南京长江四桥大体积混凝土施工与控裂关键技术研究

发布时间：2020-06-10 01:39

【摘要】：大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土。由于其体积庞大,大体积混凝土在水泥水化时会形成外低内高的温差,这种温差会使大体积混凝土内部温度分布不均匀由此引起混凝土变形不一致,进而产生内部应力约束。因内部中心区域为大体积混凝土水化放热过程中温度最高点,故其产生的热膨胀也比表面位置的混凝土要大的多,受此影响,混凝土表面受拉而中心受压,随着混凝土的表面拉应力逐步增长直至超过其抗拉强度时出现裂缝。南京四桥锚碇及主塔属于大体积混凝土结构,由于其体积庞大,表面系数比较小,水泥细度高,水化放热速率快,内部温升高,易使混凝土产生温度裂缝;此外混凝土胶材用量高,水胶比小,自收缩和干缩较大,也会加剧收缩开裂的风险。收缩裂缝的产生对结构的安全和耐久性产生显著影响。为了提升工程质量和服役寿命,本文针对南京四桥工程结构特征、环境条件和实际用材等情况系统开展了锚碇及主塔大体积混凝土裂缝控制研究。首先通过胶凝材料水化热试验、绝热温升试验、半绝热温升试验以及足尺模型试验等多种方法对锚碇及主塔大体积混凝土原材料进行了对比和优选,掌握了影响混凝土水化温升的主要因素,包括:硅酸盐水泥矿物、硅酸盐水泥细度、水泥含量、水灰比、各类掺合料外加剂的影响。分析显示粉煤灰掺入能后移水泥放热峰,磨细矿渣粉的掺入会使胶凝材料的水化历程发生改变,使绝热温升曲线峰值靠后。两者复合掺加后,对水化热的降低效果非常明显,比单掺要好很多。缓凝剂影响胶凝材料水化历程,使其混凝土温峰推迟的同时降低温峰。延迟水化热温峰的效果,却可以增加散热的时间,进而达到降低混凝土最高温度的目的。最终确定:优先选用中热硅酸盐水泥,因故无法获得时,对选用的普通硅酸盐水泥要进行水化热测试,选择水化放热较低的水泥。水泥不应该太细,用比表面积控制时,其细度不宜大于350m2/kg。混凝土配合比设计中,应该掺加粉煤灰和磨细矿渣粉,最好是采用复合掺加技术。不建议使用硅灰。使用缓凝型减水剂,采取综合措施降低混凝土的水化放热。严格控制粗骨料的空隙率,减少混凝土中胶凝材料的使用量,建议其空隙率不大于40%。严格控制水胶比不大于0.50。半绝热温升试验方法用于混凝土配合比设计试验简单可靠,建议在工程中推广使用。足尺模型试验能够较为准确反映工程中的温度变化历程,重要构件,如索塔高强大体积混凝土应该在施工前进行足尺模型验证试验。其次,通过混凝土干燥收缩应力试验和开裂评价试验研究,提出干燥收缩开裂概率P作为评判补偿收缩混凝土抗裂性的依据,可以简单、直观评价混凝土在不同限制情况下产生收缩裂缝的几率,从而对与混凝土补偿收缩评价有一个较为积极的意义。在此基础之上,分析研究了各组分矿物掺合料和膨胀剂对高流态混凝土干缩和补偿收缩效果的影响,指出高流态混凝土干缩性质主要受矿物掺合料的影响较大。对于掺加粉煤灰和矿粉矿物的混凝土,前者主要改善高流态混凝土的干燥收缩性质,后者的改善效果则与掺量有关,硅灰对于高流动性混凝土的干燥收缩性质未见明显改善,甚至可能产生不利影响。然后在原材料优选的基础上,以抗裂性能为核心,以降低混凝土绝热温升为主要手段,同时兼顾混凝土工作性、力学性能、体积稳定性、经济性,采用低水化热的胶凝材料体系,选用优质聚羧酸类缓凝高性能减水剂,选用级配良好、低热膨胀系数、低吸水率的粗集料,使用低流动性混凝土等综合技术手段,优化和确定了锚碇及主塔大体积混凝土的配合比;最后,借助计算机有限元仿真分析,结合南京长江四桥锚碇区大体积混凝土施工工艺,针对锚碇及主塔大体积混凝土施工环境条件、结构特征、施工工艺等多种工况的开裂风险进行了计算和分析。在此基础之上,在南京长江第四大桥工程建设过程中,我们参照国家现行有关规范和技术指南、标准等相关资料,制定了基于耐久性考虑的相关混凝土施工指南,同时结合前人已有的研究结果,并综合考虑其他类似工程项目已有的施工经验,明确提出主要的大体积混凝土施工温度控制指标。同时混凝土浇筑后由于水化反应而导致的温度变化主要受水化热和混凝土浇筑温度等几个方面影响。同时由于原材料的温度受外界大气温度影响较为明显,南京四桥锚碇锚体大体积混凝土施工按照夏季温度不宜高于25℃控制。结合工程现场实际情况,制定了裂缝控制方案,采用优化混凝土配合比、控制浇筑温度、合理划分施工层、冷却管散热的综合裂缝控制措施,提出了适合的混凝土入模温度、冷却水管的布置方案与冷却水的合理流量、拆模时间及工艺等综合施工措施,考虑混凝土的施工时间,提出了保证养生质量的方法。从最终工程实体混凝土工程温度测控结果看,此次采用的大体积混凝土温度无线测控方案较好的达到了预想的目的,准确的对混凝土的实时温度发展进行了监控,同时根据监控结果采取了相应的响应措施,做到温度可控,大大降低了结构开裂风险,成功的保证了大体积混凝土的施工质量。综合上述研究成果在锚碇及主塔成功应用,解决了大体积混凝土的收缩开裂难题。针对跨江大桥索塔裂缝控制,在原材料的比选确定基础上,通过采用不同水泥塔柱混凝土的配合比设计及试拌,得到各配合比混凝土的拌和物性能、强度及其半绝热温升试验结果,选定满足施工耐久性能、施工性能及强度且混凝土水化热最小、水化放热曲线缓的作为塔柱混凝土的施工用配合比。结合设计资料,对索塔各组成节段进行温控方案验证计算,同时控制混凝土入模温度,降低混凝土开裂风险。
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【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U445.57

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