CN105418006B - 一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土，它从内向外由内层低温升高抗裂混凝土I、中层低温升高抗裂混凝土II和外层高韧性高抗裂混凝土构成。本发明在低温升高抗裂混凝土(内层低温升高抗裂混凝土I和中层低温升高抗裂混凝土II)+高韧性抗裂混凝土结构的组合下，通过内层低温升高抗裂混凝土中复合控温材料高相变温度和中层低温升高抗裂混凝土中复合控温材料低相变温度的特性，各自吸收各层胶凝材料水化热，降低混凝土内部和中部温度，同时优化设计两种混凝土材料的不同厚度及布置形式，实现各层温差的降低，减小了整体的温度应力水平，可有效解决桥梁工程中广泛存在的大体积混凝土开裂技术难题，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料领域，具体涉及一种温度梯度控制的桥梁大体积混凝土结构。
背景技术
近年来，随着桥梁设计及施工技术的迅猛发展，刷新大跨径桥梁世界纪录的桥梁不断出现，随着桥梁跨度的增加，对于承台、塔座等大体积混凝土结构部位的质量要求也越来越严格，然而由于大体积混凝土截面尺寸大，其在施工过程时，水泥的水化反应会产生大量水化热，而混凝土为热的不良导体，热量聚集在内部不易散发，而表面散热较快，这样在混凝土内部和表层形成较大温差，导致不均匀的温度变形和温度应力，一旦拉应力超过混凝土的即时抗拉强度，就会在混凝土内部或表面产生热裂缝或贯通裂缝。裂缝的出现，不仅影响结构外观质量，更重要的是会破坏结构的整体性和稳定性，严重时会导致结构不能正常使用。因此，如何减少内外温度应力是解决大体积混凝土开裂的一个至关重要的问题。
常见解决大体积混凝土内外温差的措施包括降低胶凝材料单位用量，采用活性矿物掺和料超量取代水泥胶材，采用冰渣预冷粗细集料，或者内部设置循环冷却水管、外部保温保湿养护等方式。但这些措施增加了工程成本和施工进度，延缓了施工时间和施工效率。同时桥梁大体积混凝土承台等易受到海水、江水中有害离子的侵蚀和泥沙的冲蚀，其混凝土必须具备优异的抗硫酸盐、抗氯离子等耐久性能。高抗裂、耐侵蚀、耐冲刷和有效的内外温差控制技术是大体积混凝土发展的必然趋势。
由于大体积混凝土温度裂缝危害较大，一旦出现影响结构的温度裂缝，不仅影响混凝土外观，还存在较大的安全隐患，况且，修补工艺十分复杂，费时费力，浪费巨大，修补后往往也不尽人意。目前，施工过程中为避免温度裂缝的产生，主要采取在大体积混凝土中预埋冷却水管降温的措施，然而此种方式不仅加大了施工难度，影响工程进度，而且将增加工程的造价，同时预埋冷却水管处压浆不密实，有害离子易侵入混凝土内部，亦会影响结构整体的耐久性及承载力。大体积混凝土温差控制一直是限制其工程应用的一大难点，预埋冷却水管只能一定程度上减缓混凝土内部的温度上升，但一旦内部温升超过冷却水管的冷却极限，混凝土的结构破环潜在风险陡然增加。所以急需一种实现取消冷却水管施工，且能兼顾提高结构抗裂性能和温度梯度控制的新型大体积混凝土结构设计方案。
发明内容
针对上述传统大体积混凝土中存在的不足，本发明提出了一种温度梯度控制的桥梁大体积混凝土，该结构能解决桥梁大体积混凝土承台开裂和内外温差控制问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土，所述温度梯度控制桥梁大体积混凝土从内向外由内层低温升高抗裂混凝土I、中层低温升高抗裂混凝土II和外层高韧性高抗裂混凝土构成。
上述方案中，所述内层低温升高抗裂混凝土I中各组分的添加量为：水泥110-155kg/m3、粉煤灰80-160kg/m3、矿粉140-200kg/m3、河砂750-850kg/m3，碎石1050-1250kg/m3、聚羧酸减水剂4-6kg/m3，水胶比控制在0.35-0.45，内部复合控温材料占内层低温升高抗裂混凝土I体积的1～2％。
上述方案中，所述内部复合控温材料由复合相变陶粒I与饱水陶粒以(1-2):1的体积比混合而成。
上述方案中，所述复合相变陶粒I的制备方法包括以下步骤：将陶粒置于真空釜内水浴加热至65-75℃搅拌20-30min，搅拌机转速40-60r/min，然后在负压1.0-1.5Mpa条件下加入相变材料I，继续搅拌5-10min后冷却至常温，搅拌机转速100-150r/min，将所得产物加入环氧树脂中进行裹覆处理，待表面硬化，即得所述的复合相变陶粒I；其中，所述相变材料I为十四烷酸、软脂酸中的一种或二者混合；陶粒与相变材料I的质量比为1:(0.8-1.2)。
上述方案中，所述中层低温升高抗裂混凝土II中各组分的添加量为：水泥110-155kg/m3、粉煤灰80-160kg/m3、矿粉140-200kg/m3、河砂750-850kg/m3，碎石1050-1250kg/m3、聚羧酸减水剂4-6kg/m3，水胶比控制在0.35-0.45，中层复合控温材料占中层低温升高抗裂混凝土II体积的0.5-1.5％。
上述方案中，所述中部复合控温材料由复合相变陶粒II与饱水陶粒以(1-2):1的体积比混合而成。
上述方案中，所述复合相变陶粒II的制备方法为：将陶粒置于真空釜内水浴加热至40-45℃搅拌20-30min，搅拌机转速40-60r/min，然后在负压1.0-1.5Mpa条件下缓慢加入相变材料II，继续快速搅拌10-20min后冷却至常温，搅拌机转速100-150r/min，将所得产物加入环氧树脂中进行裹覆，待表面硬化，即得所述的复合相变陶粒II；其中，所述相变材料II为癸酸、正十八烷、正二十烷中的一种或几种；陶粒与相变材料II的质量比为1:(0.9-1.5)。
上述方案中，所述陶粒所用陶粒为粘土陶粒或页岩陶粒，5-20mm连续级配，简压强度5-15Mpa。
上述方案中，所述饱水陶粒由上述陶粒破碎至4.75-9.50mm，然后进行常压饱水处理而成。
上述方案中，所述外层高韧性高抗裂混凝土中各组分的所占质量配比为：水泥150-250kg/m3、粉煤灰50-120kg/m3、矿粉100-180kg/m3、河砂750-850kg/m3、碎石1050-1250kg/m3、聚羧酸减水剂4-6kg/m3、聚丙烯醇纤维0.05-0.10kg/m3，减缩剂占胶凝材料质量的0.05-0.10％，水胶比控制在0.35-0.45；所述胶凝材料为水泥、粉煤灰和矿粉。
上述方案中，所述减缩剂为丙二醇聚醚，分子量2500-3500。
上述方案中，所述外层高韧性高抗裂混凝土的厚度为0.5-1.2m，中层低温升高抗裂混凝土II的厚度为2-4m。
本发明通过在低温升高抗裂混凝土中引入复合控温材料(内层低温升高抗裂混凝土I中掺内部复合控温材料，中层低温升高抗裂混凝土II中掺中部复合控温材料)，利用控温材料相变吸、放热控制混凝土内部温度差，通过不同相变材料相变温度和相变热焓的不同，降低内部、中部、外部混凝土之间的温度差，实现混凝土内部温差的梯度变化。同时通过添加部分饱水陶粒持续供给混凝土后期水化所需水量，保证混凝土内部相对湿度，提高混凝土的致密性，一定程度上也限制了混凝土的开裂。
同时本发明在高韧性高抗裂混凝土中引入聚丙烯醇纤维和减缩剂，减少外部混凝土的收缩值，提高混凝土抗裂能力，且用聚丙烯醇纤维替代传统钢纤维增加了其在复杂环境下的抗侵蚀、抗冲刷等耐久性能。
在低温升高抗裂混凝土(内层低温升高抗裂混凝土I和中层低温升高抗裂混凝土II)+高韧性抗裂混凝土结构形式的组合下，通过内层低温升高抗裂混凝土中复合控温材料高相变温度和中层低温升高抗裂混凝土中复合控温材料低相变温度的特性，各自吸收各层胶凝材料水化热，降低混凝土内部和中部温度，同时优化设计两种混凝土材料的不同厚度及布置形式，达到内、中、外表温差的降低，减小了整体的温度应力水平，最终形成了一种混凝土温度控制特性梯度变化的桥梁大体积混凝土结构，以便解决桥梁工程中广泛存在的大体积混凝土开裂技术难题。
本发明所述温度梯度控制桥梁大体积混凝土的温度梯度控制作用主要集中在混凝土中部和内部，采用配合比优化设计的低温升高抗裂混凝土(内层低温升高抗裂混凝土I、中层低温升高抗裂混凝土II)，通过在混凝土中添加相变材料(复合相变陶粒I和II)和释水因子(饱水陶粒)，在不影响强度增长的前提下，大幅降体积低核心部分混凝土自身的水化绝热温升3-5℃，从而减小了结构整体的内表温差。同时结构外部及上部采用高韧性抗裂混凝土，使用增韧增稳技术，通过在混凝土内掺加仿钢纤维、减缩剂等材料进行制备，在上述组分的作用效果下，混凝土自身的抗拉性能显著提高30-50％。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1)采用本发明所提出的温度梯度控制技术，可以实现桥梁大体积承台混凝土中温度差的有效控制，温度应力引起的混凝土微裂纹等结构缺陷将显著减少，抗裂问题得到有效解决。
2)采用大体积承台外部用高韧性高抗裂混凝土，可以使大体积承台对抗复杂环境中的耐久性能提高，外部致密的混凝土结构阻止了有害离子对混凝土内部的侵蚀，同时仿钢纤维替 代钢纤维，较传统钢纤维抗拉强度更高，其抗裂增韧性能更加优异，防江海泥沙冲蚀强度更高。
3)采用梯度相变材料和释水因子复合，既降低了混凝土的早强水化温升，有提高了混凝土后期水化能力，更有利于混凝土的温度差控制和结构稳定，可以在不布设循环冷却水管的情况下使混凝土温度差控制在标准要求的25℃范围内。
4)在中小规模大体积混凝土的施工中，可以分层一次性浇筑完成，保证了混凝土结构的整体性。
附图说明
图1为本发明实施例1所述温度梯度控制桥梁大体积混凝土的结构示意图。
图2为本发明实施例1所述温度梯度控制桥梁大体积混凝土的A-A截面示意图。
图中：1为内层低温升高抗裂混凝土I，2为中层低温升高抗裂混凝土II，3为外层高韧性高抗裂混凝土。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中如无具体说明，采用的试剂为市售化学试剂或工业产品。
以下实施例中，所述相变陶粒I的制备方法包括以下步骤：将陶粒置于真空釜内水浴加热至70℃慢速搅拌25min，搅拌机转速48r/min，然后在1.5Mpa负压条件下加入十四烷酸，继续快速搅拌8min后冷却至常温，搅拌机转速120r/min，将所得产物加入环氧树脂中进行裹覆处理，待表面硬化，即得所述的复合相变陶粒I；其中陶粒与十四烷酸的质量比为1:0.8。
所述相变陶粒II的制备方法包括以下步骤：将陶粒置于真空釜内水浴加热至45℃慢速搅拌20min，搅拌机转速48r/min，然后在1.5Mpa负压条件下缓慢加入癸酸，继续快速搅拌15min后冷却至常温，搅拌机转速120r/min，将所得产物加入环氧树脂中进行裹覆，待表面硬化，即得所述的复合相变陶粒II；其中，陶粒与癸酸的质量比为1:1.2。
所述陶粒为页岩陶粒，5-20mm连续级配，简压强度7.5Mpa。
所述饱水陶粒由页岩陶粒破碎至4.75-9.50mm，然后进行常压饱水处理而成。
所述减缩剂为丙二醇聚醚，分子量2500-3500。
实施例1
一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土，用于制备某跨江海大桥承台大体积混凝土，其结构如图1和2所示，承台尺寸为20m(长)*15m(宽)*4m(高)，混凝土设计强度等级为C30，所述大体积混凝土外部设置一圈厚度为0.8m的外层高韧性高抗裂混凝土3，中部浇筑厚度为2m 的中层低温升高抗裂混凝土II 2，内部灌注内层低温升高抗裂混凝土I 1，使结构整体形成外围高抗裂，中部、内部低温升的大体积温度梯度控制结构，其中，各层混凝土的配合比分别见表1、表2。
表1实施例1中内层、中层低温升高抗裂混凝土I和II的配合比(kg/m3)
其中，内层复合控温材料由复合相变陶粒I与饱水陶粒以1.2:1的体积比混合而成；中层复合控温材料由复合相变陶粒II与饱水陶粒以1:1的体积比混合而成。
表2实施例1中外层高韧性高抗裂混凝土的配合比(kg/m3)
将根据上述方案浇筑所得桥梁大体积混凝土进行现场取样，并在标准条件下养护至规定龄期，依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》测试混凝土抗折抗压强度、抗渗等级及抗氯离子渗透系数，并对混凝土中各层温度进行监测，结果见表3、表4。
表3实施例1外层高韧性高抗裂混凝土的性能测试结果
表4实施例1所述桥梁大体积混凝土内部各层温度检测结果
由表3可以看出混凝土各龄期抗折抗压强度满足设计等级，抗渗等级达到P20，抗氯离子等耐久性能优异；表4可以看出混凝土内部温度差较常规大体积混凝土温度差有了显著降低，符合GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》规定≤25℃的要求。
实施例2
一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土，用于制备某跨江海大桥承台大体积混凝土，承台尺寸为30m(长)*25.5m(宽)*4.5m(高)，混凝土设计强度等级为C40，所述大体积混凝土外部设置一圈厚度为0.6m的外层高韧性高抗裂混凝土，中部浇筑厚度为2m的中层低温升高抗裂混凝土II，内部灌注内层低温升高抗裂混凝土I，使结构整体形成外围高抗裂，中部、内部低温升的大体积温度梯度控制结构，其中，各层混凝土的配合比分别见表表5、表6。
表5实施例2内层、中层低温升高抗裂混凝土I和II配合比(kg/m3)
其中，内层复合控温材料由复合相变陶粒I与饱水陶粒以1.5:1的体积比混合而成；中层复合控温材料由复合相变陶粒II与饱水陶粒以1.2:1的体积比混合而成。
表6实施例2外层高韧性高抗裂混凝土的配合比(kg/m3)
将根据上述方案浇筑所得大体积混凝土进行现场取样，并在标准条件下养护至规定龄期，依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》测试混凝土抗折抗压强度、抗渗等级及抗氯离子渗透系数，并对混凝土中各层温度进行监测，结果见表7、表8。
表7实施例2外层高韧性高抗裂混凝土的性能测试结果
表8实施例2所述桥梁大体积混凝土内部各层温度检测结果
由表7可以看出混凝土各龄期抗折抗压强度满足设计等级，抗渗等级达到P20，抗氯离 子等耐久性能优异；表8可以看出混凝土内部温度差较常规大体积混凝土温度差有了显著降低，符合GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》规定≤25℃的要求。
实施例3
一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土，用于制备某跨江海大桥承台大体积混凝土，承台尺寸为33m(长)*16.5m(宽)*5m(高)，混凝土设计强度等级为C30，所述大体积混凝土外部设置一圈厚度为0.5m的外层高韧性高抗裂混凝土，中部浇筑厚度为2.5m的中层低温升高抗裂混凝土II，内部灌注内层低温升高抗裂混凝土I，使结构整体形成外围高抗裂，中部、内部低温升的大体积温度梯度控制结构，其中，各层混凝土的配合比分别见表表9、表10。
表9实施例3中内层、中层低温升高抗裂混凝土I和II的配合比(kg/m3)
其中，内层复合控温材料由复合相变陶粒I与饱水陶粒以1.2:1的体积比混合而成；中层复合控温材料由复合相变陶粒II与饱水陶粒以1.5:1的体积比混合而成。
表10实施例3中外层高韧性高抗裂混凝土各组分的配合比(kg/m3)
将根据上述方案浇筑所得大体积混凝土进行现场取样，并在标准条件下养护至规定龄期，依据GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》和GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能与耐久性能试验方法标准》测试混凝土抗折抗压强度、抗渗等级及抗氯离子渗透系数，并对混凝土中各层温度进行监测，结果见表11和12。
表11实施例3中外层高韧性高抗裂混凝土的性能测试结果
表12实施例3中所述桥梁大体积混凝土内部各层温度检测结果
由表11可以看出混凝土各龄期抗折抗压强度满足设计等级，抗渗等级达到P20，抗氯离子等耐久性能优异；表12可以混凝土内部温度差较常规大体积混凝土温度差有了显著降低，符合GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》规定≤25℃的要求。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种温度梯度控制桥梁大体积混凝土，其特征在于，所述温度梯度控制桥梁大体积混凝土从内向外由内层低温升高抗裂混凝土I、中层低温升高抗裂混凝土II和外层高韧性高抗裂混凝土构成；
所述内层低温升高抗裂混凝土I中各组分的添加量为：水泥110-155kg/m3、粉煤灰80-160kg/m3、矿粉140-200kg/m3、河砂750-850kg/m3，碎石1050-1250kg/m3、聚羧酸减水剂4-6kg/m3，水胶比控制在0.35-0.45，内部复合控温材料占内层低温升高抗裂混凝土I体积的1～2％；其中，内部复合控温材料由复合相变陶粒I与饱水陶粒以(1-2):1的体积比混合而成；
所述复合相变陶粒I的制备方法包括以下步骤：将陶粒置于真空釜内水浴加热至65-75℃搅拌20-30min，搅拌机转速40-60r/min，然后在负压1.0-1.5Mpa条件下加入相变材料I，继续搅拌5-10min后冷却至常温，搅拌机转速100-150r/min，将所得产物加入环氧树脂中进行裹覆处理，待表面硬化，即得所述的复合相变陶粒I；其中，相变材料I为十四烷酸、软脂酸中的一种或二者混合；陶粒与相变材料I的质量比为1:(0.8-1.2)；
所述中层低温升高抗裂混凝土II中各组分的添加量为：水泥110-155kg/m3、粉煤灰80-160kg/m3、矿粉140-200kg/m3、河砂750-850kg/m3，碎石1050-1250kg/m3、聚羧酸减水剂4-6kg/m3，水胶比控制在0.35-0.45，中部复合控温材料占中层低温升高抗裂混凝土II体积的0.5-1.5％；其中，中部复合控温材料由复合相变陶粒II与饱水陶粒以(1-2):1的体积比混合而成；
所述复合相变陶粒II的制备方法为：将陶粒置于真空釜内水浴加热至40-45℃搅拌20-30min，搅拌机转速40-60r/min，然后在负压1.0-1.5Mpa条件下缓慢加入相变材料II，继续快速搅拌10-20min后冷却至常温，搅拌机转速100-150r/min，将所得产物加入环氧树脂中进行裹覆，待表面硬化，即得所述的复合相变陶粒II；其中，相变材料II为癸酸、正十八烷、正二十烷中的一种或几种；陶粒与相变材料II的质量比为1:(0.9-1.5)；
所述外层高韧性高抗裂混凝土中各组分的所占质量配比为：水泥150-250kg/m3、粉煤灰50-120kg/m3、矿粉100-180kg/m3、河砂750-850kg/m3、碎石1050-1250kg/m3、聚羧酸减水剂4-6kg/m3、聚丙烯醇纤维0.05-0.10kg/m3，减缩剂占胶凝材料质量的0.05-0.10％，水胶比控制在0.35-0.45；所述胶凝材料为水泥、粉煤灰和矿粉；减缩剂为丙二醇聚醚，分子量2500-3500。
2.根据权利要求1所述的温度梯度控制桥梁大体积混凝土，其特征在于，所述陶粒为粘土陶粒或页岩陶粒，5-20mm连续级配，简压强度为5-15Mpa；饱水陶粒由上述陶粒破碎至4.75-9.50mm，然后进行常压饱水处理而成。
3.根据权利要求1所述的温度梯度控制桥梁大体积混凝土，其特征在于，所述外层高韧性高抗裂混凝土的厚度为0.5-1.2m，中层低温升高抗裂混凝土II的厚度为2-4m。
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