大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)及裂縫防控技術(shù)研究

高 峰

(莆田中建建設(shè)發(fā)展有限公司 福建莆田 351100 )

0 引言

大體積混凝土，指混凝土構(gòu)件幾何尺寸大于等于1 m的大體量混凝土，或會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮，導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。由于其體積龐大，在水泥水化時(shí)會(huì)釋放出大量的水化熱，大體積構(gòu)件形成外低內(nèi)高的溫差。這種高溫差會(huì)使大體積混凝土內(nèi)部溫度分布不均勻，由此引起混凝土構(gòu)件產(chǎn)生溫度應(yīng)力。同時(shí)，若大體積構(gòu)件中心最高溫度超過70℃，構(gòu)件內(nèi)部會(huì)發(fā)生“延遲鈣礬石生成”(delayed ettringite formation，簡(jiǎn)稱DEF)[1]，引起混凝土表面受拉而中心受壓。當(dāng)混凝土表面拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，引起構(gòu)件發(fā)生開裂，產(chǎn)生有害裂縫。

近年來(lái)，針對(duì)大體積混凝土構(gòu)件中的溫度梯度控制，一般會(huì)采用加入預(yù)冷骨料，或是在構(gòu)件內(nèi)部鋪設(shè)水管的方式[2]。采用粉煤灰，礦渣等礦物摻合料部分替代水泥，減少水泥的使用量，有效降低水化放熱總量及絕熱溫升，減少因溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的可能性[3-4]。此外，減少一次性混凝土澆筑量，采用隔熱保溫模板，夏季降低混凝土入模溫度等，都能在一定程度上控制大體積混凝土中的溫度梯度分布。

然而，采用加入預(yù)冷骨料，或是在構(gòu)件內(nèi)部鋪設(shè)水管的方式，相對(duì)耗時(shí)、費(fèi)力且成本高[2]。以礦物摻合料代替水泥，雖然可以減少混凝土中產(chǎn)生的水化熱，但摻入過多的粉煤灰，會(huì)降低混凝土早期的抗拉強(qiáng)度。若礦渣摻量過大，則會(huì)增大混凝土塑性開裂的風(fēng)險(xiǎn)[5]。因此，在減少水化熱的產(chǎn)生同時(shí)，如何經(jīng)濟(jì)有效，保持合理的強(qiáng)度，是利用配合比去控制大體積混凝土溫度梯度的重難點(diǎn)。

本文通過探究不同粉煤灰和礦渣摻比下混凝土的水化熱，工作性能以及抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)，確定出低水化熱、高體積穩(wěn)定性，強(qiáng)度符合的C35大體積混凝土配合比。在此基礎(chǔ)上，通過足尺模型試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)該配比下構(gòu)件溫度梯度、應(yīng)變變化情況，結(jié)合實(shí)際模型的實(shí)際裂縫發(fā)展趨勢(shì)以及分布規(guī)律，對(duì)該配合比的抗裂性能進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

本文研究依托于莆田媽祖重離子醫(yī)院項(xiàng)目。項(xiàng)目位于莆田市北岸經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)管委會(huì)山亭鎮(zhèn)，總建筑面積為106 700 m2，地下2層，地上部分3層，部分12層，概算總投資14.06億元。配備重離子治療中心，硼中子治療中心和質(zhì)子治療中心，其中重離子治療中心由加速器大廳，爬升區(qū)，治療室3個(gè)部分組成，包含了1.0 m、1.3 m、1.7 m、2.0 m、2.6 m、3.9 m、4.3 m厚的剪力墻，最高凈高達(dá)25 m，1.1 m、1.55 m厚的底板以及1.4 m、2.0 m、3.5 m厚的頂板，混凝土等級(jí)為C35，如圖1所示。

圖1 重離子治療中心軸測(cè)圖

2 原材料及試驗(yàn)方法

2.1 原材料

原材料采用比表面積為330 m2/kg的華潤(rùn)PO.42.5水泥，比表面積為442 m2/kg S95礦渣，福建省鴻山熱電廠的I級(jí)粉煤灰。粗骨料選用5 mm～31.5 mm連續(xù)級(jí)配石子，含泥量為0.2%，針狀、片狀顆粒含量<6%，表觀密度為2640 kg/m3。細(xì)骨料用細(xì)度模量為3.3的中粗砂，含泥量為0.2%，表觀密度，吸水率分別為2620 kg/ m3和1.5%。外加劑為武漢三源特種建材有限公司的鎂質(zhì)高性能抗裂劑，以及科之杰新材料集團(tuán)有限公司的聚羧酸系高效減水劑，減水率為17%。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法》(GB/T 50080-2016)進(jìn)行混凝土坍落度及擴(kuò)展度測(cè)試，按照《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50107-2010)進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試，水化熱采用TAM Air微量熱儀測(cè)定?；炷翗?gòu)件內(nèi)溫度、應(yīng)變測(cè)試采用來(lái)自南京葛南實(shí)業(yè)有限公司的VWS-15應(yīng)變計(jì)(智能)測(cè)定。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 粉煤灰和礦渣摻比對(duì)坍落度和抗壓強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)中，保持混凝土總膠凝材料量為342 kg/m3，水膠比為0.45，抗裂劑摻量為10%。減水劑摻量為2.2%。采用粉煤灰和礦渣粉復(fù)摻代替水泥，根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)規(guī)定，取礦物摻合料摻入量為50%,其中粉煤灰與礦渣粉復(fù)摻比例(F∶S)為8∶2、7∶3、6∶4、5∶5。配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 混凝土配合比

粉煤灰和礦渣以不同比例復(fù)摻，其混凝土坍落度，抗壓強(qiáng)度結(jié)果如圖2～圖3所示。由此可見，保持礦物摻和料總量為50%，隨著礦渣摻入比例增加，混凝土的初始坍落度減少，坍落度損失值增加，混凝土抗壓強(qiáng)度增加。說(shuō)明礦渣摻量增加，能有效提高混凝土早期強(qiáng)度，彌補(bǔ)高粉煤灰摻合量引起的混凝土早期低強(qiáng)度效應(yīng)。但由于礦渣保水性較粉煤灰差，且早期參與水化的速率快，因此，當(dāng)?shù)V渣摻量超過20%時(shí)，會(huì)引起混凝土初始坍落度下降，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，坍落度的損失量增大，2 h最大損失量為9%。

圖2 復(fù)摻比例不同對(duì)混凝土坍落度的影響

圖3 復(fù)摻比例不同對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響

3.2 粉煤灰和礦渣摻比對(duì)水化熱的影響

保持礦物摻合料的總量不變，不同粉煤灰礦渣復(fù)摻比例的水化放熱速率和水化放熱總量，如圖4～圖5所示?？梢钥吹?，隨著粉煤灰摻量的提高、礦渣摻量的降低，膠凝體系的水化放熱呈現(xiàn)水化放熱速率降低，水化放熱速率峰推遲，水化放熱總量降低的趨勢(shì)。在粉煤灰摻量為35%，礦渣摻量15%時(shí)，在早期具有更小水化放熱速率以及更低的水化放熱速率峰值，且后期水化放熱速率下降的趨勢(shì)也更為平緩，水化放熱總量小。3 d水化熱約為115 kJ/kg，7 d水化熱約為130 kJ/kg。

圖4 復(fù)摻比例不同水化放熱速率

圖5 復(fù)摻比例不同水化放熱總量

3.3 足尺模型溫度及應(yīng)變變化特征

綜合上述混凝土坍落度、抗壓強(qiáng)度和水化放熱試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)粉煤灰和礦渣復(fù)摻比例為7∶3時(shí)，28 d抗壓強(qiáng)度為51.2 MPa，初始坍落度為181 mm，2 h坍落度損失值在0.03%，3 d水化熱約為115 kJ/kg，7 d水化熱約為130 kJ/kg。符合低水化熱、高體積穩(wěn)定性、C35等級(jí)要求。將此配合比進(jìn)行3 m×3 m×3 m足尺模型試驗(yàn)，足尺模型尺寸及熱電偶應(yīng)變片埋設(shè)，如圖6～圖7所示。

圖6 足尺模型A剖面

圖7 足尺模型B剖面

圖8與圖9分別為足尺模型構(gòu)件內(nèi)部的溫度及應(yīng)變變化趨勢(shì)，可以看到構(gòu)件內(nèi)溫度與應(yīng)變變化呈現(xiàn)三個(gè)階段。第一階段發(fā)生在澆筑完成24 h內(nèi)，該階段為混凝土水化劇烈反應(yīng)階段，構(gòu)件內(nèi)部溫度，應(yīng)變出現(xiàn)陡升。中心平均升溫速率為1.45℃/h，約在18 h各測(cè)溫點(diǎn)出現(xiàn)溫度峰值。中心約為70℃，四周溫度峰值約為60℃。各個(gè)測(cè)點(diǎn)均測(cè)得壓應(yīng)變，而此時(shí)混凝土正處于升溫階段，即混凝土因升溫而產(chǎn)生膨脹?；炷羶?nèi)部的壓應(yīng)變產(chǎn)生的原因，為混凝土膨脹受到了外層混凝土的約束，限制了膨脹而產(chǎn)生壓應(yīng)變。壓應(yīng)變?cè)?40 με-220 με之間，雖然此時(shí)應(yīng)變數(shù)值較大，但為壓應(yīng)變，該階段內(nèi)發(fā)生裂縫的概率很小。

圖8 內(nèi)部溫度變化圖

圖9 內(nèi)部應(yīng)變變化

第二個(gè)階段為混凝土中心緩慢升溫階段，約為24 h～48 h。該階段內(nèi)構(gòu)件內(nèi)部升溫速率大大降低，中心區(qū)域升溫速率為0.15℃/h，且四周及邊緣位置部分已經(jīng)開始降溫。中心壓應(yīng)變繼續(xù)上升，并在該階段結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值，而四周壓應(yīng)變開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

第三個(gè)階段為混凝土降溫階段，表現(xiàn)為構(gòu)件內(nèi)部溫度下降，應(yīng)變量減少，逐漸由壓應(yīng)變向拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變。48 h之后，混凝土開始降溫，且隨時(shí)間的增加，整體溫度下降速率變緩。在110 h-280 h，以一個(gè)較快的降溫速率下降，280 h之后降溫速率降低，最終逐步逐漸于平緩。本次試驗(yàn)采用帶模養(yǎng)護(hù)保溫的方式，約在96 h后安排拆模。拆模后，四周的平均降溫速率為0.18℃/h，頂面降溫速率為0.22℃/h，中心降溫速率為0.08℃/h。此時(shí)中心點(diǎn)的溫度降低幅度要小于相鄰測(cè)點(diǎn)，中心點(diǎn)處混凝土因降溫產(chǎn)生的溫度收縮，將小于周圍混凝土的溫度收縮，即中心處混凝土相對(duì)于周圍混凝土產(chǎn)生相對(duì)膨脹，進(jìn)而產(chǎn)生壓應(yīng)力。該時(shí)間段內(nèi)發(fā)生裂縫的概率小。應(yīng)變?cè)?8 h后，呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)與溫度變化大體相同，但在60 h-110 h，結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變呈現(xiàn)一定程度的緩慢增長(zhǎng)。因?yàn)殒V質(zhì)抗裂劑的參與，發(fā)生一定的補(bǔ)償收縮，使得混凝土內(nèi)部的應(yīng)變呈現(xiàn)一定程度的上升。至28 d檢測(cè)結(jié)束，僅斜上測(cè)點(diǎn)與底中測(cè)點(diǎn)由壓應(yīng)變向拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變，整體構(gòu)件仍處于壓應(yīng)變狀態(tài)，發(fā)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)較低。

整體上，該配比下的足尺模型構(gòu)件內(nèi)部的溫度梯度分布并未存在明顯異常情況。通過帶模保溫養(yǎng)護(hù)有效的對(duì)內(nèi)外溫度差進(jìn)行調(diào)整，保持內(nèi)外溫差不小于25℃，降溫速率小于2℃/h，符合規(guī)范要求。整體構(gòu)件處于受壓狀態(tài)，結(jié)合實(shí)際構(gòu)件表現(xiàn)效果來(lái)說(shuō)，構(gòu)件內(nèi)外并未出現(xiàn)明顯裂縫，整體裂縫控制效果較好。

4 結(jié)論

(1)粉煤灰和礦渣復(fù)摻的方式調(diào)整大體積混凝土配比，由于水泥含量的減少，能夠降低混凝土水化放熱總量，延緩水化放熱峰出現(xiàn)，3 d的水化熱約為115 kJ/kg，7 d的水化熱約為130 kJ/kg。且摻入礦渣，能彌補(bǔ)大摻量摻入粉煤灰引起的早期強(qiáng)度下降，使其7 d強(qiáng)度最高達(dá)到36.7 MPa。粉煤灰發(fā)揮其形態(tài)效應(yīng)，能有效提升混凝土整體工作性能，降低其坍落度損失，最小為2.6%。

(2)通過對(duì)大體積混凝土構(gòu)件溫度及應(yīng)力檢測(cè)，配合比為礦物摻和量50%，粉煤灰和礦渣以7∶3的比例復(fù)摻，水膠比為0.45時(shí)，構(gòu)件在28d大部分呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，整體的抗裂性能良好。且增加一定量的鎂質(zhì)抗裂劑，能在一定程度上起補(bǔ)償收縮作用，延緩構(gòu)件由壓應(yīng)變向拉應(yīng)變轉(zhuǎn)變的速率，提高其抗裂能力。

(3)為確保大體積構(gòu)件不發(fā)生開裂，除配合比控制內(nèi)部溫度梯度變化外，還需要在外部增設(shè)保溫材料，或是帶模養(yǎng)護(hù)3～4 d，以提高整體大體積內(nèi)外溫度溫差把控。