度发展快、富裕强度高且较经济。
(2)根据不同施工季节(冬季、中高温期)对锚碇混凝土采用不同养护措施。低温期施工混凝土养护以保温为主、保湿为辅，中高温期施工以保湿为主、保温为辅，养护效果良好，内表温差均符合温控标准要求。
(3)高峰侧锚块左幅五～七层，右幅八～十层施工采用混凝土水化热抑制剂进行试验，试验过程中没有进行冷却通水。监测结果表明，混凝土内部最高温度、温峰后混凝土降温速率、混凝土最大内表温差均符合温控标准，采用混凝土水化热抑制剂，取消冷却水管，既可达到大体积混凝土温控要求，又可以减少冷却水管的投入。
参考文献[1] 何贝贝，侯维红，纪宪坤，徐可.水化热抑制剂对大体积混凝土温度裂缝的影响研究[J].新型建筑材料，2018,45(11):123-126 138.
[2] 卞桂荣，谷坤鹏，陈剑，张晓乐.水化热抑制剂和抗裂剂对混凝土基本性能的影响新型建筑材料[J].新型建筑材料，2019,46(10):152-156 161.
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