高原地區(qū)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)

馮澤龍 辛 軍 田曉東 陶 金 張思磊

（中建交通建設(shè)集團(tuán)有限公司，北京 100000）

0 引言

近幾年，隨著建筑行業(yè)的飛速發(fā)展，我國(guó)在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的研究方面取得了很大進(jìn)展，尤其是高原地區(qū)的超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析得出，在材料選擇，工藝成型以及配合比檢測(cè)等方面都有更充足的理論及數(shù)據(jù)支撐，為超長(zhǎng)混凝土的進(jìn)一步應(yīng)用提供保障，本文對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能

1.1 結(jié)構(gòu)收縮變形

混凝土的結(jié)構(gòu)收縮是指不受外部荷載作用的混凝土，從澆筑到凝固過(guò)程中結(jié)構(gòu)變形而導(dǎo)致體積的減小，混凝土的收縮特性與其自身的物理屬性有關(guān)。收縮變形根據(jù)發(fā)生機(jī)理不同可分為不同的類型，實(shí)際工程當(dāng)中，溫度收縮和干燥收縮為主要的影響因素?；炷翝仓不瑑?nèi)部結(jié)構(gòu)由流體到塑性固體的變形，由于受外界環(huán)境及溫度的變化，造成體積的變化。水化熱反應(yīng)過(guò)程大量的熱量使得混凝土體積變大，而隨著整個(gè)過(guò)程混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部和表面溫度差，混凝土產(chǎn)生收縮變形，當(dāng)膨脹或者收縮變化超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫，造成產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題?；炷恋氖湛s過(guò)程，剛開(kāi)始澆筑時(shí)收縮較為迅速，隨著時(shí)間的變化混凝土變形逐漸放緩。影響混凝土收縮的因素有很多，但概括起來(lái)主要為混凝土材料的配合比及水灰比。目前使用較多的商品混凝土，不同品種的收縮量不同。當(dāng)設(shè)計(jì)混凝土?xí)r，用水量越大會(huì)使得水灰比升高，凝固硬化時(shí)水分蒸發(fā)得就越多，容易造成混凝土裂縫。水泥的用量及品種等級(jí)會(huì)對(duì)收縮產(chǎn)生影響，水泥用量越多、活性越高會(huì)使得收縮變形越大?；炷敛牧现兴墓橇狭揭矔?huì)影響收縮變化，實(shí)際工程中為了滿足混凝土可泵送性，較多使用粒徑較小的混凝土骨料，通常骨料粒徑越小收縮變化程度越大，降低了混凝土體積的穩(wěn)定性；摻合料外加劑的使用，雖然在改善使用性能時(shí)發(fā)揮了作用，但也為混凝土收縮變形變大埋下隱患。因此對(duì)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度收縮變形進(jìn)行控制，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)混凝土材料的配合比及水灰比，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境組織施工方案，以減少混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)施工中裂縫的產(chǎn)生。

1.2 耐久性

混凝土除了要有適度的強(qiáng)度外，還要保障在實(shí)際環(huán)境應(yīng)用中具有良好的耐久性。比如抗?jié)B性、抗凍性、抗硫酸鹽、抗侵蝕性、抗壓疲勞形變、堿骨料反應(yīng)等?？?jié)B性指的是混凝土在制作過(guò)程中，振搗工藝不嚴(yán)謹(jǐn)會(huì)使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)存有孔隙和孔洞，這種結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致混凝土周圍的物質(zhì)滲透到混凝土內(nèi)部，一旦水氣進(jìn)入，將會(huì)使得建筑配筋生銹，降低安全性能?？箖鲂灾富炷恋挚估鋬龅哪芰?。高原嚴(yán)寒地區(qū)，混凝土結(jié)構(gòu)滲入水分受冷結(jié)凍后，使混凝土內(nèi)部孔隙和孔洞承受較大工作壓力?？骨治g性指混凝土在實(shí)際工作中抵抗腐蝕的性能。實(shí)際工程中常見(jiàn)的侵蝕性液體主要是硫酸鹽溶液、酸性水、堿類的濃溶液等。

1.3 溫度應(yīng)力

在自然環(huán)境中，由于外部氣候及其他因素的影響會(huì)造成混凝土結(jié)構(gòu)的變化。如溫度的影響，當(dāng)溫度降低時(shí)，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的抗拉能力小于低溫處具有的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。常見(jiàn)的溫度影響因素主要有季節(jié)性變化的溫差，寒潮等溫度驟降形成的溫差，不同時(shí)間以及地點(diǎn)對(duì)混凝土的影響也有差別?；炷磷陨頊囟葢?yīng)力屬性的形成主要受混凝土的配合比、水泥品種、水泥用量等因素影響，其結(jié)構(gòu)的變化與溫度變化并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。實(shí)際工程中混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含多種不同造型的構(gòu)件，在各個(gè)構(gòu)件之間也會(huì)形成一定的溫差。對(duì)溫度應(yīng)力的分析就變得比較復(fù)雜，需要借助有限元軟件，如ANSYS等，按應(yīng)力求解法或者按位移求解法來(lái)分析求出溫度應(yīng)力。當(dāng)然溫度應(yīng)力是混凝土材料本身的物理性質(zhì)，分析其形成影響因素就能夠在實(shí)際工程中采取必要的措施控制溫度應(yīng)力。

2 高原地區(qū)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)研究

2.1 配合比設(shè)計(jì)原則

混凝土配合比，即水泥、砂子、石及水用量的比例關(guān)系，直接影響到混凝土的施工質(zhì)量和施工成本。

（1）在進(jìn)行混凝土配制前，必須先對(duì)所要用原材料和組成材料的性能、各組分之間以及各種物質(zhì)各自應(yīng)有特點(diǎn)等因素作充分考慮，才能使其具有一定強(qiáng)度。

（2）在配合比設(shè)計(jì)前，應(yīng)先將所需原料進(jìn)行分類堆放并存放于指定地點(diǎn)；然后按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)攪拌使之達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；最后再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最佳配比率及品種、規(guī)格和級(jí)號(hào)等相關(guān)參數(shù)。在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格控制各配合比的質(zhì)量，并對(duì)其進(jìn)行必要的取樣檢測(cè)。若發(fā)現(xiàn)不符合要求時(shí)必須及時(shí)更換。

（3）混凝土的配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要嚴(yán)格遵循從低到高、從骨料選取角度出發(fā)配制最佳原材料和技術(shù)措施相結(jié)合原則；合理確定各組成分項(xiàng)系數(shù)。在保證使用性能前提下，盡量減少原材料消耗量。

（4）在試驗(yàn)過(guò)程中，盡量減少對(duì)早期工程量及施工周期影響；同時(shí)也不能降低試驗(yàn)段混凝土配合比例值。當(dāng)選擇大體積混凝材料時(shí)應(yīng)盡可能采用單品種的水泥或摻加粉煤灰、礦渣等替代部分低塑鋼材或者高強(qiáng)度細(xì)砂作為混凝土用料，

（5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選擇最佳配合比并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)合理地確定混凝土的配筋計(jì)算來(lái)提高經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，可以從技術(shù)可行性及經(jīng)濟(jì)性等方面考慮采用不同種類及同系列產(chǎn)品進(jìn)行比較分析，以獲取最好的配合比例方案，從而得到最優(yōu)組合。

2.2 配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)

試驗(yàn)分為室內(nèi)和室外兩個(gè)階段，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)超長(zhǎng)混凝土配合比、施工方法以及現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境進(jìn)行了分析。

（1）室內(nèi)試驗(yàn)：在試驗(yàn)施工過(guò)程中，根據(jù)不同工程部位的要求來(lái)選擇相應(yīng)數(shù)量且質(zhì)量較高強(qiáng)度等級(jí)及耐久性能好的材料，還需充分考慮當(dāng)?shù)貧夂驐l件等方面因素的影響，以全面準(zhǔn)確地對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

（2）室外實(shí)驗(yàn)：通過(guò)對(duì)混凝土原材料、配合比以及水灰比進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和近效的研究分析之后確定最佳施工工藝參數(shù)，應(yīng)遵循工程實(shí)際情況，合理選擇原材料及施工方法。通過(guò)測(cè)定不同組合間混凝土強(qiáng)度來(lái)確定最佳工藝參數(shù)。在進(jìn)行試驗(yàn)過(guò)程中，首先將水泥、砂率分別按不同比例算出各組份內(nèi)水灰比和硅含量；然后計(jì)算并記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后匯總整理得出相應(yīng)結(jié)論及規(guī)律性結(jié)果分析；其次是根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合以往學(xué)者們的實(shí)驗(yàn)資料，確定混凝土配合比例值。通過(guò)試驗(yàn)得到的參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證了該混凝土配合比設(shè)計(jì)的合理性，并為工程實(shí)踐提供參考意見(jiàn)。

2.3 配合比設(shè)計(jì)結(jié)果與討論

混凝土配合比設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題。對(duì)配合比設(shè)計(jì)時(shí)需從以下幾方面進(jìn)行綜合考慮：首先要對(duì)影響混凝土最終配制效果的因素；其次是可優(yōu)化調(diào)整的因素，如原材料、骨料等材料用量；還有就是根據(jù)施工環(huán)境確定的拌合比例；再就是混合方式對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響等，這些都必須在試驗(yàn)中完成，以保證配合比設(shè)計(jì)結(jié)果準(zhǔn)確并滿足工程要求。

3 高原地區(qū)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)配合比設(shè)計(jì)應(yīng)用

3.1 配合比的選擇與思路

高原地區(qū)超長(zhǎng)混凝土配合比設(shè)計(jì)：首先進(jìn)行試驗(yàn)，確定普通級(jí)配用量和硅酸鹽類摻合料及其含量、礦粉與低筋比例及水灰比對(duì)其耐久性等方面的影響；然后通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)得出最優(yōu)組合方案并驗(yàn)證推薦值范圍內(nèi)各因素變化趨勢(shì)；最后利用ANSYS有限元軟件建立三維模型模擬典型工程實(shí)體試件性能受環(huán)境化學(xué)條件(如溫度，濕度，CO濃度等)影響的情況。通過(guò)分析得出結(jié)論：在相同強(qiáng)度等級(jí)條件下普通級(jí)配和與高筋比例及水灰比對(duì)耐久性、抗?jié)B性以及塑性性能均有顯著影響；隨著外加水量逐漸增大后其力學(xué)性質(zhì)變化趨勢(shì)不明顯，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析，驗(yàn)證超長(zhǎng)混凝土配合設(shè)計(jì)方法的正確性。

3.2 工程概況

本工程建設(shè)地點(diǎn)位于拉薩市城關(guān)區(qū)江蘇路與東山路交匯處西。總建筑面積14796.78m2，建筑占地面積13800m2，地上建筑層數(shù)4層，高度23.95m，裝飾構(gòu)架最高點(diǎn)51.0m，地下建筑層數(shù)1層，建筑防火類別一級(jí)，地震基本烈度8度，主要結(jié)構(gòu)選型為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)。混凝土強(qiáng)度：基礎(chǔ)墊層：C15；筏板基礎(chǔ)、獨(dú)立基礎(chǔ)、條形基礎(chǔ)：C30；框架柱C50。

3.3 工程原材料的選擇

原材料的特性對(duì)混凝土強(qiáng)度有很大影響，選用的原料必須是耐久性強(qiáng)且具有一定延性和級(jí)配變化范圍的。同時(shí)還要求所選材料要有良好的水化作用，并能與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以及力學(xué)性能穩(wěn)定，而不容易因外界濕度過(guò)大或高溫影響其穩(wěn)定性。應(yīng)優(yōu)先考慮到經(jīng)濟(jì)效益好、易獲得的產(chǎn)品。

混凝土中使用到的水泥主要是低強(qiáng)度膠凝材料，如普通硅酸鹽類。本工程選用低熱硅酸鹽水泥或者低熱礦渣硅酸鹽水泥。主要是低強(qiáng)度膠凝材料和細(xì)集料組成；而細(xì)集料則與混凝土配比有著密切聯(lián)系。因此為了滿足工程經(jīng)濟(jì)性、耐久性等性能，需要在試驗(yàn)過(guò)程中采用不同品種、規(guī)格級(jí)號(hào)以及粒徑大小的砂石，并能達(dá)到較高配合精度要求就必須對(duì)其進(jìn)行合理選擇。在配合比設(shè)計(jì)前，應(yīng)先將所需原料進(jìn)行分類堆放并存放于指定地點(diǎn)；然后按照實(shí)驗(yàn)要求對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)攪拌使之達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)；最后再根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定最佳配比率及品種、規(guī)格和級(jí)號(hào)等相關(guān)參數(shù)。

本工程選用非堿性骨料。其粒徑選用5.0mm～31.5mm。混凝土原材料用量為0.5%時(shí)，經(jīng)過(guò)1次減水劑拌和后發(fā)現(xiàn)性能基本穩(wěn)定;當(dāng)砂率增加到100%、0.5h以及更高標(biāo)準(zhǔn)之后都會(huì)出現(xiàn)不同程度的收縮現(xiàn)象。而隨著粒徑大小及級(jí)配尺寸增大對(duì)水泥漿體流動(dòng)性有很大影響。在摻入量控制方面要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行。

混凝土配比時(shí)要按照設(shè)計(jì)及操作規(guī)程執(zhí)行拌合用水量，不應(yīng)大于160kg的用水量，同時(shí)滿足小于等于300kg的水泥用量。嚴(yán)格控制混凝土坍落度為120mm～160mm，高溫季節(jié)施工，應(yīng)采取措施緩凝。施工完成后混凝土強(qiáng)度不大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的1.2倍，并且測(cè)試60d的強(qiáng)度配合比作為重要的設(shè)計(jì)參考數(shù)據(jù)。

混凝土總收縮值應(yīng)控制在0.0004以下。按標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量的混凝土彈性模量實(shí)測(cè)值與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值的比值在0.95～1.10之間。頂板二層樓面剪力墻、二層樓面梁板混凝土中摻入適量鋼纖維，鋼纖維采用異形鋼纖維，強(qiáng)度等級(jí)380級(jí)，纖維長(zhǎng)度30mm～60mm，當(dāng)量直徑0.3mm～0.9mm，長(zhǎng)徑比40～80，摻量保證在30kg/m3。樓面梁板混凝土中摻入適量聚丙烯纖維滿足規(guī)范。

3.4 混凝土的拌和

3.4.1 混凝土澆筑要求

（1）首先明確各個(gè)保障區(qū)段內(nèi)澆筑作業(yè)連貫性。（2）區(qū)段內(nèi)，同層的柱、梁、板混凝土應(yīng)同時(shí)澆筑，施工縫只應(yīng)在柱底處。（3）混凝土的澆筑形式，應(yīng)分層次進(jìn)行，類似以階梯模式進(jìn)行推進(jìn)，各層澆筑時(shí)間間隔要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，小于初凝時(shí)間。（4）從中部向兩側(cè)連續(xù)澆筑混凝土，不得中斷。（5）混凝土應(yīng)加強(qiáng)振搗，不得漏振、欠振，且不得過(guò)振。（6）當(dāng)遇梁柱節(jié)點(diǎn)鋼筋過(guò)密時(shí)，應(yīng)事先做好預(yù)案措施，務(wù)必保證該部位的砼澆筑密實(shí)。

3.4.2 后澆帶施工要求

后澆帶未澆筑前支架模板應(yīng)保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（特別是單排柱）的穩(wěn)定和安全。施工時(shí)應(yīng)做必要的支撐以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。澆筑前對(duì)施工面進(jìn)行清理，保證混凝土緊密性，并且不會(huì)混雜浮塵及雜物。用水沖洗并濕潤(rùn)24h后，砼表面應(yīng)采用純水泥漿接漿。后澆帶均應(yīng)選擇在氣溫較低（合攏溫度宜5℃～12℃）時(shí)采用膨脹混凝土澆筑，混凝土必須振搗密實(shí)。

3.5 配合比檢測(cè)

混凝土配合比的檢測(cè)方法有很多種，常用的有目測(cè)法、電探直方儀檢測(cè)法等。在進(jìn)行超長(zhǎng)混凝土試模制作之前要對(duì)其坍落度和出漿深度以及孔隙率進(jìn)行測(cè)定。采用這種辦法時(shí)，首先要將拌合料倒入坍落后標(biāo)記地塞好口后，裝進(jìn)標(biāo)養(yǎng)管中并放入水箱里，密封待用之后再加入適量的水使混凝土充滿；采用C30及以上的高速級(jí)換算方法，計(jì)算出混凝土坍落度。在確定了各配合比方案后，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析得出最佳拌和時(shí)間、水灰比以及高程。通過(guò)對(duì)工程概況的了解，確定了試驗(yàn)區(qū)混凝土配合比為普通低熱多功能水泥穩(wěn)定碎石混合料坍落度損失最小時(shí)，在最佳摻量和拌制時(shí)間，用先進(jìn)先出法、級(jí)配過(guò)渡到單頭注水來(lái)控制混凝土的粘聚性[1-5]。

4 結(jié)束語(yǔ)

混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)不同的工程性質(zhì)、氣候條件及施工要求等，結(jié)合當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)特點(diǎn)，選擇最適合該地區(qū)的最佳材料及配合比。在進(jìn)行敏感性評(píng)估時(shí)，應(yīng)首先對(duì)混凝土的耐久性作出全面考慮，其次還需根據(jù)環(huán)境條件及使用性能，確定超長(zhǎng)混凝土料和預(yù)拌砂漿的用量。總的來(lái)說(shuō)，超長(zhǎng)混凝土是一種新型的建筑材料，它與普通鋼筋相比，具有良好的力學(xué)性能及耐久性，可承受更高負(fù)荷的各種工作環(huán)境，在高原地區(qū)優(yōu)先選用超長(zhǎng)混凝土代替水泥砂漿進(jìn)行加工后澆帶作業(yè)，可提高工程質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。