大体积混凝土配合比设计及开裂预测研究.pdf

25现 代 工 程 科 技Modern Engineering Technology第 3 卷第 6 期2024 年 3 月Vol.3 No.6Mar.2024大体积混凝土配合比设计及开裂预测研究刘 杰中铁十二局集团有限公司，山西太原 030000摘 要：为了有效提升大体积混凝土的力学性能，提高混凝土工程的耐久性和可靠性，降低开裂风险，基于混凝土配合比设计规范及施工现场大体积混凝土开裂问题展开研究。从大体积混凝土的理论研究、混凝土配合比设计研究和大体积混凝土开裂预测研究三方面，探讨了大体积混凝土配合比设计及开裂预测问题，为大体积混凝土的配合比设计和开裂预测提供了重要的理论依据和实践指导，具有一定的理论和工程应用价值。该成果可以减少施工阶段的质量问题，提高混凝土工程的耐久性和可靠性。关键词：配合比；大体积混凝土；开裂预测中图分类号：TV431;TV331 文献标识码：AResearch on Mix Design and Crack Prediction of Large Volume ConcreteLiu JieChina Railway 12th Bureau Group Co.,Ltd.,Taiyuan,Shanxi 030000Abstract:In order to effectively improve the mechanical properties of large volume concrete,enhance the durability and reliability of concrete engineering,and reduce the risk of cracking,research was conducted based on the design specifications of concrete mix proportions and the cracking problem of large volume concrete on construction sites.From three aspects:theoretical research on large volume concrete,research on concrete mix proportion design,and research on large volume concrete cracking prediction,the problems of large volume concrete mix proportion design and cracking prediction were studied.This provides important theoretical basis and practical guidance for the mix proportion design and cracking prediction of large volume concrete,and has certain theoretical and engineering application value.This achievement can reduce quality issues during the construction phase and improve the durability and reliability of concrete engineering.Keywords:mix ratio;large volume concrete;crack prediction作者简介：刘杰（1990），男，中铁十二局集团有限公司项目部试验室主任、工程师，研究方向为工程试验检测。针对大体积混凝土配合比设计及开裂预测问题，从大体积混凝土的性能需求和设计要求入手，提出配合比设计方法，对开裂问题进行了综合预测。通过研究，发现采用本研究提出的配合比设计方法可以有效提升大体积混凝土的力学性能，降低开裂风险。此外，通过开展混凝土开裂预测研究，可以减少施工阶段的质量问题，提高工程的耐久性和可靠性1。因此本研究对于大体积混凝土的配合比设计和开裂预测具有重要的理论价值和实践指导作用。本研究旨在通过深入研究大体积混凝土配合比设计及开裂预测问题，为工程建设领域提供更好的理论依据、技术支持和实践指导。通过本研究的开展，可以更好地理解大体积混凝土的特性和应用，提高大体积混凝土的工程质量，推动建筑工程的进一步发展。本文从大体积混凝土的理论研究、混凝土配合比设计研究和大体积混凝土开裂预测研究三个方面展开深入探讨。1 大体积混凝土基础理论1.1 大体积混凝土定义及特性大体积混凝土可以从两个方面来解释。一方面，大体积混凝土通常是指单个构件的体积较大，例如桥梁、泵站等。另一方面，它也可以指一次性施工中使用的混凝土量较大，例如连续浇筑。大体积混凝土具有几个显著特征。首先，它的体积较大，这意味着在施工过程中需要更多的混凝土材料。这对于工程的成本和进度都会有一定的影响。其次，由于混凝土的体积较大，其施工过程相对复杂，需要更多的施工设备和人力。此外，混凝土的自重也会增加，从而对结构的承载能力提出了更高的要求2。在大体积混凝土的设计和施工中，需要注意几个要262024 年 3 月第 3 卷第 6 期现 代 工 程 科 技26点。首先，大体积混凝土的热膨胀系数较高，容易引起温度应力和开裂。因此，在大体积混凝土的设计和施工过程中，需要特别注意温度控制和开裂预防措施。其次，其收缩和蠕变效应也会更加明显，这对混凝土的变形和结构的稳定性会产生一定的影响。因此，需要采取相应的措施来控制和减小这些效应。1.2 大体积混凝土应用优势随着城市建设的快速发展，各类工程结构的规模不断扩大，对混凝土的需求也越来越大。传统的普通混凝土在大型工程中存在着许多问题，如开裂、变形等3。而大体积混凝土由于其体积较大，可以有效地减小开裂和变形的可能性，提高工程结构的稳定性和安全性。因此，大体积混凝土的应用具有非常重要的必要性。大体积混凝土的应用具有许多优点。大体积混凝土具有较高的强度和耐久性，混凝土内部的孔隙较少，从而提高了混凝土的密实性和耐久性。大体积混凝土可以减少施工接缝的数量，降低结构的渗漏风险。大体积混凝土的施工速度较快，可以大幅度缩短工期，提高工程效率。另外，大体积混凝土还具有较好的隔热性能和阻燃性能，可以有效地提高建筑物的能耗效率和安全性能。在大型工程中，选择大体积混凝土作为材料，不仅可以提高结构的稳定性和安全性，还可以提高施工效率和工程质量。因此，大体积混凝土的应用在工程实践中具有广阔的前景。通过深入研究大体积混凝土的配合比设计和开裂预测，可以进一步提高工程结构的性能和质量，促进工程建设的可持续发展。1.3 大体积混凝土制备在大体积混凝土的制备过程中，需要考虑材料的选择、搅拌比例、搅拌时间、浇注方式等因素，以确保混凝土的质量和性能。同时在大体积混凝土的施工过程中，也需要注意施工工艺、施工环境等因素的影响，以保证施工质量。一方面，在大体积混凝土的制备过程中，材料的选择是非常重要的。一般来说，大体积混凝土需要使用优质的水泥、骨料等材料，以确保混凝土的强度和耐久性4。在选择材料时，需要考虑其物理性质、化学性质以及与其他材料的相容性等因素。此外，还需要对材料进行试验检测，以确保其质量符合标准要求。另一方面，搅拌时间也是非常关键的因素。搅拌时间的确定需要考虑混凝土的搅拌均匀性和坍落度要求，一般来说，需要根据混凝土的设计坍落度和搅拌机的性能，确定合适的搅拌时间。2 混凝土配合比设计研究混凝土配合比的优化设计方法是大体积混凝土配合比设计及开裂预测研究中非常重要的一个环节。混凝土配合比设计优化可以显著增强混凝土的力学性能和耐久性能，减少开裂的风险。在混凝土配合比的优化设计中，首先需要确定混凝土使用要求，根据混凝土的使用要求，可以确定混凝土的抗压强度、抗折强度、抗渗性能等指标，然后选择合适的材料进行配合。同时，需要综合考虑混凝土的工作性能和强度性能。工作性能包括混凝土的可塑性、流动性、坍落度等指标。强度性能包括混凝土的抗压强度、抗折强度等指标。混凝土的工作性能和强度性能是相互制约的，需要在满足强度要求的前提下尽量提高工作性能。水胶比也是影响大体积混凝土性能的关键因素。水胶比的增加会使混凝土的流动性增加，但同时也会导致混凝土的收缩性增加，从而增加混凝土的开裂风险。因此，在大体积混凝土配合比设计中，需要在保证混凝土工作性能的前提下，尽可能选择较低的水胶比，以减少混凝土的开裂。在混凝土配合比的优化设计中，需要考虑到混凝土的施工工艺和环境条件。施工工艺包括混凝土的搅拌、浇筑、养护等过程。环境条件包括气温、湿度、风速等因素。混凝土的施工工艺和环境条件对混凝土的性能有着重要的影响，需要在配合比设计中充分考虑。通过对材料选择、工作性能和强度性能、施工工艺和环境条件等方面的综合考虑，可以有效地优化混凝土的配合比，提高混凝土的力学性能和耐久性能，减小开裂的风险。大体积混凝土是以耐久性为核心，在保证设计强度和抗渗等级的前提下，进行配合比优化、配制和提供具有良好施工性能的混凝土5。保证本工程混凝土的耐久性，首先是采用无碱活性的骨料、低碱水泥、优质磨细矿物粉细掺合料和高效减水剂。按照最优配合比生产的混凝土必须满足以下条件：和易性。为了保证混凝土在浇筑过程中不离析，要求混凝土要有足够的黏聚性，在泵送过程中不泌水、不离析；初凝时间。为保证底板混27刘 杰：大体积混凝土配合比设计及开裂预测研究建造科技凝土连续浇筑，混凝土初凝时间在8h以上；坍落度。坍落度控制在（16020）mm。以某项目C35大体积承台混凝土施工为例，水泥选用金隅P O42.5级普通硅酸盐水泥，级粉煤灰，粗骨料为5-31.5连续级配碎石，砂为区中砂，减水剂为缓凝型聚羧酸高性能减水剂，引气剂为K12引气剂。水为地下水，均检测合格。设计使用年限100年时，混凝土强度等级C35，最大水胶比为0.50，最小胶凝材料为300kg/m3，最大胶凝材料为400kg/m3，根据经验，取水胶比0.39。大体积混凝土配合比见表1。表1 大体积混凝土配合比（单位：kg/m3）编号水泥粉煤灰砂碎石水减水剂引气剂129112570210981544.162.08227711872810931543.951.98326311375410861543.761.88三种配合比的混凝土性能指标如表2所示。由表2可见，三种配合比混凝土都没有出现离析现象，和易性良好，混凝土抗压强度均符合设计要求。表2 混凝土性能指标编号坍落度（mm）实测容重（kg/m）初凝（min）抗压强度（MPa）0h1h2h7d28d1180175170238072539.247.92180170165236873337.745.73180165160237571436.443.83 大体积混凝土开裂预测3.1 开裂产生的因素分析混凝土结构中的开裂问题一直是一个令人关注的研究领域。本节将对开裂产生的因素进行分析，以便更好地理解和预测混凝土结构的开裂情况。3.1.1 混凝土原材料配合比的影响配合比的选择直接影响混凝土的力学性能和耐久性。过高或过低的水胶比会导致混凝土强度不足或开裂。此外，骨料的粒径分布和砂率也会对混凝土的开裂敏感性产生影响。为有效减少混凝土开裂，对其原材料配合比需进行以下设计：水泥。优先采用硅酸盐水泥或矿渣水泥等低热水泥，水泥掺量最终以试配要求为准；骨料。粗骨料选用531.5mm连续级配石子，含泥量1%，针、片状颗粒含量15%；细骨料用中粗砂，砂的粒径在5mm以下，含泥量1%，砂率控制在35%45%；外加剂。掺加减水剂，改善和易性和流动性，同时减小水胶比，使水胶比0.55，提高混凝土抗压强度和抗渗等级，降低泌水率，抗裂效果明显。掺加膨胀剂，有效减小混凝土收缩，控制裂缝。3.1.2 温度和湿度的影响混凝土在不同的温度和湿度条件下会发生体积变化，从而产生内部应力，导致开裂。高温会引起混凝土膨胀，而低温会引起混凝土收缩。湿度的变化也会导致混凝土的膨胀或收缩。需要降低水泥水化热和变形，控制混凝土的水化升温。降低混凝土温度差，控制混凝土内部和表面的温度的差值。加强施工中的温度控制，延缓降温速率、减少混凝土收缩。浇筑后及时排除表面积水，加强早期养护，提高混凝土早期或相应龄期的抗拉强度和弹性模量。3.1.3 施工操作的影响施工操作是混凝土开裂的另一个重要因素。不当的施工操作，如浇筑过程中的振捣不均匀、脱模时间过早等，会导致混凝土内部应力集中，从而引发开裂。此外，混凝土结构的浇筑顺序和浇筑速度也会对开裂产生影响。因此，在施工过程中，必须严格控制施工操作，以确保混凝土结构的质量和避免开裂的发生。浇筑方法：底板混凝土整体性要求较高，需连续浇筑。做到分层浇筑、分层捣实，必须确保上下层混凝土在初凝前结合好，不得形成施工冷缝。混凝土初凝时间控制在8h以上，从生产到入模时间不能超过1.5h。同时，需认真做好振捣和二次振捣，间歇时间11.5h；表面处理：混凝土浇筑到设计标高后，振动棒振捣密实，用长刮尺刮平，在浇筑23h、混凝土收水后，用铁抹子抹平，初凝后、终凝前再用磨光机压平收光进行二次抹面，以防止出现收缩裂缝。3.1.4 外荷载的影响外荷载是指混凝土结构承受的额外荷载，如重力荷载、风荷载、地震荷载等。外荷载的作用下，混凝土结构会产生应力，当应力超过混凝土的承载能力时，就会发生开裂。因此，在混凝土结构的设计和使用过程中，必须合理确定外荷载，并对结构进行合理的强度设计，以避免开裂的发生。282024 年 3 月第 3 卷第 6 期现 代 工 程 科 技28混凝土结构的开裂是由多种因素共同作用引起的。在混凝土配合比设计和施工过程中，必须合理考虑材料性能、温度湿度、施工操作和外荷载等因素的影响，以降低开裂的风险。只有在深入分析和理解开裂产生的因素后，才能更好地进行混凝土结构的设计和开裂预测工作。3.2 开裂预测模型和方法研究本章将重点研究大体积混凝土的开裂预测模型和方法。通过对混凝土材料的性质和结构进行分析，结合实验数据和数学模型，旨在寻找一种准确、可靠的方法来预测大体积混凝土的开裂情况。3.2.1 混凝土材料性质分析混凝土的开裂是由于内部应力超过其抗拉强度。因此，首先需要对混凝土材料的性质进行详细的分析。这包括混凝土的强度、弹性模量、抗拉强度、收缩性等指标。通过实验测试和文献调研，可以获取到这些参数的真实、准确的数据。3.2.2 结构分析与模型建立基于混凝土材料的性质分析结果，需要进一步分析混凝土结构的特点，并建立相应的数学模型。这个模型应该能够准确地描述混凝土中应力的分布和变化情况。同时，还需要考虑结构中的各种力学因素，如荷载、温度变化等对混凝土开裂的影响。在模型建立过程中，可以借鉴已有的研究成果和理论，但需要注意，引用数据时要求数据真实准确。同时，也可以通过对混凝土结构进行数值模拟和实验验证，来验证建立的模型的准确性和可靠性。3.2.3 开裂预测方法研究基于实验的方法主要是通过对混凝土试件进行实验测试，来获取开裂时的应力和变形数据，然后通过统计分析和回归分析等方法，建立开裂预测模型。基于数学模型的方法则是通过建立混凝土结构的数学模型，利用力学原理和数值计算方法，来预测混凝土结构在不同荷载和温度变化下的开裂情况。通过对不同方法的研究和对比，可以找到一种准确、可靠的开裂预测方法，并将其应用于大体积混凝土的配合比设计中。本章主要研究了大体积混凝土的开裂预测模型和方法。通过对混凝土材料的性质分析和结构分析，建立了相应的数学模型，并研究了基于实验和基于数学模型的开裂预测方法。这些研究成果为大体积混凝土的配合比设计提供了理论依据和技术支持，能够有效地预测和控制混凝土的开裂情况。4 结语本文通过对大体积混凝土配合比设计及开裂预测的深入研究，提出了一种全新的配合比设计方法，并进行了综合预测。通过综合实验和数值模拟相结合的方法，本研究对不同材料和不同结构的大体积混凝土进行了试验和模拟，得出了一系列重要而准确的研究结果。研究发现，该配合比设计方法能够提高大体积混凝土的力学性能，降低开裂风险。此外，通过开展混凝土开裂预测研究，可以减少施工阶段的质量问题，提高工程的耐久性和可靠性。然而，本研究还存在一些不足之处，未来的研究可以进一步完善配合比设计方法和开裂预测模型，拓宽研究内容，并在实际工程中进行更多实际应用的探索。参考文献1 吕世生.大体积混凝土裂缝控制技术研究与应用J.江苏建筑职业技术学院学报,2023,23(3):21-25.2 陈灿.大体积混凝土的配合比设计与温度控制策略研究J.大陆桥视野,2023(5):131-132.3 陈磊.浅谈大体积承台混凝土配合比设计及工程应用J.江西建材,2022(9):281-283.4 亓转玲.粉煤灰透水混凝土配合比设计及其性能研究D.济南:山东大学,2019.5 罗绕仙,王建,刘建,等.特大桥梁大体积混凝土配合比设计及裂缝控制C/2022年全国工程建设行业施工技术交流会论文集(下册),2022.