混凝土配制技术在西固黄河大桥高标号大体积混凝土塔柱施工中的应用研究

于金琪

【摘 要】西固黄河大桥是兰州南绕城高速公路建设项目中的控制性工程，该桥为高速公路跨越黄河而设，全长1003m，主桥桥面宽27.5m，为双塔三跨半漂浮体系结合梁斜拉桥。主塔桥墩第一节设计为实心段C50高标号大体积混凝土，为了防止高标号大体积混凝土构件在施工过程中由于水化热过高引起内外温差产生裂缝缩短桥梁使用寿命，需对大体积混凝土配制技术进行深入的研究。本文以西固黄河大桥高标号C50大体积混凝土塔柱为例，分析研究了水泥中C3A含量对混凝土的影响，并通过调整砂率、掺合料以及减水剂等配制C50塔柱大体积混凝土。通过对比分析发现适当提高砂率和粉煤灰掺量，并选用缓凝型高性能减水剂有利于提高混凝土的和易性，减小经时坍落度损失。通过将高标号大体积混凝土配制技术应用于施工过程中，提高了混凝土性能确保了混凝土施工质量。

【关键词】高标号大体积混凝土 C50 C3A 砂率 粉煤灰

大体积混凝土在施工中最常见的问题主要来自于混凝土的温缩变形等，大体积混凝土的温缩变形主要原因有水泥水化热和外界气温变化。混凝土的绝热温升的60%以上来自水泥的水化热，水泥标号高、单方用量高、C3A和C3S含量高等均会导致混凝土的内部水化热升高。并且混凝土C3A含量过高导致坍落度经时损失增加、水化放热反应量升高、温峰提前。西固黄河大桥主桥5#墩塔柱实心段（连同隔板）顺桥向宽9.81m、横桥向宽26.88m、厚5.0m，其中一次浇筑 4.5m。塔柱实心段第一节单次浇筑方量约1162.5m3，为大体积混凝土构件。平面尺寸长宽比大于2：1，长宽方向膨胀收缩量相差较大，开裂风险较大。兰州地区气候干燥、多风、昼夜温差大加剧大体积混凝土内外温差梯度，为防止构件产生裂缝缩短桥梁使用寿命，需对高标号大体积混凝土进行合理的配制设计，以保证混凝土使用寿命和运行安全。

1 原材与设计要求

1.1 原材料

水泥：祁连山P.Π 52.5水泥，比表面积385m2/kg，28d抗压强度58.8MPa，初凝时间109min，终凝时间182min。粉煤灰：兰铝电厂Ⅰ级粉煤灰，细度9.5%，需水量比90%，烧失量2.5%。细集料：华凯河湾砂场中砂，细度模数2.6。粗骨料：永靖天熙的粒径为5-20mm碎石，压碎值18.5%，针片状8.3%，含泥量0.7%。减水剂：上海华登建材有限公司缓凝型聚羧酸高性能减水剂，减水率28%。

1.2 配制要求

（1）混凝土强度等级C50。（2）混凝土出机坍落度180-220mm，含气量3.5%-4.5%；1小时坍落度零损失，含气量3.0%-4.0%；混凝土缓凝时间要求达到20小时以上。

2 水泥中C3A含量对混凝土的影响

2.1 C3A含量对混凝土坍落度影响

不同C3A含量对混凝土的坍落度的影响见表1。相同配合比条件下1#的坍落度损失要明显小于2#和3#，水泥中C3A的含量越高，混凝土的经时坍落度损失越大。水泥水化反应初期C3A反应速度快，可与石膏快速反应生产钙矾石，同时C3A水化放热加速水泥水化反应进程，混凝土凝结加快、坍落度经时损失加大。

2.2 C3A含量对混凝土水化放热的影响

随着C3A含量增加，混凝土放热量增加且温峰提前。C3A含量为8.0%和7.1%的温峰比C3A 含量4.8%的温峰分别提前24h和12h。水泥四种组分中C3A反应速率最大且放热量多，含量越高混凝土的水化放热量越多，同时体系内部温度提高，加速水化反应进程导致混凝土水化放热温峰提前。

2.3 C3A含量对混凝土中减水剂的减水率影响

由表2可以看出，当水泥中的C3A含量增大，减水剂的减水效果降低。水泥中C3S、C2S、C4AF、C3A对减水剂的吸附作用顺序为C3A>C4AF>C3S>C2S，C3A含量越高对减水剂的吸附作用越强，从而降低其减水效果。

3 西固黄河大桥C50塔柱混凝土配制

兰州地区河砂存在天然级配不良现象，在考虑到大体积混凝土水化热问题同时，混凝土的工作性也是大体积混凝土配制的关键。C50塔柱大体积混凝土浇筑过程时间长，对混凝土的流动性和经时坍落度损失都提出较高的要求，下面从砂率、粉煤灰掺量和减水剂选用三个方面进行调试。

3.1 不同砂率对C50混凝土的影响

由表3和图1可知：PB1的工作性最好且强度高。PB2的浆体的流动性差、工作性不良；PB3浆体富裕，混凝土易产生表层龟裂和砂线。细集料存在天然的级配不良现象，砂率过低粗集料表面缺乏足够的砂浆润滑膜，导致混凝土和易性变差；适当提高砂率可以解决由于细集料的级配不良引起的混凝土和易性变差问题同时提高混凝土的流动性。但砂率过高易导致浆体富裕且强度下降。

3.2 不同粉煤灰掺量对C50混凝土的影响

结合表4和图2可知，PB1的工作性明显比PB4和PB5良好，提高粉煤灰的掺量有利于混凝土获得良好的工作性，且混凝土后期强度发展快速，三组强度基本相同。由于粉煤灰含有大量表面光滑球形颗粒，起到滚珠轴承的作用，粉煤灰具有良好的减水作用，可以与减水剂效果叠加提高混凝土的工作性。粉煤灰的潜在火山灰效应可以提高混凝土的后期强度。据资料显示粉煤灰取代30%水泥（重量计）时，可使因水化导致的绝热温升降低15%左右。西固黄河大桥塔柱第一节为C50大体积混凝土，水泥等级标号高且细度小，单位用量多导致混凝土硬化过程温升加剧、温峰升高，易产生大量温缩裂缝，粉煤灰掺量增加，可减少水泥水化热，减少结构物由于温度而产生的裂缝。

3.3 调整减水剂组分对C50混凝土的影响

表5为普通高效减水剂和缓凝型高性能减水剂对混凝土坍落度损失的影响。C2混凝土1h坍落度零损失远小于C1混凝土，是由于C2减水剂中含有高分子硫酸盐组分有效抑制C3A快速反应，降低混凝土的经时坍落度损失。

3.4 C50塔柱大体积混凝土的配合比

参照混凝土配合比要求，强度等级为C50混凝土的配合比为：水泥363（kg/m3）、粉煤灰121（kg/m3）、水150（kg/m3）、砂706（kg/m3）、碎石1060（kg/m3）、外加剂4.84（kg/m3）。经测试得出：混凝土出机坍落度220mm，扩展度600*590mm，常温下1小时没有坍落度损失，2小时坍落度损失不大于20mm，无泌水，工作性良好，混凝土缓凝时间20小时，满足施工需要。

4 施工控制

施工过程控制主要从以下几个方面控制：

4.1 水泥控制

由于水泥成分不稳定，对相同外加剂适应性波动很大，易出现混凝土瞬凝现象，因此对每车水泥都做与外加剂适应性试验，确定适应性良好方可入罐使用。具体方法采用300g水泥，87g水，1.0%外加剂进行搅拌，测定初始流动度280～300mm、30min流动度为：250～280mm，60min流动度为：230～260mm，保证了水泥材料稳定性。

4.2 砂控制

采用烘干砂做标准试验，由于西固用砂吸水率比较大，导致施工配合比与理论配合比换算相差比较大，不利于指导施工。查找烘干砂与风干砂含水率差别成为解决问题的关键因素；经多次试验，风干砂与烘干砂含水率相差2%左右，利用风干砂试拌的配合比与施工配合比换算吻合，保证混凝土施工配合比精确性。

4.3 塔柱温控

（1）降低混凝土入模温度：对骨料进行洒水降温；对拌合用水采取加冰降温措施；在混凝土运输过程中在罐车上撒水降温。（2）通过冷却水管降低混凝土构件内外温度差。

5 结语

最终西固黄河大桥C50塔柱大体积混凝土的砂率控制在40%，粉煤灰掺量25%，并选用缓凝型高效减水剂，配制出混凝土的坍落度为220mm，扩展度为600*590mm，1小时内坍落度损失为零，凝结时间达到20小时。通过对混凝土配制技术在西固黄河大桥高标号大体积混凝土塔柱施工中的应用研究总结：（1）水泥中高C3A含量引起混凝土凝结时间过快，水化放热提前且放热量升高，C3A含量为8.0%和7.1%的温峰比C3A含量4.8%的温峰分别提前24h和12h。（2）粉煤灰掺量为25%，砂率为40%，采用缓凝型高效减水剂可以缓解混凝土水化热并提高混凝土工作性，降低混凝土的经时坍落度损失。（3）控制原材料稳定性，找出风干砂与烘干砂2%含水差距，且通过有效温控措施有效减少大体积混凝土产生裂纹。

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