CN116768557A - 一种低温升、高抗裂大体积混凝土、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温升、高抗裂大体积混凝土、制备方法及应用，大体积混凝土包括如下重量份的成分：低热硅酸盐水泥240～300份，粉煤灰80～140份，抗裂剂28～36份，砂750～810份，碎石1050～1150份，水80～130份，碎冰20～60份，聚羧酸减水剂3～5份。本发明使用低热硅酸盐水泥作为主要胶凝材料，明显降低了混凝土早期水化放热速率及结构温升值；掺加温度变形双重调控抗裂剂制备的低温升、高抗裂大体积混凝土，延缓水泥早期水化、降低承台大体积混凝土温升，同时在温升阶段产生明显体积膨胀及温降阶段产生补偿收缩作用，大大提升了结构混凝土抗裂性能，降低混凝土开裂风险，且具有优异的力学性能和耐久性能，延长了承台混凝土服役寿命。

Description

一种低温升、高抗裂大体积混凝土、制备方法及应用

技术领域

本发明涉及大体积混凝土施工技术领域，尤其涉及一种低温升、高抗裂大体积混凝土、制备方法及应用。

背景技术

随着社会生产力的不断进步和科技水平的不断提高，我国跨江、跨海桥梁工程建设得到了突飞猛进的发展，显著改善了交通运输效率。随着桥梁跨径不断增大，承台体积也越来越大。作为连接桥梁桩基和桥墩的重要结构，承台主要作用是将上部荷载传递到下部桩基中，承台混凝土不仅要满足设计强度等级，还要满足结构设计使用年限的耐久性要求，因此混凝土质量必须严格控制，尤其是早期因收缩引起的开裂问题。对于大跨径桥梁而言，其承台属于典型的大体积混凝土结构，混凝土强度等级通常不低于C40，混凝土早期强度与弹模发展较为迅速，胶凝材料水化放热快、温升高、自收缩大，湿热耦合变形受到内、外强约束，因此收缩开裂风险突出。工程实践中，众多桥梁工程大体积混凝土结构施工期即出现不同程度的收缩开裂现象，已成为桥梁建设的一大顽疾。

目前承台大体积混凝土主要采取普通硅酸盐水泥作为胶凝材料制备，在水泥水化过程中放出大量热量，并迅速产生较大温升，大体积混凝土内部形成温度梯度，很容易造成开裂。常见的控制混凝土开裂方法包括选择优质原材料、优化配合比、使用冷却水管等措施，但对于桥梁大体积承台来说，单一或某几个常规措施并不能解决混凝土开裂问题，严重影响了桥梁工程服役寿命和使用安全。

现有的技术文献：CN102747742B中公布了一种桥梁承台大体积混凝土结构施工方法，但该方法主要是从结构施工方法来减少承台大体积混凝土温度裂缝的风险，而并未从材料本身角度考虑提升混凝土抗裂性能；

CN111441246A公布了一种高强大体积强约束索塔混凝土裂缝控制方法，但该方法适用于桥梁索塔高强混凝土，而对于承台等大体积混凝土结构中低强混凝土并不完全适用。

因此，亟需一种针对桥梁大体积承台结构混凝土抗裂技术，能有效降低收缩开裂风险，做到承台结构混凝土少裂甚至不裂，从而提升工程质量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种低温升、高抗裂大体积混凝土、制备方法及应用,使大体积混凝土具有良好的力学性能、抗裂性能和耐久性能，且制备方法简单、可行性高，可应用大体积混凝土结构等，适用性强。

为达到上述技术目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种低温升、高抗裂大体积混凝土，由如下重量份的成分组成：

水泥240～300份，

粉煤灰80～140份，

抗裂剂28～36份，

砂750～810份，

碎石1050～1150份，

碎冰20～60份，

减水剂3～5份，

冷水80～130份。

进一步的，所述水泥为强度等级为42.5的低热硅酸盐水泥，C3A含量≤6％，3d水化热≤230kJ/kg，7d水化热≤260kJ/kg。

进一步的，所述粉煤灰为F类I级粉煤灰，流动度比≥95％。

进一步的，所述抗裂剂为温度变形双重调控抗裂剂，由如下质量百分数的成分组成：30～60％钙质膨胀材料，35～50％镁质膨胀材料和2～5％水化温升抑制材料。

进一步的，所述钙质膨胀材料为氧化钙含量≥70％的氧化钙熟料，所述镁质膨胀材料为氧化镁含量≥80％且活性值为50～200s的高活性氧化镁熟料，所述水化温升抑制材料为数均分子量为5000-30000的改性多聚糖。

进一步的，所述砂为河砂，细度模数为2.3～2.8，含泥量≤2.5％，泥块含量≤0.5％。

进一步的，所述碎石为5～25mm连续级配碎石，含泥量≤1.0％，针片状含量≤8％。

进一步的，所述碎冰的粒径不超过5mm，且温度≤-4℃。

进一步的，所述冷水为水温≤10℃的低温水，且当处于夏季高温时所述冷水的水温≤5℃。

进一步的，所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为20～30％，28d干燥收缩率比≤100％。

第二方面，本发明提供了一种如第一方面中任一项所述的低温升、高抗裂大体积混凝土的制备方法，包含以下步骤：

采用混凝土制冰***和冷水机组提前制备满足要求的碎冰和冷水，保障混凝土生产过程中碎冰和冷水供应量充足；

将称量好的河砂、碎石、碎冰、水泥、粉煤灰、抗裂剂置于搅拌机中均匀搅拌30～50s，碎冰应随河砂、碎石一同由皮带输送机均匀输送至搅拌机内，碎冰下料时间为5～10s，避免所有碎冰一次性倒入而发生结团；

将称量好的减水剂、冷水混合均匀，加入步骤搅拌均匀的混合物中，继续搅拌均匀，总搅拌时间为120～180s，控制混凝土出机温度≤26℃。

进一步的，所述抗裂剂为温度变形双重调控抗裂剂，由如下质量百分数的成分组成：30～60％钙质膨胀材料，35～50％镁质膨胀材料和2～5％水化温升抑制材料；

其中，所述钙质膨胀材料采用由石灰石为主要原材料在回转窑内高温下煅烧后，经磨细制得的氧化钙熟料，氧化钙含量≥70％；

所述镁质膨胀材料采用由菱镁矿或菱镁矿尾矿中一种或两种混合物采用悬浮窑煅烧技术制备而成的高活性氧化镁熟料，氧化镁含量≥80％，活性值为50～200s；

所述水化温升抑制剂材料采用由酶解或酸解淀粉通过交联反应得到的改性多聚糖，数均分子量为5000-30000。

第三方面，本发明还提供了一种如第一方面中任一项所述的低温升、高抗裂大体积混凝土的应用，所述大体积混凝土应用于桥梁承台或塔座。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供的大体积混凝土、制备方法及应用中使用低热硅酸盐水泥制备承台等大体积混凝土，有效降低了水泥水化放热，进而降低承台等混凝土结构温升，有利于减少因放热、温升所造成的混凝土温度裂缝；

并且，通过掺加温度变形双重调控抗裂剂制备低温升、高抗裂混凝土，抗裂剂中水化热调控组分能够延缓水泥早期水化，而不影响后期水泥水化，进一步降低了承台等大体积混凝土结构温升；以及在抗裂剂中补偿收缩组分有利于在混凝土各阶段产生膨胀作用，从而补偿混凝土自收缩和温度收缩产生的收缩变形，提高了承台等混凝土结构的抗裂性能，从而达到承台等大体积混凝土不开裂的效果；即适用于桥梁索塔高强混凝土，也适用于承台等大体积混凝土结构中低强混凝土，施工条件适应性强，应用广泛；

上述大体积混凝土除了具有优异的抗裂性能外，还具有良好的力学性能、热学性能和耐久性能，有利于提升工程质量和延长桥梁的服役寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种低温升、高抗裂大体积混凝土的绝热温升试验结果比对图；

图2是本发明实施例提供的一种低温升、高抗裂大体积混凝土的自生体积变形试验结果比对图；

图3是本发明实施例提供的一种低温升、高抗裂大体积混凝土的应用于具体实施例中承台实体结构混凝土温度监测结果；

图4是本发明实施例提供的一种低温升、高抗裂大体积混凝土的应用于具体实施例中承台实体结构混凝土应变监测结果。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

实施例1：

本发明实施例中提供了一种低温升、高抗裂大体积混凝土，包括以下重量份的成分：

低热硅酸盐水泥254份、粉煤灰123份、温度变形双重调控抗裂剂33份、砂790份、碎石1090份、冷水102份、碎冰50份、减水剂3.2份。

其中，冷水温度为8℃，碎冰温度为-5℃。

将上述原材料在试验室混凝土搅拌机内均匀搅拌150s，即得均匀搅拌后的混合物。

采用***式数显温度计测试新拌混凝土入模温度，测试混凝土绝热温升及自生体积变形，测试方法参照SL352《水工混凝土试验规程》进行。

如下表1所示，实施例2～5提供了一种低温升、高抗裂大体积混凝土，各成分组成如表1所示，除各组分重量份数不同外，其余原材料性能、试验过程及测试方法均与实施例1相同。

表1实施例混凝土配合比(kg/m³)

对比例1：

采用普通硅酸盐水泥制备的常规混凝土，包括以下重量份的成分：普通硅酸盐水泥254份、粉煤灰156份、砂790份、碎石1090份、水152份、减水剂3.2份，其中水温度为20℃。

其中，对比例1的制备方法和测试内容与实施例1保持一致。

对比例2：

本发明实施例中提供了一种低温升、高抗裂大体积混凝土采用低热硅酸盐水泥制备的低热硅酸盐水泥混凝土，与实施例1的低温升、高抗裂混凝土区别在于粉煤灰156份，不掺加温度变形双重调控抗裂剂，其他组分均相同，试验过程及测试内容与实施例1一致。

实施例和对比例试验中除特别标出的材料及性能不同之外，其余材料性能及试验条件均相同。

对实施例及对比例进行了混凝土入模温度测试，测得实施例1～5混凝土入模温度为20.2～24.3℃，对比例1混凝土入模温度为28.8℃，对比例2混凝土入模温度为26.1℃，由此说明使用低温的冷水和碎冰，能够显著降低混凝土入模温度。

实施例与对比例之间的混凝土绝热温升和自生体积变形试验结果如表2所示，由表2可知，实施例混凝土绝热温升明显低于对比例混凝土，实施例混凝土自生体积变形始终为正值(膨胀)，对比例混凝土自身体积变形则为负值(收缩)。

表2实施例和对比例混凝土绝热温升与自生体积变形试验结果对比

由表2试验结果可知，实施例1～5各组分重量份比例不同，但相比于对比例而言，均具有较低的绝热温升和更好的体积稳定性，有利于提升混凝土抗裂性能。优选地，以实施例1为例，其与对比例1、2的绝热温升和自生体积变形试验结果分别如图1、图2所示。

实施例1与对比例1、2之间混凝土绝热温升试验结果如图1所示，由图1可以得出：

对比例1采用普通硅酸盐水泥制备的常规混凝土，1d、3d、7d绝热温升值分别为27.2℃、41.2℃、43.7℃；

对比例2采用低热硅酸盐水泥制备的低热硅酸盐水泥混凝土，1d、3d、7d绝热温升值分别为12.5℃、32.5℃、38.1℃，相比于对比例1，使用低热硅酸盐水泥能够降低混凝土7d绝热温升约5.6℃；

实施例1采用低热硅酸盐水泥和温度变形双重调控抗裂剂制备的低温升、高抗裂混凝土，1d、3d、7d绝热温升值分别为6.1℃、25.0℃、35.6℃，相比于对比例2，使用抗裂剂后进一步降低了混凝土绝热温升值，7d约降低2.4℃。

由以上结果可以说明，使用低热硅酸盐水泥制备承台大体积混凝土能明显降低其绝热温升值，掺入温度变形双重调控抗裂剂后进一步降低了混凝土绝热温升，有利于降低大体积混凝土温度开裂风险。

实施例1与对比例1、2之间混凝土自生体积变形试验结果如附图2所示，由图可以看出：

对比例1采用普通硅酸盐水泥制备的常规混凝土，随着龄期增加混凝土始终为收缩变形，且收缩变形持续增大，60d自生体积变形为-133.3με(收缩)；

对比例2采用低热硅酸盐水泥制备的低热硅酸盐水泥混凝土，相比于对比例1，收缩变形减小，但仍表现为持续收缩规律，60d自生体积变形为-90.4με(收缩)；

实施例1采用低热硅酸盐水泥和温度变形双重调控抗裂剂制备的低温升、高抗裂混凝土，早期迅速产生膨胀变形，后期变形趋于稳定，60d自生体积变形为177.2με(膨胀)。

由对比试验结果可说明，低热硅酸盐水泥可以一定程度上降低混凝土自身收缩变形，但效果有限，而掺加温度变形双重调控抗裂剂后，混凝土产生明显膨胀变形，后期的补偿收缩作用效果显著，从而说明低温升、高抗裂混凝土具有优异的体积稳定性，能够大大提升承台结构混凝土抗裂。

结合具体的应用实例，来对本发明提供的低温升、高抗裂大体积混凝土进行说明描述。

某跨江大桥承台为典型大体积混凝土结构，承台横桥向长77m，顺桥向长39.8m，厚度为8.0m，分两层浇筑，混凝土设计强度等级C40，单个承台混凝土方量约20000m3。承台施工季节为6月份，日平均气温为23℃。

在本实施例中所用低温升、高抗裂混凝土每立方材料用量为：水泥248kg、粉煤灰120kg、抗裂剂32kg、砂795kg、碎石1097kg、水98kg、碎冰50kg、减水剂4kg，混凝土由拌合楼搅拌生产后，经罐车运输至现场浇筑，经检测混凝土入模温度约为26.5℃。

根据GB/T 50081《混凝土物理力学性能试验方法标准》和GB/T 50082《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》测试上述混凝土力学性能及耐久性能，试验测得混凝土7d、28d、60d抗压强度分别为27.8MPa、45.6MPa、55.1MPa，56d电通量为1050C。

其中，采用温度应变传感器对承台实体结构进行了混凝土温度应变历程监测，监测结果如附图3、附图4所示。

由图3承台混凝土温度历程监测结果可知，承台混凝土入模温度约为26℃，混凝土中心温峰值为51.9℃，温峰后14d中心降温速率约为1.5℃/d。

由图4承台混凝土应变历程监测结果可知，承台混凝土在温升阶段产生显著膨胀变形，最大变形为672.9με，单位温升膨胀变形为29.9με/℃，而降温阶段收缩较小，单位温降收缩变形为8.8με/℃，具有明显补偿收缩作用，监测结果表明该承台混凝土具有良好的抗裂性能。

目前，本发明实施例提供的一种低温升、高抗裂大体积混凝土及其制备方法已在应用实例中所述的某跨江大桥承台中完成工程应用，且在混凝浇筑完成已超过6个月，未发生开裂现象，应用效果良好。

此外，本发明实施例还提供了一种低温升、高抗裂大体积混凝土的应用中大体积混凝土应用于桥梁承台或塔座等大体积混凝土结构。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于，由如下重量份的成分组成：

水泥240～300份，

粉煤灰80～140份，

抗裂剂28～36份，

砂750～810份，

碎石1050～1150份，

碎冰20～60份，

减水剂3～5份，

冷水80～130份。

2.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述水泥为强度等级为42.5的低热硅酸盐水泥，C₃A含量≤6％，3d水化热≤230kJ/kg，7d水化热≤260kJ/kg。

3.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述粉煤灰为F类I级粉煤灰，流动度比≥95％。

4.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述抗裂剂为温度变形双重调控抗裂剂，由如下质量百分数的成分组成：30～60％钙质膨胀材料，35～50％镁质膨胀材料和2～5％水化温升抑制材料。

5.根据权利要求4所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述钙质膨胀材料为氧化钙含量≥70％的氧化钙熟料，所述镁质膨胀材料为氧化镁含量≥80％且活性值为50～200s的高活性氧化镁熟料，所述水化温升抑制材料为数均分子量为5000-30000的改性多聚糖。

6.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述砂为河砂，细度模数为2.3～2.8，含泥量≤2.5％，泥块含量≤0.5％。

7.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于，所述碎石为5～25mm连续级配碎石，含泥量≤1.0％，针片状含量≤8％。

8.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于：所述碎冰的粒径不超过5mm，且温度≤-4℃。

9.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于：所述冷水为水温≤10℃的低温水，且当日平均气温≥25℃时，所述冷水的水温≤5℃。

10.根据权利要求1所述的一种低温升、高抗裂大体积混凝土，其特征在于：所述减水剂为聚羧酸减水剂，减水率为20～30％，28d干燥收缩率比≤100％。

11.一种如权利要求1～10中任一项所述的低温升、高抗裂大体积混凝土的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

采用混凝土制冰***和冷水机组提前制备满足要求的碎冰和冷水，保障混凝土生产过程中碎冰和水供应量充足；

将称量好的河砂、碎石、碎冰、水泥、粉煤灰、抗裂剂置于搅拌机中均匀搅拌30～50s，碎冰应随河砂、碎石一同由皮带输送机均匀输送至搅拌机内，碎冰下料时间为5～10s，避免所有碎冰一次性倒入而发生结团；

将称量好的减水剂、冷水混合均匀，加入步骤搅拌均匀的混合物中，继续搅拌均匀，总搅拌时间为120～180s，控制混凝土出机温度≤26℃。

12.根据权利要求11所述的低温升、高抗裂大体积混凝土的制备方法，其特征在于，所述抗裂剂为温度变形双重调控抗裂剂，由如下质量百分数的成分组成：30～60％钙质膨胀材料，35～50％镁质膨胀材料和2～5％水化温升抑制材料；

其中，所述钙质膨胀材料采用由石灰石为主要原材料在回转窑内高温下煅烧后，经磨细制得的氧化钙熟料，氧化钙含量≥70％；

所述镁质膨胀材料采用由菱镁矿或菱镁矿尾矿中一种或两种混合物采用悬浮窑煅烧技术制备而成的高活性氧化镁熟料，氧化镁含量≥80％，活性值为50～200s；

所述水化温升抑制剂材料采用由酶解或酸解淀粉通过交联反应得到的改性多聚糖，数均分子量为5000-30000。

13.一种如权利要求1～10中任一项所述的低温升、高抗裂大体积混凝土的应用，其特征在于，所述大体积混凝土应用于桥梁承台或塔座。