粉煤灰和礦粉在大體積混凝土中的應(yīng)用

劉桂強(qiáng)，胡帥

（臨沂天元混凝土有限公司，山東 臨沂 276000）

1 引言

我國在GB50496-2009中對大體積混凝土有相關(guān)要求“混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土”。今年來，在高層結(jié)構(gòu)、大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中常常采用大體積混凝土施工，大體積混凝土早期溫度開裂屢見不鮮，已經(jīng)成為困擾混凝土工程施工界的焦點(diǎn)問題，溫度裂縫降低混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，將會引起一系列的安全隱患。同時(shí)裂縫的出現(xiàn)為水和其他有害侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散提供了通道，侵蝕性介質(zhì)的侵入加劇了混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕，劣化了工程的耐久性[1]。溫度差是引起大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。每克水泥水化過程中釋放的熱量為500J左右，而混凝土導(dǎo)熱性能較差，大體積混凝土因熱量積聚絕熱升溫可達(dá)到70℃或更高。當(dāng)內(nèi)外溫差產(chǎn)生的約束力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，將導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。為了保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有可靠的服務(wù)性能和耐久性能，必須在施工過程中將大體積混凝土早期溫度開裂的潛在危險(xiǎn)性降至最低[2]。針對以上大體積混凝土的特點(diǎn)，合理的配合比設(shè)計(jì)是溫控措施中非常重要的環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮粉煤灰和礦粉雙摻技術(shù)的作用，提出大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)思路，并結(jié)合其在大體積混凝土基礎(chǔ)筏板中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

2 工程概況

臨沂市商業(yè)銀行營業(yè)服務(wù)大樓工程，位于臨沂市南坊新區(qū)沂蒙路與三和街交匯處。工程建設(shè)單位為臨沂市商業(yè)銀行；工程設(shè)計(jì)單位為山東省臨沂市建筑設(shè)計(jì)研究院；工程監(jiān)理單位為臨沂市建設(shè)工程監(jiān)理公司；施工單位為山東天元第六建筑有限公司。本工程總建筑面積為92490m2，基礎(chǔ)采用C40P8的抗?jié)B混凝土，筏板長41.2m,深度最深處達(dá)到4.6m，平均深度3.5m。

3 原材料選擇與控制

3.1 粗集料

選用石灰?guī)r碎石，粒徑5～31.5mm，壓碎值指標(biāo)8.9%，密度2700kg/m3，針片狀顆粒含量7.59%，含泥量0.2%，級配良好。

3.2 細(xì)集料

選用沂河中砂，密度2660kg/m3，堆積密度1590kg/m3，細(xì)度模數(shù)2.8，含泥量0.4%。

3.3 水泥

水泥在水化過程中產(chǎn)生大量熱量，聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不容易散發(fā)，使混凝土內(nèi)部溫度升高，因此在施工中選擇水化熱較低的水泥以及盡量減小單位水泥用量，本工程結(jié)合實(shí)際情況及地方材料采用臨沂產(chǎn)P·O42.5沂州水泥。技術(shù)指標(biāo)見表1。

3.4 粉煤灰

選用鄒縣產(chǎn)優(yōu)質(zhì)Ⅰ級粉煤灰，密度2.41kg/m3，需水量比94%，45μm方孔篩篩余5.9%，燒失量2.32%，三氧化硫含量1.5%，安定性合格。

表1 水泥的技術(shù)指標(biāo)

3.5 礦粉

摻加礦粉可以降低混凝土早期水化熱，改善混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，提高抗?jié)B性。本工程選用山東魯碧建材有限公司生產(chǎn)的S95礦粉，其性能如下：7d活性指數(shù)72%，28d活性指數(shù)98%；流動度比101%。

3.6 外加劑

選用山東省建設(shè)科學(xué)研究院科技開發(fā)中心研發(fā)的NC-P5緩凝型防水劑，減水率18%，凈漿安定性合格。性能指標(biāo)見表2。

表2 外加劑質(zhì)量性能指標(biāo)

4 配合比的設(shè)計(jì)原則

在配合比設(shè)計(jì)過程中遵循以下原則：

（1）根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55-2011）、《混凝土泵送施工技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T10-2010）、《?；郀t礦渣在混凝土中的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（DG/TJ08-501-2008）進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)和試配。

（2） 采取有效措施降低混凝土的水膠比，最大不宜超過0.5，是大體積混凝土獲得良好品質(zhì)的前提。

（3）在膠凝材料總量不變的情況下，盡可能多的使用混合材料取代水泥，以降低水化熱峰值。

（4）充分利用外加劑改性功能和活性材料的品質(zhì)效應(yīng)改善混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土的工作性，力學(xué)性能和耐久性[4]。

5 配合比試驗(yàn)、確定

5.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中以粉煤灰的摻量、礦粉的摻量、砂率為四水平因素，單位用水量、水膠比為二水平因素。要考慮到粉煤灰、礦粉摻量間的交互作用。采用L16(44×23)正交表。方案安排如表3所示?；炷琳辉囼?yàn)配合比見表4。

表3 正交試驗(yàn)因素和水平

5.2 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

極差分析是對正交試驗(yàn)的一種直觀分析方法。對新拌混凝土坍落度、硬化混凝土60d抗壓強(qiáng)度、混凝土最高溫升值的極差分析結(jié)果分別見表5、表6和表7、表8。

表4 混凝土正交試驗(yàn)配合比 kg/m3

通過極差分析可以知道，各因素對新拌混凝土坍落度的影響大小依次為： E＞D＞C＞B＞(A×B) ＞A。由于誤差項(xiàng)的極差R′值為3.76大于A項(xiàng)和A×B項(xiàng)，故可不考慮此兩項(xiàng)的影響。所以最優(yōu)組合為E2D2C3B4?？梢钥闯鏊z比為影響新拌混凝土坍落度的最顯著因素，其次為單位用水量、砂率和礦粉的摻量，粉煤灰的摻量對坍落度的影響較小。

各因素對硬化混凝土60d強(qiáng)度的影響大小依次為：E＞B＞C＞D＞A＞(A×B)。最優(yōu)組合為E1B3C3D1A2?？梢钥闯鏊z比為影響60d抗壓強(qiáng)度的最顯著因素，其次為礦粉的摻量、砂率、單位用水量和粉煤灰的摻量。

各因素對混凝土最高溫升值的影響大小依次為：E＞B＞A＞C＞D＞(A×B)。最優(yōu)組合為E2B4A4C1D1.可以看出水膠比為影響混凝土最高溫升值的顯著因素，其次為礦粉的摻量，粉煤灰的摻量、砂率和單位用水量。

在混凝土的施工過程中，混凝土的坍落度能夠滿足施工技術(shù)要求即可，不應(yīng)過大。因此，綜合考慮這五個(gè)因素對混凝土的坍落度、60d強(qiáng)度和混凝土的最高溫升值的影響，用綜合平衡法選出最優(yōu)組合為A4B4C3D1E2，即粉煤灰的摻量為20%，礦粉的摻量為20%，砂率為0.45，水膠比為0.45時(shí)，混凝土的的綜合性能最優(yōu)。

5.2 配合比的確定

在絕熱箱內(nèi)溫度變化穩(wěn)定時(shí)，主要是測量絕熱箱體內(nèi)混凝土試件的溫升和周圍空氣的溫升。

表5 混凝土正交試驗(yàn)結(jié)果

表6 新拌混凝土坍落度的極差分析

表7 硬化混凝土60d抗壓強(qiáng)度的極差分析

表8 混凝土最高溫升值的極差分析

其中混凝土的比熱查閱相關(guān)資料獲得，試驗(yàn)可能存在一定的誤差。

依據(jù)正交試驗(yàn)得出的最優(yōu)組合確定混凝土的配合比，再次試驗(yàn)后根據(jù)其工作性能對配合比進(jìn)行微調(diào)，得出配合比如表9所示。

表9 施工配合比 kg/m3

5.3 配合比的工作性能

這一配合比在實(shí)驗(yàn)時(shí)的工作性能如表10所示。

表10 混凝土的工作性能

經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，最終確定此配合比為臨沂市商業(yè)銀行營業(yè)服務(wù)大樓基礎(chǔ)底板的混凝土配合比。

6 實(shí)際溫度測試結(jié)果

在混凝土的澆筑完成以后，及時(shí)對混凝土進(jìn)行保水保溫處理，防止混凝土表面降溫加快。

6.1 養(yǎng)護(hù)材料及測溫設(shè)備

見表11、表12。

表11 保溫降溫養(yǎng)護(hù)材料

6.2 測溫點(diǎn)布置

豎直方向：在混凝土的底部、中部和表面分別設(shè)置測溫點(diǎn)；水平方向：分別在邊緣1m(測區(qū)1)和中間部位（測區(qū)2）布置，一個(gè)測區(qū)測溫點(diǎn)設(shè)置如下圖（剖面圖）所示[5,6]。

表12 測溫設(shè)備

6.3 測溫工具

采用JDC-2型便攜式建筑電子測溫儀精確測量，在混凝土中預(yù)埋不同深度的測溫線，要求測溫線在混凝土中用定位鋼筋固定在不同高度位置（測溫線用扎絲綁扎固定，定位鋼筋綁扎固定），測溫線的測溫片（傳感器）在混凝土中不得與鋼筋接觸（測溫片位置鋼筋用膠布包裹），將引出線收成一束，并編號（上1#、4#，中2#、5#，下3#、6#），帶測溫探頭的一端外露混凝土不小于200mm，在混凝土澆注施工時(shí)采用膠布包裹保護(hù)。

6.4 溫度測量

在混凝土澆筑完成5h后開始進(jìn)行連續(xù)測量，每4h測量1次，持續(xù)5d，將測量結(jié)果繪制曲線，如圖2所示。

在混凝土澆筑時(shí)，測得混凝土的入模溫度為21.3℃。從圖2中可以看出混凝土的最高溫度出現(xiàn)在第2d，測溫點(diǎn)1為65.85℃，最高溫升為44.55℃?；炷恋淖畲蠼禍厮俾食霈F(xiàn)在第3d，為4.8℃/d，經(jīng)過及時(shí)養(yǎng)護(hù)后，在4～5d中混凝土的降溫速率變?yōu)?.8左右?；炷恋淖畲鬁夭顬?0.8℃。

在混凝土澆筑時(shí)測得混凝土的入模溫度為20.6℃。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)：混凝土的最高溫度出現(xiàn)在第2d，測溫點(diǎn)2為70℃，最高溫升值為49.5℃；混凝土的最大降溫速率出現(xiàn)在第4d，為2.4℃/d，經(jīng)過及時(shí)養(yǎng)護(hù)后，在4～5d里混凝土的降溫速率小于2.0℃/d；混凝土內(nèi)外部最大溫差為22.5℃。

6.5 溫度控制

（1）澆筑后主要控制混凝土本身內(nèi)外溫度差在25℃以內(nèi)；

（2）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)過程中的測溫工作，如發(fā)現(xiàn)溫差過大，及時(shí)調(diào)整保溫措施、減小混凝土的內(nèi)外溫差，并加強(qiáng)表面覆蓋層的檢查，確保嚴(yán)密保溫，混凝土表面溫度驟降不得超過10℃。

（3）為防止混凝土內(nèi)外溫差過大，產(chǎn)生溫度裂縫，應(yīng)及時(shí)對混凝土進(jìn)行溫度監(jiān)測控制，及時(shí)根據(jù)測溫情況采取有效的保溫養(yǎng)護(hù)措施。

7 實(shí)踐結(jié)果

由于設(shè)計(jì)合理、措施得當(dāng)，整個(gè)澆筑過程未采用任何特殊施工工藝，經(jīng)過正常養(yǎng)護(hù)，在混凝土的齡期到達(dá)時(shí)，混凝土未出現(xiàn)裂縫、滲漏和其他問題，60d標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度平均值48.6MPa，抗?jié)B等級達(dá)到P8以上，基礎(chǔ)筏板施工取得了良好的效果。

8 結(jié)論

（1）本工程混凝土配合比中使用粉煤灰72kg和礦粉72kg，取代水泥144kg。不僅降低了成本，也充分發(fā)揮粉煤灰和礦粉在混凝土早期水化過程中的延緩作用，可有效降低水化熱。

（2）控制水泥用量，延長混凝土齡期、選用緩凝型外加劑等方法對大體積混凝土裂縫控制有一定作用。

（3）大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)，應(yīng)從控制溫度差的角度出發(fā)，防止產(chǎn)生溫度裂縫。

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