C70大體積自密實混凝土配合比設(shè)計

□文/劉 芳 周雪明

隨著建筑技術(shù)水平的提高，建筑物向高層、大跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的方向發(fā)展。研制具有良好工作性和耐久性的高強高性能的混凝土具有重要的意義。

高強混凝土在保證結(jié)構(gòu)強度要求的前提下，可顯著減少結(jié)構(gòu)截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，同時具有良好的耐久性，可減少修補和拆除建筑物結(jié)構(gòu)的能源和資源消耗，從而實現(xiàn)混凝土的可持續(xù)發(fā)展[1]。但綜合來看，以往對高強高性能混凝土的應(yīng)用主要集中在鋼管內(nèi)芯混凝土方面，對大體積高性能混凝土研究較少。高強度免振搗高性能混凝土關(guān)鍵是通過配合比設(shè)計，在低水膠比時使混凝土具有高工作性和高穩(wěn)定性。而如果將其應(yīng)用在大體積結(jié)構(gòu)中，不得不考慮高水泥用量帶來的高水化熱，導(dǎo)致大體積混凝土的開裂。

本文選用C70高強混凝土的水灰比，最大限度的以礦物摻合料替代水泥，結(jié)合自密實混凝土配合比計算方法，采用正交試驗設(shè)計，最后經(jīng)過實際溫升值驗算，得到符合要求的C70大體積自密實混凝土配合比。

1 配合比設(shè)計

1.1 設(shè)計思路

由于C70大體積自密實混凝土要同時兼顧高強混凝土配合比設(shè)計中對強度的要求、自密實混凝土設(shè)計中對工作性的要求和大體積混凝土施工對溫度的要求，故采取如下設(shè)計思路。

1）確定水灰比。高強混凝土水灰比的計算不能采用普通混凝土的強度計算公式，應(yīng)根據(jù)試驗資料進行統(tǒng)計，得出混凝土強度和水灰比的關(guān)系式，然后用作圖法求出設(shè)計強度為C70的混凝土對應(yīng)的水灰比作為基準(zhǔn)水灰比[2]。

2）配合比的確定。通過自密實混凝土配合比的計算方法，結(jié)合基準(zhǔn)水灰比以及礦物摻合料的取代率確定出初始配合比。

3）在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，通過對水膠比、硅灰取代率、砂率、外加劑用量進行四因素三水平的正交設(shè)計試驗，得到最優(yōu)配合比[3]。

4）大體積驗算。通過對最優(yōu)配合比最高絕熱溫升、實際最高中心溫度進行計算，確定設(shè)計配合比是否滿足大體積施工對溫度的要求。

1.2 設(shè)計目標(biāo)

通過一系列試配試驗，最終得到能同時滿足一級自密實混凝土性能和大體積混凝土溫升要求且強度達到C70高強混凝土等級要求的混凝土配合比。

1）一級自密實混凝土性能要求。擴展度650～750mm，V型漏斗 10～25 s；T50為 5～20 s。

2）高強混凝土性能要求。配制強度達到設(shè)計強度的112%以上。

3）大體積施工對溫度的要求。GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》對C20～C40大體積混凝土實際溫升要求混凝土澆注體在入模溫度基礎(chǔ)上的絕熱溫升值不宜＞50℃。但對于C70高強大體積混凝土沒有規(guī)定，考慮到有研究指出在80℃以內(nèi)時，鈣礬石可以穩(wěn)定存在[4]，因此C70高強大體積混凝土施工后混凝土溫度不宜＞80℃。

在滿足上述要求下，配制混凝土還應(yīng)滿足7 d水中限制膨脹率≮0.025%的要求。

2 原材料

1）水泥。采用P.O42.5級水泥，密度3 100 kg/m3，3 d累積水化熱Q3=238 kJ/kg，7 d累積水化熱Q7=281 kJ/kg，其他物理性能見表1。

表1 P·O42.5級普通硅酸鹽水泥物理性能

2）礦粉。S95級，比表面積430 m2/kg，7 d活性指數(shù)81%，28 d活性指數(shù) 103%，密度 2 880 kg/m3。

3）粉煤灰。Ⅱ級，負壓篩析儀細度為18.1%，需水量比為 101%，燒失量 1.5%，密度 2 200 kg/m3。

4）硅灰。緊密堆積密度 350 kg/m3，Si O2含量＞85%。

5）細骨料。Ⅱ級中砂，細度模數(shù)2.7，含泥量1.5%，表觀密度 2 680 kg/m3。

6）粗骨料。5.0～16.0mm的連續(xù)級配，壓碎值指標(biāo)4.2%，表觀密度2 820 kg/m3。

7）外加劑。聚羧酸高性能減水劑，減水率27.2%，推薦摻量1.0%。

8）膨脹劑。UEA膨脹劑，密度 2 700 kg/m3。限制膨脹率：水中7 d達到0.026%，空氣中21 d達到-0.003%[5]。

3 配合比確定

3.1 初始配合比設(shè)計

1）水灰比（W/C）的確定。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計分析，提出混凝土強度和水灰比的關(guān)系式，然后用作圖法求出設(shè)計強度為C70的混凝土對應(yīng)的水灰比作為基準(zhǔn)水灰比。通過計算得到該基準(zhǔn)水灰比為0.27。

2）粗骨料用量（Mg）的確定。依據(jù)CECS 203:2006《自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，混凝土自密實等級為一級時對單位體積粗骨料絕對體積的要求，單位體積混凝土中粗骨料的絕對體積選為Vg=0.29，則單位體積粗骨料體積用量為290 L，質(zhì)量為817.8 kg，取Mg=820 kg。

3）單位體積用水量（Vw）、水粉比（Vw/Vp）和粉體體積用量（Vp）的確定?？紤]到強度的要求和礦物摻合料的摻入，單位體積用水量選為160L，即Mw=160 kg，水粉比選為 0.80。所以 Vp=Vw/（Vw/Vp）=160/0.8=200（L）。

4）含氣量（Va）的確定。根據(jù)經(jīng)驗以及所用礦物摻合料和所使用的外加劑性能，設(shè)定自密實混凝土的含氣量為2.5%，即單位體積含氣25 L。

5）單位體積細骨料用量（Vs）的確定。因為細骨料中含有1.5%的粉體，所以根據(jù)Vg+Vp+Vw+Va+（1－1.5%）Vs=1 000 L，計算得到Vs=331.0 L，質(zhì)量為 883.7 kg。

6）單位體積膠凝材料體積用量（Vce）的確定。配合比設(shè)計中未摻入惰性摻合料，所以單位體積膠凝材料體積用量 Vce=Vp-1.5%Vs=195.0（L）。

7）水泥用量（Mc）、礦粉用量（MSA）、粉煤灰用量（MFA）、硅灰用量（MSF）和膨脹劑用量（MUEA）的確定。首先根據(jù)基準(zhǔn)水灰比和用水量確定理論水泥用量Mco=Mw/(W/C)=592.6 kg。選取礦粉、粉煤灰和硅灰取代率為18%、7%和6%，粉煤灰超量取代系數(shù)1.4，UEA膨脹劑采用內(nèi)摻法，摻量為理論水泥用量的6%。由此得水泥用量357.0kg，取Mc=360 kg，礦粉用量 106.7 kg，取MSA=110 kg，粉煤灰用量 58.1 kg，取 MFA=60 kg，硅灰用量 35.6 kg，取 MSF=35 kg，膨脹劑取MUEA=35 kg。

8）最終砂用量（Ms）的確定。由于礦物摻合料的取代，使實際單位體積膠凝材料的體積超過計算單位體積膠凝材料的體積，為保持體積不變，多余體積應(yīng)取代砂用量，所以得最終砂用量836.2 kg，取Ms=835 kg。

9）外加劑用量（MWJ）的確定。外加劑用量MWJ0=Mco×1.0%=5.93 kg，由于摻加硅灰對外加劑有一定的吸附作用，所以特考慮摻硅灰高強混凝土外加劑增量系數(shù)，得MWJ=1.4，MWJ0=8.30 kg[6]。

綜上，得到初始配合比見表2。

表2 初始配合比 kg/m3

3.2 正交試驗方案設(shè)計

參考初始配合比，在保證總膠凝材料用量600 kg/m3不變，計算密度2 423 kg/m3不變的條件下，選用水膠比、砂率、硅灰取代率和外加劑用量作為正交試驗因素，將上述因素進行四因素三水平正交試驗設(shè)計。因素水平見表3，選用L9(34)正交安排試驗見表4[7]，各試驗材料用量見表5。

表3 因素水平

表4 試驗方案

表5 各試驗材料用量 kg

續(xù)表5

3.3 試驗結(jié)果及極差分析

試驗結(jié)果見表6，極差分析見表7。

表6 試驗結(jié)果

表7 試驗結(jié)果極差分析

由表1可以得到主次因素分析結(jié)果為：A＞D＞B＞C，即水灰比＞硅灰與水泥用量比＞砂率＞外加劑用量。將極差分析與實際生產(chǎn)成本及混凝土體積穩(wěn)定性綜合考慮，得到最優(yōu)組合為水灰比0.27，砂率48%，外加劑用量9.3 kg，硅灰取代率6%。

綜上，得到正交試驗分析最優(yōu)組合配合比見表8。

表8 正交試驗最優(yōu)組合配合比 kg/m3

3.4 配合比驗證

對表8得到的最優(yōu)配合比進行試配驗證，相應(yīng)試配結(jié)果數(shù)據(jù)見表9。

表9 最優(yōu)組合配合比試驗結(jié)果

由表9可知，該配合比工作性滿足一級自密實混凝土性能要求，強度滿足C70高強混凝土要求。

4 配合比混凝土溫升計算

對表8得到的最優(yōu)配合比進行混凝土溫升計算，驗證其是否滿足大體積混凝土施工的要求。

1）水泥水化熱計算

根據(jù)配合比礦物摻合料用量，選用水化熱調(diào)整系數(shù)k=0.89，得膠凝材料水化熱總量Q=kQ0=289 kJ/kg。

2）混凝土絕熱溫升 T（t）

式中：T（t）——混凝土的最終絕熱溫升，℃；

W——單方混凝土中水泥用量，kg/m3；

Q——水泥水化熱量，kJ/kg；

C——混凝土的比熱，0.97 kJ/(kg·K)；

ρ——混凝土的密度，2 434 kg/m3；

m——與水泥品種、澆筑溫度有關(guān)的系數(shù)，目前國內(nèi)對于C25～C40大體積混凝土m值一般取0.3～0.5 d-1，對于C40以上等級的混凝土還沒有規(guī)定。日本土木工程協(xié)會按照膠凝材料的不同對m的取值做了相應(yīng)規(guī)定，其中對于普通硅酸鹽水泥有m=0.43+0.001 8 W，W為單位立方米膠凝材料用量。因此按照日本土木工程協(xié)會計算公式，m取1.51。

由此，可得混凝土最終絕熱溫升為73.4℃。同時可得到早期絕熱溫升和時間的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 混凝土早期絕熱溫升與齡期的關(guān)系曲線

由圖1可知，該最優(yōu)組合配合比1 d絕熱溫升即達到最終絕熱溫升的77.9%，如果混凝土散熱性差，中心溫度很可能超過80℃，導(dǎo)致鈣礬石分解[8]。但是按照普通大體積混凝土溫度控制經(jīng)驗，1.5 m左右厚度的大體積混凝土，在保溫措施良好的條件下，混凝土澆注體在入模溫度基礎(chǔ)上最高溫升值一般為絕熱溫升值的70%左右，對于該最優(yōu)組合配合比，在入模溫度為25℃條件下，實際溫升約52℃，最高中心溫度約77℃。因此只要控制合適的入模溫度并做好保溫養(yǎng)護和散熱措施，該設(shè)計混凝土配合比可用于厚度在1.5 m左右的大體積施工中。如果采取合適的降溫措施，可以應(yīng)用于尺寸更大的結(jié)構(gòu)部位。

綜上所述，該配合比符合C70大體積自密實混凝土要求。

[1]李繼業(yè).混凝土配制實用技術(shù)手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2]CECS 104:99，高強混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3]CECS 203:2006，自密實混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程[S].

[4]王善拔.鈣礬石熱穩(wěn)定性的研究[J].膨脹劑與膨脹混凝土，2007，(1)：8-11.

[5]葛兆明.混凝土外加劑[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[6]張承志.商品混凝土[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

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