配合比优化设计在大体积混凝土中的应用.pdf

全国中文核心期刊 新 建巍 配合比优化设计在大体积混凝士【 ； 】 的应用 梁蜜达 ( 厦 门源昌城建集 团有限公司， 福建 厦门3 6 1 0 1 2 ) 摘要 ： 分析了大体积混凝土裂缝产生的主要原因， 通过优化配合比设计， 在大体积混凝土中掺入粉煤灰、 矿渣粉、 减水剂来减少 用水量和水泥用量， 能有效降低混凝土 内部因水化热 引起 的温升， 结合在混凝土外部覆盖保温材料等措施来保证大体积混凝土 的质 量 。 关键词： 大体积混凝土： 配合比优化： 水化热； 养护 中图分类号： T U 5 2 8 0 4 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 7 0 2 X( 2 0 1 0 ) 0 8 0 0 1 4 0 4 Op t i mu m d e s i g n o f mi x p r o p o r t i o n i n m a s s c o n c r e t e LI ANG Mi d a ( X i a me n Y u a n c h a n g U r b a n C o n s t r u c t i o n G r o u p C o L t d ， X i a m e n 3 6 1 0 1 2 ， F u j i a n ， C h i n a ) 大体积混凝土是指混凝土结构物实体最小几何尺寸不小 于 1 m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化 引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。 需的， 其余8 0 的水要被蒸发。 混凝土中多余水分的蒸发， 是 引起混凝土体积收缩的主要原因之一。这种干缩变形不受约 束条件的影响， 若存在约束， 就会产生收缩应力而出现裂缝【 l1 。 1 大体积混凝土裂缝产生的主要原因分析 2 工程概述 1 1 水化热引起的温度变形 水泥在水化过程中产生大量的热量，是大体积混凝土内 部热量的主要来源。 由 于大体积混凝土截面厚度大， 水化热聚 集在结构内部不易散失， 使混凝土内部的温度升高， 而外表面 混凝土经散热温度降低， 当混凝土内部与表面温差过大时， 就 会产生温度应力和温度变形Il 】 。 1 2 外界气温变化引起 的温度变形 混凝土内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升 和结构散热降温等各种温度的叠加。 外界气温越高， 混凝土的 浇筑温度也越高； 外界温度下降， 尤其是骤降， 会增加混凝土 内表的温度梯度， 产生温差应力_1 _ 。 以上2 种原因产生的温度应力与温差成正比， 温差越大， 温度应力也越大，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应 力时， 便产生温度裂缝。 1 3 混凝土的收缩变形 混凝土的拌合水中， 只有约2 0 的水分是水泥水化所必 收稿 日期： 2 0 1 0 0 6 1 3 作者简介 ： 梁 蜜达， 女 ， 1 9 7 3年 生 ， 福建 厦门人 ， 工程 师， 从事 建筑材 料研究 。地址 ：福 建省厦 门市东渡 路 1 9 9号磊鑫大厦一层 ，电话 ： 1 3 95 9 23 4 8 3 8， E- ma i l ： l i a n g mi d a 1 2 6 c o m。 1 4 新型建筑材料 2 0 1 0 8 厦门某酒店建筑为地上3 9 层， 地下2 层， 主楼基础采用 桩筏基础， 面积约2 8 0 0 m ， 基础底板厚度主楼部分为2 5 m 、 3 0 m ， 电梯井坑周边厚度达 3 7 m、 4 0 m ， 本工程基础底板的 混凝土等级为C 3 5 P 1 0 ， 混凝土总量8 2 0 0 m ， 要求一次性浇筑 完毕， 属大体积混凝土。 对大体积混凝土而言， 控温防裂是关键， 也是技术难点， 为保证该工程底板混凝土的质量，从原材料选型、配合比设 计、 混凝土浇捣、 施工中保温保湿养护等方面进行严格控制。 3 混凝土原材料选用与配合比设计 以降低混凝土内部温升为指导思想，在保证强度的前提 下， 通过掺加粉煤灰、 矿渣粉和减水剂来减少用水量和水泥用 量， 降低水化热， 改善和易性， 进行配合比优化设计。 3 1 原材 料 水泥： 选用龙麟牌P 0 4 2 5 非早强普通硅酸盐水泥， 其物 理力学性能见表1 。 表 1 水泥的物理力学性 能 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 梁蜜达： 配合比优化设计在大体积混凝 土中的应用 粉煤灰： 粉煤灰在拌制混凝土时有3 种效应并产生3 种势 能： 形态效应产生的减水势能、 火山灰活性效应产生的反应势 能、 微集料效应造成的致密性能2 1 ， 故掺入粉煤灰可以降低混 凝土单方用水量和水泥用量， 降低水化热， 改善混凝土拌合物 的和易性， 减少泌水。本工程选用益材 I 级粉煤灰， 细度8 0 ， 需水量比9 2 ， 烧失量 1 0 5 ， 含水率0 1 ， S O 含量 1 5 。 矿渣粉： 磨细矿渣粉， 主要化学成分为S i O 、 A 1 0 ， 、 C a O ， 在激发剂的作用下， 与水化合可生成具有水硬性的胶凝材料， 具有较高的活性和胶凝性。在混凝土中掺入磨细矿粉可以降 低水泥用量， 减少混凝土坍落度损失， 提高混凝土耐久性和后 期强度， 磨细矿粉还是优良的碱骨料抑制剂。 本工程选用海明 牌$ 9 5 矿渣粉， 其性能见表2 。 表 2 矿渣粉的性能 减水剂：选用科之杰生产的P - 4 0 0 缓凝高效减水剂， 具 有高减水、 缓凝、 增强、 保塑的性能， 掺入混凝土中良好的减水 作用能减少混凝土单方用水量和单方水泥用量， 降低水化热， 缓凝作用能延缓混凝土水化放热温峰产生，使水化放热温峰 平缓， 保塑作用提高了混凝土的和易性， 减少混凝土坍落度损 失， 满足混凝土泵送施工要求， 其各项性能见表 3 。 表 3 P 一 4 0 0缓凝高效减水剂的性能 减水率 泌水率 收缩率 含气量 坍落度保 留值 mm 抗压强度比， 比 L U 3 0mi n 6 0mi n 3 d 7 d 2 8 d 】 8 8 4 5 1 O 7 】 5 1 6 0 1 3 0 l 6 8 1 5 0 1 2 8 集料： 集料是混凝土的骨架， 约占混凝土总体积的7 0 ， 能保持混凝土的体积稳定。颗粒级配组合情况良 好的砂、 石， 其空隙率小， 总表面积小， 填充空隙所需要的胶凝材料用量也 小， 能节约水泥， 减少混凝土干缩， 减少湿润集料表面的用水 量，提高混凝土的密实度和强度，使混凝土具有较好的工作 性。而砂、 石的含泥量和泥块含量超标会使混凝土强度、 抗渗 性能及和易性降低， 且增大干缩。细集料选用漳江河砂； 粗集 料选用花岗岩碎石， 5 3 1 5 m m连续级配， 集料的性能分别见 表 4 、 表 5 。 表 4 细集料 的性能 针片状含量 压碎值 指标含泥量泥块含量堆积密度表观密度 ! 壁 ! 竺 3 5 7 2 O 6 o 1 4 2 o 2 6 o o 3 2 配合 比设计 在优选原材料的基础上， 按照J G J 5 5 2 0 0 0 普通混凝土 配合比设计规范 计算出C 3 5 P 1 0 混凝土的2 8 d配制强度为 4 3 2 M P a ， 设计抗渗等级为P 1 2 ， 水胶比为0 4 5 ， 根据抗渗要 求砂率取4 2 ， 减水剂掺量2 2 ， 矿渣粉和粉煤灰等量取代 水泥， 坍落度设计值( 1 6 0 _+ 2 0 ) m m， 对矿渣粉和粉煤灰进行不 同掺量配合比设计试验( 体积法) ， 结果见表6 。 干 砂 浆 石 是干砂浆体积( 水泥、 粉煤灰、 矿渣粉和砂的体 积之和) 与石子体积的比例， 该值越大， 包裹石子的浆体越多， 表 6 C 3 5 P 1 0混凝土试验配合 比及试验结果 对泵送施工越有利， 按照 G B 5 0 1 0 8 -2 0 0 8 地下工程防水技 术规范 和G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 大体积混凝土施工规范 的要 求， 综合考虑水泥用量、 坍落度、 强度和泵送指标， 选定4 号配 合比为该大体积混凝土的配合比。按此配比配制的混凝土和 易性良好， 坍落度 1 7 0 m m， 初凝时间6 2 0 m i n ， 终凝时间7 3 0 m i n ， 适合于大体积混凝土的泵送施工。 4 混凝土内部中心最高温度、 保温层厚度、 内表温差理论计算 在浇筑前根据混凝土配合比， 结合现场气候条件， 对大体 积混凝土浇筑体内部温度进行预测计算，理论计算保温层厚 度， 确定保温保湿养护措施。 ( 1 ) 混凝土绝热升温T h 按式( 1 ) 计算： NE W BUI L DI NG M ATE R I AL S 1 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 梁蜜达： 配合比优化设计在 大体积混凝土中的应用 T h = W Q ( C p ) ( 1 ) 式中： 水泥折算用量， 按表6 中4 号配比为2 6 1 + 5 6 + 5 6 5 = 3 2 8 2 k g m3 ； 水泥水化热， 为3 3 4 k J k g ； C -_一混凝土比热容， 为0 9 6 k J ( k g q C ) ； 混凝土的密度， 为2 3 7 0 k g m 。 经计算可知， 为4 8 2 。 ( 2 ) 混凝土内部的中心最高温度 按式( 2 ) 计算， 为 浇筑3 5 d 后混凝土内部中心点的温升峰值，以后趋于稳定 不再升温， 并且开始逐步降温。 = ( 2 ) 式中： 卜混凝土浇筑入模温度， 取2 0 q C ； 一 混凝土结构厚度温降系数， 4 m厚底板 为0 7 3 5 ， 3 m厚底板 为0 6 8 。 经计算可知， 当底板厚度为4 m时 为5 5 4 ， 当底板 厚度为3 I n 时 为5 2 7 。 ( 3 ) 混凝土浇筑体表面保温层厚度 按式( 3 ) 计算： 式中： 底板厚度， m ； A _ _ 一保温材料( 麻袋) 的导热系数， 取0 1 4 W ( m K ) ； 一 混凝土达到最高温度时( 浇筑后3 5 d ) 的大气平 均温度， 取2 0 ； 广传热系数修正值， 取 1 3 ； A 广混凝土的导热系数， 取2 3 3 W ( m K ) ； 一 混凝土表面温度，当底板厚度为4 m时T b = 3 0 4 ， 当底板厚度为3 m时T b = 2 7 7 。 经计算可知， 当底板厚度为4 m时， 混凝土浇筑体表面保 温层厚度6 为0 0 6 5 m； 当底板厚度为3 m时， 混凝土浇筑体 表面保温层厚度 为0 0 3 6 m。1 层麻袋厚度2 5 c m ， 根据保 温层计算结果确定4 m厚底板覆盖 2 层麻袋， 3 m厚底板覆 盖 1 层麻袋。 ( 4 ) 覆盖麻袋后混凝土内表温差 f 按式( 4 ) 计算： A t = 一 表 ( 4 ) 型 H = h + 2 h ，_ A 卢 = L_ 嗜 式中： 表 混凝土表面温度， ； 6 保温材料( 麻袋) 的厚度， 取0 0 2 5 m ； A _一保温材料( 麻袋) 的导热系数， 取0 1 4 W ( m K ) ； 1 6 新型建筑材料 2 0 1 0 8 一 空气层的传热系数， 取2 3 W ( m 2 K ) ； A 混凝土的导热系数， 取2 3 3 W ( m K ) ； 折减系数， 取0 6 6 6 ； 保温层的传热系数， 当底板厚度为4 m 、 覆盖2 层 麻袋时取2 5 0 w ( m K ) ， 当底板厚度为3 m、 覆盖 1 层麻袋 时取4 5 0 W ( m K ) ； 一混凝土结构的虚厚度， 当底板厚度为4 m、 覆盖2 层麻袋时取0 6 2 1 m ， 当底板厚度为3 m 、 覆盖1 层麻袋时取 0 3 4 5m： 混凝土结构的计算厚度， 当底板厚度为4 r n 、 覆盖 2 层麻袋时取5 2 4 2 I I 1 ， 当底板厚度为3 m 、 覆盖 1 层麻袋时取 3 6 9 0m。 经计算可知， 当底板厚度为4 m 、 覆盖2 层麻袋时， 混凝土 内表温差 f 为2 0 6 ； 当底板厚度为3 m 、 覆盖 1 层麻袋时， 混凝土内 表温差 f 为2 1 6 c c ， 均小于2 5 ， 符合规范要求。 5 施工技术措施 5 1 温控措施 5 1 1 保温措施 通过理论计算， 在井坑周边覆盖2 层麻袋加2 层薄膜， 其 余区域覆盖 1 层麻袋加2 层薄膜。 在实施过程中， 保温层的实 际厚度根据实时温度监测的结果视温差大小而调整，当出现 混凝土内表温差大于2 5 c c 时， 应加盖麻袋或浇热水等其它保 温措施， 以确保保温效果。 5 1 2 温度监测 委托有资质的第三方检测机构对混凝土进行温度监测， 在底板范围内垂直埋设2 0 根测杆， 每根测杆沿底板厚度均匀 设置5 个测点， 同时在混凝土外部设置环境温度、 保温层温度 等辅助测点5 个， 合计 1 0 5 个工作测点， 从混凝土开始浇筑时 起， 每天2 4 小时不问断监测， 每小时提供 1 份温度监测报表， 作为实施控温措施的依据。在混凝土升、 降温过程中， 控制混 凝土内表温差A t e 2 5 ， 当监测数据显示混凝土内表温差接 近 2 5 并有继续上升的趋势时， 及时向施工方提出警报。 5 2浇 筑措施 混凝土浇筑从低处( 电梯井、 集水坑) 开始， 沿长边方向自 一 端向另一端推进， 逐层上升。 浇筑时， 要在下一层混凝土初凝 之前将上一层混凝土浇筑完毕， 避免产生冷缝。浇筑时使用高 频振捣器振捣混凝土， 振捣器的插点间距为 1 5 倍振捣器的作 用半径， 防止漏振， 振捣器应快插慢拔， 在振捣上层混凝土时， 应插入下层混凝土 1 0 e l 左右， 每点振动时间 1 0 1 5 s ， 以混凝 土泛浆不再溢出气泡为准。然后用木抹子反复搓压， 使其表面 密实， 在混凝土初凝之前进行二次振捣和二次抹压处理。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 梁蜜达： 配合比优化设计在大体积混凝土中的应用 5 3 养护措施 混凝土在浇筑完毕二次抹面压实后应立即覆盖保温材料 ( 麻袋和塑料薄膜) ， 养护时间不少于 1 4 d ， 定期检查混凝土表 面的干燥情况， 及时浇水保持混凝土表面处于湿润状态， 避免 发白干裂。 新浇筑的混凝土水化速度比较快， 盖上塑料薄膜后 可进行保温保养， 防止混凝土表面因脱水而产生干缩裂缝， 同 时可避免麻袋因吸水受潮而降低保温性能。 5 4 施工结果 ( 1 ) 该混凝土开盘坍落度为 1 6 0 1 8 0 m m ， 运输至现场坍 落度为1 2 0 1 4 0 m m， 和易性良好， 无泌水离析现象， 在约7 2 h 连续浇筑过程中没有出现堵管及施工冷缝。 ( 2 ) 为期2 1 d的温度监测数据显示： 浇筑后 1 6 h ， 混凝土 内部温度开始呈现上升趋势，在浇筑后 1 0 6 h 混凝土内部温 度达到峰值( 6 3 1 ) ， 在浇筑 3 9 0 h后内部温度稳定、 缓慢降 温。监控过程混凝土内表温差A t e2 5 o C ， 混凝土表面与大气 温差不超过2 0 。图1 为4 m厚底板中心I 点测温曲线。 65 60 55 50 p 4 5 4O 35 30 25 20 图 I 4i n厚底板中心 I 点测温 曲线 ( 3 ) 施工现场共成型 4 2 组抗压强度试件， 标准养护2 8 d 的平均抗压强度为3 8 1 M P a ， 最低强度为3 5 4 M P a ， 标准差 为2 1 M P a ， 按照G B J l 0 7 8 7 混凝土强度检验评定标准 未 知方差统计法评定为合格。共成型 l 6 组抗渗试块， 抗渗等级 全部符合P 1 0 要求。 ( 4 ) 地下室底板经检查外观质量良 好， 没有出现有害裂缝 及渗漏现象。 6 结语 通过优化配合比设计， 在大体积混凝土中掺入粉煤灰、 矿 渣粉、 减水剂来减少用水量和水泥用量， 能有效降低混凝土内 部因水化热引起的温升， 结合在混凝土外部覆盖保温材料， 并 对混凝土的温度进行实时监测， 根据监测数据指导养护工作、 调整保温层的厚度， 能降低混凝土内表温差， 确保混凝土不出 现过大的温度应力， 避免出现有害裂缝。 参考文献 ： 1 赵志缙 ， 赵 帆 高层建 筑基础 工程施工【 M】 2版 北京 ： 中国建筑 工业出版社， 1 9 9 7 ： 3 5 8 3 5 9 2 任铮， 王立久 ， 尹少鹏 高掺量粉煤灰混凝土水 化热及抗裂分 析 J 1 混凝土 ， 2 0 0 2 ( 5 ) ： 1 8 2 0 A 第十三届国际墙体屋面材料生产技术及装备博览会在 宁夏顺利召开 日前， 由中国建材西安墙体材料研究设计院 砖瓦 杂志社、 全国墙材科技信息网、 国家建材工业墙体屋面材料质量 监督检验测试中心、 中国墙体屋面材料发展中心主办， 宁夏回族 自治区墙体材料革新领导小组办公室、 中国硅酸盐学会 烧结制品委员会协办的第十三届国际墙体屋面材料生产技术及装备博览会于2 0 1 0年 7月 2日 5日在银川国际会展中 心J顿利召开。 中国建筑材料集团有限公司总经理、 中国建材研究总院院长姚燕出席大会， 并发表了热情洋溢的讲话， 姚燕总经理 在讲话中说， 国际墙材生产技术与装备博览会已成功举办了 l 2届。 1 0多年来， 在中国建材西安墙体材料研究设计院的精 心组织下， 众多企业积极参加， 取得了良好的效果， 为行业的发展和企业的经营与技术进步作出显著的成绩。她还在讲话 中强调： 墙体材料 工业 是建材行 业的重要组成部分 ， 特 别是 国家墙材 革新与建筑节 能推广工作 开展 以来 ， 全 国行业认真 贯彻 国家节能减排 ， 节土 、 利废 、 保护环境和可持续 发展 战略， 践行科学发展观 ， 取得 了很大 的成绩 。 姚燕指出， 中国建材集团公司是国务院直属大型企业， 肩负着行业规划、 研发、 指导与发展的重要任务。下属的中国 建材研究总院、 西安墙体材料研究设计院等 1 0多家科研设计院和数 1 O家重点企业， 承担着国家建材行业的重大研发、 科技攻关项目、 设计和生产任务， 成为建材行业的领头军。 国际墙体屋面材料生产技术及装备博览会是一个具有 1 0多年历史的墙体屋面材料生产技术及装备展， 在多年的发 展历程中， 墙体屋面材料生产 企业及装备制造企业和展会通过共同的不懈努力， 实现了双赢， 同时也为推动整个行业的 技术进步做出了巨大贡献。 ( 草田) N E W BUI L DI NG MATE RI AL S 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m