建筑工程混凝土材料配合比設(shè)計與檢測

張 獻(xiàn) 偉

（廣東盈通檢測技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司，廣東 中山 528455）

0 引言

建筑工程常涉及大體積混凝土施工，水泥用量較多，劇烈的水化反應(yīng)會釋放過多的熱量，致使大體積混凝土溫度升高，引起開裂。合理選擇原材料、設(shè)計配合比及加強(qiáng)溫度監(jiān)測控制均是保證大體積混凝土施工質(zhì)量的重要方式，因此研究混凝土配合比設(shè)計方式與溫度檢測技術(shù)具有重要意義。

1 工程概況

本文以廣東省中山市德商·樾璽一期1#，2#，3#，5#，6#，12#，13#及地下室工程為例，該工程主樓基礎(chǔ)面積約2 800 m2，為樁筏基礎(chǔ)，主樓部分的基礎(chǔ)底板厚度為3.0 m，采用強(qiáng)度等級C40、抗?jié)B等級P8的混凝土。施工恰逢夏季，平均氣溫在30 ℃以上，混凝土易由于高溫而產(chǎn)生裂縫?；诖?，應(yīng)精心選材、優(yōu)化配合比，加強(qiáng)溫度監(jiān)控，以進(jìn)一步保障底板大體積混凝土施工質(zhì)量。

2 大體積混凝土的原材料

2.1 水泥

水泥水化時釋放熱量，導(dǎo)致混凝土溫度升高，加大內(nèi)外部溫差，混凝土結(jié)構(gòu)可能會產(chǎn)生裂縫。在控制混凝土溫度方面，挑選水泥品種和降低水泥用量至關(guān)重要。水泥以選用粉煤灰硅酸鹽水泥為宜，但本工程所在地區(qū)的粉煤灰硅酸鹽水泥供應(yīng)困難，因此采用P·O42.5 普通硅酸鹽水泥摻粉煤灰、礦渣粉的方法，同時用適量外加劑以減少水泥用量，可緩解水泥水化熱。水泥的力學(xué)性能指標(biāo)包含標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時間、水化熱及強(qiáng)度，具體見表1。

表1 水泥力學(xué)性能指標(biāo)

2.2 礦物摻合料

2.2.1 粉煤灰

粉煤灰與水泥的水化產(chǎn)物Ca（OH）2發(fā)生二次水化生成水化硅酸鈣凝膠，此產(chǎn)物難溶于水，可填充至混凝土的孔隙內(nèi)，使結(jié)構(gòu)具有更高的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。由于粉煤灰顆粒較細(xì)，可填充至混凝土的孔結(jié)構(gòu)中，使混凝土更加密實。同時，粉煤灰還具有提高混凝土后期強(qiáng)度及保障耐久性的作用。

根據(jù)大體積混凝土工程施工要求及當(dāng)?shù)胤勖夯夜?yīng)情況，采用的是Ⅱ級F 類粉煤灰，細(xì)度14 um～25 um（45 um 方孔篩篩余≤25%），密度2 400 kg/m3，含水量0.1%，SO3含量2.34%，需水量比98%，增加強(qiáng)度活性指數(shù)77，粉煤灰對水泥無不良反應(yīng)[1]。

2.2.2 礦渣粉

高爐煉鐵熔融的礦渣遇冷后產(chǎn)生玻璃態(tài)物質(zhì)，即高爐礦渣粉，此類材料經(jīng)水冷卻后具有較強(qiáng)的活性，可作為水泥的活性混合材料進(jìn)行使用。在大體積混凝土中摻入礦渣粉后，由于摻入料的28 d 活性指數(shù)高，可有效改善混凝土的流變性，方便施工，同時將提高混凝土的后期強(qiáng)度和耐久性。

在本建筑工程中，選用的是S95 級?；郀t礦渣粉，7 d，28 d 的活性指數(shù)分別為83%，102%，比表面積為491 m2/kg，流動度比為98%。

2.3 骨料

2.3.1 細(xì)骨料

根據(jù)規(guī)范要求，建議采用含泥量不超過2%、細(xì)度模數(shù)為2.6～2.9 的Ⅱ區(qū)中砂，本工程選擇的細(xì)骨料含泥量為1.3%、細(xì)度模數(shù)為2.6 的河砂，此細(xì)骨料的泥塊含量控制在0.1%以內(nèi)，表觀密度、堆積密度分別為2 650 kg/m3，1 520 kg/m3，級配見表2。

表2 細(xì)骨料（河砂）的級配

2.3.2 粗骨料

選擇粗骨料需重點關(guān)注顆粒級配和最大粒徑，在本建筑工程中，將5 mm～31 mm 連續(xù)級配石子作為粗骨料，針片狀含量4.6%，含泥量為0.20%，不含有泥塊，表觀密度2 740 kg/m3，壓碎指標(biāo)6.8%[2]。

2.4 外加劑

2.4.1 減水劑

施工期間氣溫高，需要延緩水化熱的釋放速度，避免混凝土過快凝結(jié)。因此，采用HPWR-R 緩凝型聚羧酸減水劑使大體積混凝土初凝時間超過17 h、終凝時間約20 h，初凝后，強(qiáng)度于短時間內(nèi)大幅提高。減水劑的性能指標(biāo)包含減水率、pH 值、抗壓強(qiáng)度及密度，具體見表3。

表3 HPWR-R 緩凝型聚羧酸減水劑主要性能指標(biāo)

2.4.2 其他外加劑

SY-K 抗裂防水劑的作用在于控制大體積混凝土收縮，可避免因劇烈收縮而產(chǎn)生裂縫。

3 配合比設(shè)計思路

1）根據(jù)混凝土性能要求和材料用量控制要求設(shè)計大體積混凝土的配合比，在不影響混凝土強(qiáng)度的前提下，可減少水泥用量、增加礦物摻合料的用量，從而減少水泥的水化熱，避免因水化熱升溫而引起塑性收縮，以防大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

2）精心挑選粗骨料，發(fā)揮出此類材料對大體積混凝土收縮的限制作用，合理控制粗骨料的粒徑、含泥量等指標(biāo)，并控制粗骨料的用量。在不影響大體積混凝土性能的前提下降低砂率，以防混凝土自收縮[3]。

3）合理控制各類材料的用量，材料之間無不良反應(yīng)，按配合比拌制混凝土，使其綜合性能滿足工程要求。

4 基準(zhǔn)配合比設(shè)計

4.1 配合比設(shè)計

以60 d 齡期作為評定大體積混凝土強(qiáng)度的依據(jù)，嚴(yán)格遵循設(shè)計規(guī)程，科學(xué)設(shè)計大體積混凝土的配合比。經(jīng)過初步計算和試拌調(diào)整后，確定基準(zhǔn)配合比，再根據(jù)建筑工程對大體積混凝土的性能要求調(diào)節(jié)材料的用量，得到更具可行性的配合比，保證混凝土在溫度方面滿足工程要求，各項性能均可靠。外加劑是改善混凝土性能的重要材料，以膨脹劑為例，本文采用CSA 膨脹劑(主要成分是無水硫鋁酸鈣)，用量取膠凝材料用量的8%。

4.1.1 混凝土配制強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差σ=5.0，則混凝土配制強(qiáng)度按下式計算：

式中：fcu，0為混凝土配制強(qiáng)度，fcu，k為混凝土設(shè)計強(qiáng)度，MPa。

4.1.2 水膠比水膠比計算公式如下：

式中：fb為膠凝材料強(qiáng)度，MPa，此處取42.8 MPa；αa，αb為回歸系數(shù)，分別取0.53，0.20。經(jīng)計算：W/B=0.43。

4.1.3 混凝土的用水量

本工程大體積混凝土的用水量按過往工程經(jīng)驗控制在165 kg/m3。

4.1.4 原材料用量

水泥用量mc0=260 kg/m3；粉煤灰用量mf10=80 kg/m3；礦渣粉用量mf20=80 kg/m3；減水劑用量ma0=9.5 kg/m3；膨脹劑用量ma1=34 kg/m3。

4.1.5 砂率

大體積混凝土砂率的控制區(qū)間為35%～42%，由于大體積混凝土需施工便捷、質(zhì)量可靠，因此確定砂率βs=40%。

4.1.6 砂、石的用量

以重量法計算砂、石的用量。

1）混凝土密度的計算

mcp=mb0+mw0+mg0+ms0+ma0=2 360 kg/m3（混凝土的假定密度）

2）砂、石總量的計算

砂用量：ms0=mg0+ms0·βs=709 kg/m3；

砂石總量：mg0+ms0=mcp-mb0-mw0-ma0=1 767 kg/m3。

初步計算后，確定強(qiáng)度等級C40、抗?jié)B等級P8的混凝土的砂率為40%，水膠比為0.43。

4.2 性能試驗

1）混凝土的基本性能主要指的是坍落度、擴(kuò)展度及凝結(jié)時間（初凝960 min、終凝1 150 min），試驗結(jié)果見表4。

表4 C40P8 混凝土基本性能

2）混凝土強(qiáng)度方面，考慮7 d，14 d，28 d，60 d的強(qiáng)度，抗壓強(qiáng)度分別為24.1 MPa，32.8 MPa，40.1 MPa，48.3 MPa。

5 大體積混凝土的理論溫差計算

5.1 入模溫度計算

施工期間當(dāng)?shù)仄骄鶞囟瘸?0 ℃，需嚴(yán)格控制混凝土入模溫度，以免由于溫度異常而產(chǎn)生裂縫，具體方法為：以灑水的方式降低砂石的溫度，以22 ℃為宜；大氣平均溫度設(shè)為30 ℃，將砂的含水率控制在4%[4]。

材料的溫度分別為：水泥溫度Tce=50 ℃、粉煤灰溫度Tr=30 ℃、礦粉溫度Tk=30 ℃、砂溫度Tsa=22℃、石子溫度Tg=22 ℃、拌合水溫度Tw=20 ℃。

混凝土拌合溫度為24.5 ℃，出機(jī)溫度為24.9℃，澆筑成型后的溫度為25.8 ℃?；炷吝\(yùn)轉(zhuǎn)次數(shù)為2 次，拌合運(yùn)輸時間為0.7 h，溫度損失系數(shù)為0.25。

5.2 絕熱溫度計算

混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax=54.5 ℃，絕熱溫度Th=54.4 ℃?；炷翝仓⒄駬v完成后，向表面覆蓋草袋進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，表面與大氣的最大溫差為4.9 ℃，混凝土中心與表面的最大溫差為19.6 ℃，滿足溫差在25℃以內(nèi)的要求，因此混凝土的溫度合理，可避免溫度應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生，由此也證明原材料類型、配合比及施工工藝的可行性。

6 大體積混凝土溫度監(jiān)測結(jié)果

以預(yù)埋熱傳感裝置的方式監(jiān)測大體積混凝土各齡期的溫度，根據(jù)溫度監(jiān)測結(jié)果采取控溫措施，減小混凝土內(nèi)部與表面的溫差及表面與環(huán)境的溫差，以免產(chǎn)生溫度裂縫。測溫點布設(shè)位置準(zhǔn)確，熱傳感裝置穩(wěn)定可靠，混凝土澆搗完成后便開始監(jiān)測溫度，測溫頻率根據(jù)施工時間而定：混凝土澆筑和振搗完成的前3 d，每2 h 進(jìn)行1 次測溫；第4 d～6 d，測溫間隔時間延長至4 h；第7 d～9 d，每8 h 測溫1次。經(jīng)過連續(xù)9 d 的溫度監(jiān)測后，匯總大體積混凝土的測溫數(shù)據(jù)，繪制不同齡期的溫度變化曲線（見圖1）。

圖1 不同齡期的溫度變化曲線

由圖1 可知：大體積混凝土內(nèi)部最高溫度為58.9 ℃，最大溫差、最小溫差分別為24 ℃，12.6 ℃；測溫全過程中溫差均在25 ℃以內(nèi)，溫度得到有效控制，大體積混凝土可在適宜的溫度下有效成型，實際施工效果達(dá)到預(yù)期。

7 結(jié)論

1）建筑工程大體積混凝土配合比設(shè)計需以強(qiáng)度達(dá)標(biāo)為前提，以控制內(nèi)部溫度升高的基本目標(biāo)，精心挑選原材料并控制各類材料的用量，按照科學(xué)的配合比拌制混凝土后進(jìn)行澆筑、振搗。施工期間，控制混凝土入模溫度，減小混凝土內(nèi)外溫差，避免溫度裂縫的出現(xiàn)。

2）混凝土配合比設(shè)計時，需計算混凝土內(nèi)部最高溫度，根據(jù)計算數(shù)據(jù)采取溫度控制措施，盡可能在源頭上避免溫度裂縫。

3）通過粉煤灰的應(yīng)用，適當(dāng)降低水泥用量，緩解水化熱；摻入緩凝型外加劑，減弱混凝土的水化熱作用；選擇合適的礦物摻合料及膨脹劑，改善大體積混凝土的性能；用適量冰水?dāng)嚢?，防止大體積混凝土在拌合階段便出現(xiàn)明顯的溫度升高現(xiàn)象。

4）大體積混凝土澆筑完成后，及時覆蓋保溫材料，減小混凝土內(nèi)部和表面的溫差。

5）通過熱傳感器監(jiān)測大體積混凝土的溫度，在不同齡期以不同的頻率監(jiān)測，判斷實測溫度及溫差是否在許可范圍內(nèi)，以溫度監(jiān)測信息為指導(dǎo)，采取控溫措施，使大體積混凝土在合適的溫度條件下有效成型。