可行性研究报告

1、可行性研究报告项目概要目前桥梁工程中广泛运用的大体积混凝土，常会因为施工期间(配合比设计、入模温度、养护措施等因素)控制不当而产生大量温度裂缝，致使影响工程质量。其中，大体积混凝土产生温度裂缝的主要原因是由于混凝土自身的导热系数较低，在模板外侧较强对流条件存在的情况下，边界部分混凝土降温速率会快于内部混凝土，若浇注时所使用的混凝土自身放热量过大、内部温升过高，则会引起内外两部分的混凝土间产生较大温度梯度，形成较大的温度应力，当混凝土抗拉强度小于温度应力时，即会导致混凝土开裂。然而大量的试验及研究表明，混凝土自身的强度增长趋势往往与放热量间存在一定联系，即放热速率越快，放热量越大，混凝土的强度增

2、长越快。所以高标号、高掺量的水泥可以使混凝土实现较高的早期强度，抵抗温度应力的作用，但其同时会导致混凝土产生较大的水化升温，促使形成较大的温度应力。出于工期考虑，实际工程中为能使混凝土能达到较高的早期强度，常使用高掺量水泥的配合比，同时采取预埋冷却水管来加速降温过程，然而此种方式无疑会给温度裂缝的产生埋下隐患。针对传统的大体积混凝土温度控制所出现的一些问题，本课题组提出开发桥梁大体积混凝土施工模糊控制技术将会体现出其应有的优势。本技术通过开发桥梁大体积混凝土施工模糊控制专家系统，对实际工程结构进行建模，根据对施工过程中最不利条件的预测，反馈到专家系统中匹配设计出梯度抗裂大体积混凝土结构及混凝土

3、施工配合比。其具有巨大的实际应用价值，实现了对大体积混凝土配合比的功能化设计；实现了对大体积混凝土结构的标准化处理；实现了利用物理建模对大体积混凝土温度模糊控制的理论化支撑；实现了材料、结构、物理模型三位一体的系统化集成。综上所述，本课题组开发大体积混凝土施工模糊控制技术简便易行，且便于实现标准化操作，能最大限度的节省人力物力，实现了资源的优化配置及高效利用，具有巨大的社会经济效益，对于建设节约型社会具有重要的现实意义。项目前期科研及工作基础国外自1930年以后，就注意到大体积混凝土的裂缝问题，并且意识到水泥水化热引发的温度应力是大体积混凝土产生裂缝的根本问题。1933年，美国在建造221m高

4、的胡佛坝(Hoover)时，对大体积混凝土进行了全面的研究，提出并开发了多种技术措施，以后相继又开发了多种技术，在实际施工中取得了良好的效果，其原理、方法至今仍然被广泛地应用于各种大体积混凝土中。总的来说，大坝混凝土中水泥的用量已经从30年代的 225kg/m3降到了现在的胶凝材料总用量 160 kg/m3，左右(含掺和料)，其中最低的如利尔坝，胶凝材料总用量只有 118 kg/m3 (水泥88 kg/m3，粉煤灰30 kg/m3)。美国在对水工大体积混凝土温控防裂方面，在60年代初已经逐渐形成较定型的设计、施工模式，包括：（1）采用具有低水化热的水泥，或一部分用活性掺合料来代替；（2）采用低

5、水泥含量以减少总的发热量；（3）限制浇筑层厚度和最短的浇筑间歇期；（4）采用人工冷却混凝土组成材料的方法来降低混凝土的浇筑温度；（5）采用预埋冷却水管，通循环水来降低混凝土的水化热温升；（6）保护新浇混凝土的暴露面，加强养护保温，以防止突然的降温。日本土木学会混凝土规范的混凝土标准示方书中，对大体积混凝土做原则规定，要求采取措施控制温度裂缝，根据混凝土一次浇灌量和裂缝控制的求设置施工缝。它的土木设计资料要求对露天连续现浇混凝土的配筋，每米厚的钢筋断面大于5cm2，横向间距小于300mm；同时要求混凝土的伸缩缝间不大于30m，施工缝间距9m。按日本经验，伸缩缝处钢筋断开，以橡胶止水阻水；施工缝处

6、钢筋连续，仍然要设置橡胶止水带防止渗漏。国内大体积混凝土温控防裂技术措施主要有：（1）水泥品种选择和用量控制；（2）骨料的优选；（3）控制混凝土出机温度和浇筑温度；（4）延缓混凝土的降温速率；（5）提高混凝土的极限拉伸值；（6）掺加外加料、改善边界约束和构造设计、加强施工监测工作、采取暂时解除约束等方法。国内外大体积混凝土工程的裂缝控制主要集中在混凝土配合比优化设计以及施工工艺控制方面，这也将是大体积混凝土裂缝控制以及提高耐久性能的主导方向。同时，国内外对于混凝土抗冲磨性能的研究有：上世纪60年代，国内外为提高水工建筑物的抗冲磨能力而进行的研究和应用就已经非常广泛。南京水利科学研究院、长江科学

7、研究院、辽宁水利科学研究院、甘肃水利电力研究所等科研单位与材料生产厂家，先后开展了水工泄水建筑物抗冲磨材料及工艺的研究和应用。虽然取得一些较为明显的效果，也有应用于工程成功的经验，但还有待进一步观察和验证，深入研究，不断改进。目前国内外主要进行了硅粉混凝土、纤维混凝土、铁钢砂混凝土等几种水工抗冲磨混凝土的配合比及性能研究。然而这些研究仅单一针对混凝土自身抗冲磨的性能展开，并未能结合大体积混凝土的本身的特点进行深入探索。项目研究开发实施方案（1）拟解决的关键问题：通过不同入模温度下混凝土的相关性能研究，探明大体积混凝土内温升规律，提出温升控制措施；针对不同强度等级（C30-C50）的大体积混凝土

8、进行配合比优化设计，实现降低混凝土绝热温升及提高各龄期混凝土的抗拉强度；通过大体积混凝土结构梯度设计实现大体积混凝土的结构抗裂；针对大体积混凝土梯度结构设计出高抗渗耐冲磨高抗裂混凝土材料，实现大体积混凝土的材料抗裂性能及耐久性能的提高；开发大体积混凝土施工模糊控制专家系统，实现桥梁大体积工程的施工可控制。（2）关键技术：1) 低温升高抗裂大体积混凝土材料设计与制备技术；2) 外层高抗渗耐冲磨高抗裂混凝土材料的设计与制备技术；3) 温度应力与抗拉强度匹配设计方法；4) 高抗渗耐冲磨高抗裂梯度大体积混凝土结构设计理论与分析方法；5) 高抗渗耐冲磨高抗裂梯度大体积混凝土的施工技术；6) 大体积混凝土

9、施工模糊控制技术及施工质量控制技术。（3）研究内容本研究针对目前大体积混凝土施工过程中存在的问题，提出了以大体积混凝土施工模糊控制技术为主要方法的设计思路。本研究的主要研究内容和目标为：A、不同入模温度下混凝土的相关性能研究针对不同入模温度对大体积混凝土各结构部位温度的水化演变规律影响较大，是影响大体积混凝土温度、力学应力的重要因素，对这一方面的研究有助于为大体积混凝土施工模糊控制技术的建模提供基础参数。研究初始反应温度对各矿物掺合料水化反应速率的影响，进行各矿物掺合料水化的时效性分析；研究不同初始反应温度下，不同组分和掺量胶凝材料体系的水化反应速率特性；研究水灰比及减水剂掺量对不同入模温度下

10、胶凝体系放热性能的影响，为模型建立提供系统的基础参数；研究入模温度对混凝土的强度增长规律的影响，为本技术的模拟应用奠定基础；研究大体积混凝土体积变形与胶凝材料组成在不同入模温度下的水化过程、内部湿度的关系。B、复杂边界条件下混凝土的热学性能研究对大体积混凝土的热学性能研究是本技术实施的核心，只有将热学性能与结构力学性能结合起来，才能为大体积混凝土施工模糊控制的精确客观运行提供技术支撑。研究外部模板类别及支撑形式对大体积混凝土导热性能的影响；研究大体积混凝土结构在复杂边界条件下的热传导性能，为确定大体积混凝土的热学性能对结构力学性能的影响规律奠定基础。C、大体积混凝土内温度场与应力场拟合研究对大

11、体积混凝土温度性能的有效控制需要对其温度场与应力场进行拟合研究。研究水化过程中的大体积混凝土其温度场与应力场的拟合，探明其在不同外部环境条件下的相互联系；研究温度应力作用下的混凝土的抗裂机理，从理论上分析大体积混凝土在不同温度场下的应力变化规律。D、大体积混凝土配合比优化设计对不同强度等级（C30-C50）的大体积混凝土，在不同的服役环境、材料化学成分等变动情况下进行匹配设计，并对后期大体积混凝土施工模糊控制模型输出的配合比进行验证评估，以期得到最符合客观规律的配合比设计。研究高强度低温升高抗裂大体积混凝土（C40-C50）的设计与制备方法及其力学性能、工作性能，探明温升特征、减缩效果对高强混

12、凝土抗裂性能的影响；研究低温升高抗裂大体积混凝土（C30）的配合比优化设计，探明强度增长过程中，温升特征、减缩效果对低标号混凝土抗裂性能的影响；探究不同强度等级混凝土（C30-C50）在不同服役条件下，矿物掺合料的最佳掺量；研究施工条件的反馈处理及大体积混凝土施工配合比的匹配设计，确定一整套在不同的温度、湿度、材料化学成分等情况下的大体积混凝土配合比设计方案。E、大体积混凝土结构梯度设计 大体积混凝土结构梯度设计是本技术研究的重点，针对大体积混凝土的自身特点，同时结合我国江河流域中含沙量较大，为避免含沙高速水流对水工建筑物过流面混凝土的冲刷磨损和空蚀破坏将使保护层混凝土剥落，钢筋暴露于潮湿的侵

13、蚀环境中，导致混凝土结构的提前发生破坏，设计出具有高抗渗耐冲磨性能的大体积混凝土梯度结构。研究具备高抗渗耐冲磨高抗裂性能的大体积混凝土结构梯度设计方案；研究大体积混凝土梯度结构用外层高抗渗耐冲磨高抗裂混凝土的设计与制备方法及其力学性能、工作性能；研究结构梯度设计的大体积混凝土抗裂性能，力图在最不利条件下保证对其抗裂性能的调控；研究水工混凝土冲磨破坏机理及影响冲磨作用的因素；进行针对高抗渗耐冲磨高抗裂大体积混凝土梯度结构的施工技术研究。F、大体积混凝土施工模糊控制专家系统的开发大体积混凝土施工模糊控制专家系统的开发，可实现材料、结构、物理模型三位一体的系统化集成，能对大体积混凝土施工的各项技术指

14、标进行客观有效的指导。开发大体积混凝土施工模糊控制专家系统，对实际工程结构建模后，根据对施工过程中最不利条件的预测，反馈到专家系统中匹配设计出梯度抗裂大体积混凝土结构及相关施工配合比。（4）实施方案及技术路线本研究通过提出以大体积混凝土施工模糊控制专家系统的开发、大体积混凝土梯度抗裂结构及相关材料的设计来实现大型工程工程质量与工程进度的兼顾。研究的相关技术路线为：1) 利用水化微量热仪探明不同初始反应温度对各矿物掺合料的水化反应速率的影响，研究不同初始反应温度对各胶凝材料组成体系的水化过程影响；2) 研究胶凝材料组分、骨料类型及级配与高抗裂大体积混凝土工作性能、力学性能及耐久性能的关系；通过研

15、究混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响规律，确定适用于不同施工及服役环境下的各强度等级的高抗裂大体积混凝土配合比；3) 探明不同入模温度下混凝土强度增长规律，通过考虑不同入模温度下混凝土的水化放热特点，设计不同胶凝材料组分和掺入高效减水保塑剂，利用密实骨架堆积法优化设计配合比，结合施工环境匹配制备出各龄期下抗裂强度大于温度应力的高抗裂大体积混凝土；4) 通过对混凝土的热学性能、力学性能、耐久性能及抗冲磨性能进行研究，确定大体积混凝土在不同服役环境下矿物掺合料的最佳掺量；5) 研究不同集料、掺和料及纤维（掺量与种类）对混凝土抗裂性能和抗冲磨的影响，探明混凝土抗冲磨性能与抗压强度、抗渗性能、抗

16、冻性能之间的关系，研究在冲磨作用与氯离子渗透耦合作用下水工大体积混凝土耐久性能；6) 将温度感应P-N结及应力应变片埋入实际工程的大体积混凝土中，通过相关分析手段探明不同温度梯度下大体积混凝土的开裂机理，提出满足相关抗裂及耐久性能设计要求的高抗裂梯度大体积混凝土结构；7) 通过采集的大量试验及工程实际数据进行大体积混凝土施工模糊控制专家系统开发。（5）创新点本课题组开发的大体积混凝土施工模糊控制专家系统，对实际工程结构建模后，根据对施工过程中最不利条件的预测，反馈到专家系统中匹配设计出梯度抗裂大体积混凝土结构及相关施工配合比。实现了对大体积混凝土配合比的功能化设计；实现了对大体积混凝土结构的标

17、准化处理；实现了利用物理建模对大体积混凝土温度模糊控制的理论化支撑；实现了材料、结构、物理模型三位一体的系统化集成；实现了满足工程质量前提下，保证施工进度的目的。1) 提出混凝土匹配抗裂机理，发明低温升高抗裂大体积混凝土材料和结构外层高抗渗耐冲磨高抗裂梯度大体积混凝土材料的设计与制备技术，并提出其制备方法与质量控制技术；2) 探明大体积混凝土结构梯度设计原理，提出高抗渗耐冲磨高抗裂大体积混凝土梯度结构设计与施工方法；3) 发明大体积混凝土施工模糊控制技术，开发大体积混凝土施工模糊控制专家系统，提出最不利条件施工配合比设计方法。4、考核目标和技术经济指标（1）技术指标C30混凝土28d抗压强度4

18、0MPa；C30:28d抗冲磨强度5h/kgm2；0h坍落度200mm，扩展度500mm；1h坍落度180mm，扩展度400mm；90d干缩2.010-4，360d徐变系数2.0；氯离子扩散系数2.010-12m2/s；内表温差25； C40混凝土28d抗压强度50MPa；C40:28d抗冲磨强度8h/kgm2 ； 0h坍落度200mm，扩展度500mm；1h坍落度180mm，扩展度400mm；90d干缩2.010-4，360d徐变系数2.0；氯离子扩散系数1.810-12m2/s；内表温差25； C50混凝土28d抗压强度60MPa；C50:28d抗冲磨强度12h/kgm2； 0h坍落度20

19、0mm，扩展度500mm；1h坍落度180mm，扩展度400mm；90d干缩2.010-4，360d徐变系数2.0；氯离子扩散系数1.510-12m2/s；内表温差25； （2）技术经济指标对于大体积混凝土工程可以降低工程造价的，大大的缩短施工工期，大大提高混凝土的服役寿命，经济效益和社会效益显著。5、项目研究开发进度本课题计划完成时间为1年，具体为2010.122011.122010.122011.02不同入模温度下混凝土的相关性能研究2011.022011.05不同强度等级（C30-C50）的大体积混凝土配合比优化设计2011.052011.06大体积混凝土结构梯度设计2011.06201

20、1.10外层高抗渗耐冲磨高抗裂大体积混凝土的设计与制备研究2011.102011.11大体积混凝土施工模糊控制专家系统开发2011.112011.12项目总结、验收项目依托工程情况及其他必要支撑条件1）项目依托工程情况嘉兴至绍兴跨江公路通道是我省公路水运交通规划(20032020 年)中的主骨架线路之一，即“两纵、两横、十八连、三绕、三通道”中的第二通道，也是浙江省“十五”国家重点建设计划之一。该通道的建成为实现浙江省跨江通道主干线网络规划目标、促进杭州湾地区的区域经济发展、推进长三角地区城市化的进程等具有十分重要的意义。主航道桥为70+200+5428+200+702680m 的六塔独柱四索

21、面钢箱梁斜拉桥。我公司承建嘉绍跨江大桥第标主桥施工任务，全长1340m。2）必要支撑条件广东省长大公路工程有限公司第一分公司主要技术领导及技术骨干参与本课题的研究工作，在资金来源、调配使用方面有充分的保障。武汉理工大学在大体积混凝土的配合比设计、温度控制技术和施工工艺方面丰硕的研究成果，本项目具有合理的人员和学科搭配，具有扎实的理论和丰富的实践经验，完全有能力、有信心完成本项目的研究工作。7、承担单位及合作（协作）单位概况参加单位广东省长大公路工程有限公司第一分公司（简称“长大一公司）是长大公司属下的公路工程施工骨干企业，在几十年发展历程中，长大一公司依靠科技、以人为本、开拓创新、艰苦创业，始

22、终致力于为社会、生产了众多质量最优的公路产品，推动了广东以至中国的公路建筑行业的发展，在国内同行享有盛誉。长大一公司创造了许多桥梁精品，一次次攀登桥梁施工技术顶峰。洛溪大桥，1990 年获国家优质工程银质奖，1991 年获交通部优质工程一等奖，1993 年被评为全国改革开放十大工程之一，2000 年获中国首届土木工程（詹天佑）奖；虎门大桥，被誉为“中国第一桥”，标志着二十世纪中国桥梁建设最高成就，长大一公司独立施工的辅航道桥270 米预应力连续刚构桥，跨径居世界同类桥梁之首；还有杭州湾北航道桥、汕头礐石大桥、新会崖门大桥、南宁永和大桥、湛江海湾大桥等等，为本课题的研究提供了很好的条件，本公司多年来一直承担完成科研课题，其中多项获得了厅级、省部级、国家级科技进步奖，有丰富的开展课题研究的组织管理经验。参加单位武汉理工大学长期从事水泥混凝土材料、道路与桥梁工程、力学及数学等方面的研究，先后承担和完成了国家“863”、国家“973”、国家“九五”、“十五”、“十一五” “十二五”支撑项目以及国家自然科学基金等科研项目。在混凝土耐久性研究方面，承担