C40超大体积混凝土配合比设计优化及工程应用.pdf

江西建材工程技术与应用1852023年7 月C40 超大体积混凝土配合比设计优化及工程应用郭巧玲福州第七建筑工程有限公司，福建 福州 350001摘 要：文中结合某住宅小区地下室底板混凝土施工需求，探究了粉煤灰、矿渣粉单掺及粉煤灰+矿渣粉复掺对超大体积混凝土抗压强度及水化热的影响。结果表明，掺入粉煤灰有助于降低混凝土水化热，但会影响混凝土早期抗压强度，而掺入矿渣粉能够增加混凝土早期抗压强度，但会导致3 d水化热增大，粉煤灰和矿渣粉复掺能够有效解决单掺粉煤灰或矿渣粉所造成的不利影响。采用FA15SP15 作为施工配合比时，地下室底板混凝土内外最大温差及抗压强度满足规范及 C40 混凝土设计要求。关键词：超大体积混泥土；粉煤灰；矿渣粉；抗压强度；水化热中图分类号：TU528 文献标识码：B 文章编号：1006-2890（2023）07-0185-04Optimization of C40 Ultra Large Volume Concrete Mix Design and Engineering ApplicationGuo QiaolingFuzhou 7th Construction Engineering Co.Ltd.,Fuzhou,Fujian 350001Abstract:Combined with the concrete construction requirements of basement floor of a residential district,the effects of fly ash,slag powder and fly ash+slag powder on compressive strength and heat of hydration of super large concrete are studied.The results show that the addition of fly ash can help reduce the heat of hydration of concrete,but will affect the early compressive strength of concrete,while the addition of slag powder can increase the early compressive strength of concrete,but will lead to the increase of 3d hydration heat.The combination of fly ash and slag powder can effectively solve the adverse effects caused by the single addition of fly ash or slag powder.When FA15SP15 is used as the construction mix ratio,the maximum temperature difference and compressive strength of concrete inside and outside the basement floor meet the specifications and the design requirements of C40 concrete.Key words:Ultra Large Volume Concrete;Fly ash;Slag powder;Compressive strength;Heat of hydration0 引言随着我国基建设施快速发展，大体积混凝土工程日益增加。在胶凝材料水化放热作用下，大体积混凝土内外温差容易过大，产生温度裂缝，进而影响结构的安全性和耐久性1-2。因此，如何避免混凝土温度裂缝的形成对大体积混凝土施工具有重要意义。周勇军等3研究结果认为，采用磷渣取代部分水泥有助于降低大体积混凝土水化放热总量，且能够延缓混凝土水化温峰出现时间；潘利等4探究了低热水泥对桥梁大体积混凝土承台性能的影响，结果表明，在不影响后期抗压强度情况下，绝热水泥可降低大体积混凝土承台的绝热温升，改善结构抗裂性；阎培渝等5通过改变胶凝材料成分及其掺量，对大体积混凝土配合比进行优化，探究矿物掺合料对大体积混凝土温升速率的影响，结果表明，大掺量粉煤灰能够显著降低大体积混凝土的温升速率，提高结构抗裂性能；盖珂瑜等6探究了石灰石粉掺量对大体积混凝土绝热温升和力学性能的影响，结果表明，掺入5%石灰石粉能够降低大体积混凝土绝热温升，且不影响混凝土抗压强度；郑宝全7以大体积混凝土承台为背景，探究了粉煤灰、矿粉对混凝土水化热的影响，结果表明，粉煤灰或矿粉的掺入均能够降低混凝土的水化热；郭文博等8在保证设计强度的基础上，通过优化混凝土配合比、布设冷凝管等措施来控制大体积混凝土绝热温升，以避免大体积筏板基础出现温度裂缝，影响结构的抗渗性能。按上述思路，本文结合某住宅小区地下室底板大体积混凝土施工需求，对不同品牌水泥进行水化热试验，确定最佳水泥品种，同时对大体积混凝土配合比进行优化设计，探究粉煤灰、矿渣粉单掺及粉煤灰+矿渣粉复掺对超大体积混凝土抗压强度及水化热的影响。1 试验概况1.1 原材料1.1.1 水泥超大体积混凝土宜采用低水化热水泥以降低混凝土内外温差。初选 A、B、C、D四种不同品牌的 P O 42.5 硅酸盐水泥进行水化热试验，并根据水化热试验结果，选择水化热最低的水泥用于后续配比试验。四种水泥的物理力学性能指标如表1所示。作者简介：郭巧玲（1976-），女，福建福州人，本科，工程师，主要研究方向为房建施工技术管理。江西建材工程技术与应用1862023年7 月表1 水泥物理力学性能指标水泥品牌密度/（kgm-3）比表面积/（m2kg-1）凝结时间/min 抗压强度/MPa抗折强度/MPa初凝终凝7 d28 d7 d28 dA3 09035217126032.748.35.58.7B3 05034916927033.547.05.48.7C3 12035317827232.445.45.28.3D3 17035117626932.043.95.08.01.1.2 矿物掺合料矿物掺合料采用 F类级粉煤灰和 S95 级矿渣粉，物理性能指标和主要化学成分如表2 所示。表2 粉煤灰、矿渣粉物理性能指标和主要化学成分材料密度/（kgm-3）比表面积/（m2kg-1）烧失量/%含水量/%主要化学成分/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgO粉煤灰2 2804204.00.251.15 29.266.483.430.65矿渣粉2 8504450.150.232.94 14.711.4233.63 8.741.1.3 骨料骨料采用粒径为531.5 mm的连续级配碎石和粒径为0.350.5 mm的中砂，碎石和砂的技术指标分别如表3 所示。表3 碎石、砂技术指标531.5 mm 连续级配碎石0.350.5 mm 中砂密度/（kgm-3）空隙率/%碱活性/%密度/（kgm-3）含泥量/%碱活性/%2 64044.00.062 6501.00.031.1.4 外加剂外加剂采用 HPCA-300 减水剂和 SY-T膨胀剂，其中，HPCA-300 减水剂的减水率25%。1.2 配合比根据 GB 504962018大体积混凝土施工规范相关要求进行大体积混凝配合比设计，同时考虑了单掺粉煤灰、矿渣粉及复掺粉煤灰+矿渣粉对超大体积混凝土坍落度、抗压强度及水化热的影响，设计所得的配合比如表4 所示。表4 大体积混凝土配合比kg/m3组别水泥 粉煤灰 矿渣粉 中砂碎石 减水剂 膨胀剂水基准组450007201 1004.530180FA104054507201 1004.530180FA203609007201 1004.530180FA3031513507201 1004.530180SP104050457201 1004.530180SP203600907201 1004.530180SP3031501357201 1004.530180FA10SP2031545907201 1004.530180FA15SP1531567.567.57201 1004.530180FA20SP1031590457201 1004.5301801.3 试验方法大体积混凝土流动度根据 GB/T 500802016普通混凝土拌合物性能试验方法，采用坍落度筒进行测试。水化热参照GB/T 129592008水泥水化热测定方法，采用 TAM Air水化微量热仪测定混凝土标准养护3 d和7 d后的水化热。力学性能根据 GB/T 500812019混凝土物理力学性能试验方法标准，采用尺寸为150 mm的立方体试件，测定标准养护3、7 和28 d后的抗压强度值。2 试验结果与分析2.1 不同品牌水泥水化热分析研究结果表明，硅酸盐水泥的水化放热主要集中在前3 d，7 d后，水化热曲线趋于平缓9，因此，在水泥水化热试验中，仅采集了前7 d的试验数据。A、B、C和 D四种不同品牌水泥进行水化热试验结果如表5 所示。由表5 可知，A、B、C和D四种水泥的水化热增长速率均随着水化龄期的增加而逐渐减小，但在四种水泥中，C品牌水泥的水化热最大，B和 D品牌水泥次之，A品牌水泥水化热最小（3、7 d的水化热分别为278.2、300.3 kJ/kg），四种品牌具体水化热大小排序为：C品牌B品牌 D品牌 A品牌。因此，在后续配比试验中均采用 A品牌 P O 42.5 硅酸盐水泥水泥，即表4 中的水泥均为 A品牌水泥。表5 水泥水化放热量kJ/kg水泥品牌水化热1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 dA244.5268.9278.2287.1291.8296.9300.3B250.4279.2290.1300.9304.0307.4312.3C254.3280.5295.0304.7311.1316.9322.0D248.0278.1283.2296.9300.3304.8310.72.2 单掺粉煤灰对超大体积混凝土性能的影响单掺粉煤灰对超大体积混凝土坍落度、水化热及抗压强度的影响如表6 所示。由表6 可知，超大体积混凝土坍落度随着粉煤灰掺量的增加而逐渐增大，且相比于基准组，掺入30%粉煤灰后，坍落度增大了39 mm。产生这一现象主要与粉煤灰的“形态效应”有关，粉煤灰主要呈玻璃微珠状，且颗粒表面平整光滑，在体系中能够起到“润滑作用”，从而改善混凝土的流动性10。水化热试验结果表明，增加粉煤灰掺量有助于降低超大体积混凝土水化热，相较于基准组，掺入30%粉煤灰后，3、7 d的水化热分别降低了12.4%、10.0%。但粉煤灰掺量的增加会降低超大体积混凝土3、7 d时的抗压强度，而对28 d时的抗压强度影响并不显著，相较于基准组，掺入30%粉煤灰后，3 d时的抗压强度下降了6.5 MPa，这主要与粉煤灰活性及有关，在水化初期，由于粉煤灰活性较低，混凝土抗压强度主要来源于水泥水化生成的C-S-H凝胶，而增大粉煤灰掺量会导致水泥水化生成的 C-S-H凝胶含量降低，导致抗压强度下降，但随着养护龄期的增长，在粉煤灰二次水化反应及“微集料效应”作用下，增大了混凝土体系内部结构的密实度，弥补了透水混凝土早期抗压强度损失11。表6 粉煤灰对超大体积混凝土性能的影响组别坍落度/mm水化热/（kJkg-1）抗压强度/MPa3 d7 d3 d7 d28 d基准组209280.8317.022.935.645.2FA10219272.6306.120.833.143.8FA20232258.4291.818.332.543.5FA30248245.9285.216.431.743.92.3 单掺矿渣粉对大体积混凝土性能的影响单掺矿渣粉对超大体积混凝土坍落度、水化热及抗压强江西建材工程技术与应用1872023年7 月度的影响如表7 所示。由表7 可知，随着矿渣粉掺量的增加，超大体积混凝土坍落度和7 d时的水化热略有下降，但3 d时的水化热和抗压强度却有所增大，而7 d和28 d时的抗压强度基本不受矿渣粉掺量的影响。相较于基准组，掺入30%矿渣粉后，超大体积混凝土坍落度和7 d水化热分别降低了14 mm和9.1 kJ/kg，3 d水化热和抗压强度分别增大了11.3 kJ/kg和2.9 MPa。矿渣粉之所以增大了3 d时的水化热和抗压强度，主要是因为矿渣粉中含有较多潜在活性的氧化钙，能够促进早期水化反应的进行，从而提高混凝土的早期水化热和抗压强度12。表7 矿渣粉对大体积混凝土性能的影响组别坍落度/mm水化热/（kJkg-1）抗压强度/MPa3 d7 d3 d7 d28 d基准组209280.8317.022.935.645.2SP10204284.5314.824.134.945.5SP20201289.0310.625.035.044.8SP30195292.1307.925.834.744.32.4 复掺粉煤灰+矿渣粉对大体积混凝土性能的影响矿物掺合料总掺量固定时，复掺粉煤灰+矿渣粉对超大体积混凝土坍落度、水化热及抗压强度的影响如表8 所示。由表8可知，相比单掺矿渣粉，复掺粉煤灰+矿渣粉的超大体积混凝土在3、7 d时的水化热均有下降，且复掺粉煤灰+矿渣粉能够在一定程度上弥补单掺粉煤灰所造成的早期抗压强度损失。以FA15SP15 组为例，相比于 SP30 组，超大体积混凝土3、7 d的水化热分别降低了8.8%、4.9%，而相比于 FA30 组，超大体积混凝土3d抗压强度增大了40.2%。表8 粉煤灰、矿渣粉复掺对大体积混凝土性能的影响组别坍落度/mm水化热/（kJkg-1）抗压强度/MPa3 d7 d3 d7 d28 dSP30195292.1307.925.834.744.3FA10SP20212278.3298.324.534.344.0FA15SP15219266.4292.823.035.445.5FA20SP10224260.5287.421.334.043.6FA30248245.9285.216.431.743.93 工程应用3.1 工程概况某住宅小区由4 幢30 层住宅楼、5 幢29 层住宅楼、1 幢28层住宅楼及1幢1层门卫组成，总建筑面积174 770.85 m2，地下建筑面积34 903.64 m2。主体结构均采用剪力墙结构，基础采用直径1 200 mm灌注桩，地下室底板采用 C40 混凝土进行浇筑，最大厚度为2 500 mm，属于超大体积混凝土。3.2 配合比选择与温度测控结合项目施工现场气候条件及超大体积混凝土底板混 凝 土 强 度 设 计 要 求，最 终 选 用 FA15SP15 作 为 该 项 目地下室底板混凝土配合比。浇筑前，在地下室底板内布设482.5 mm2000 mm的冷凝管，冷凝管接头与外部水泵连接，流量控制在8 m3/h，进、出口水温温差控制在20 以内。同时，在地下室底板中部设置测温点，如图1 所示，每个测温点竖向设有4个温度传感器，具体位置分别为底板表面（传感器a）、底板表面向下100 mm（传感器 b）、底板中心处（传感器 c）和底板底面向上100 mm（传感器 d）。图1 某测温点温度变化曲线3.3 结果分析不同龄期下，地下室底板中部某测温点温度测量结果如图1 所示。由图1 可知，地下室底板中心处温度在混凝土浇筑3d后达到峰值，峰值温度为55.9，而传感器a和传感器c的最大温差发生在混凝土浇筑后5 d时，且最大温差为23.4 B品牌 D品牌 A品牌，A品牌水泥3、7 d的水化热分别为278.2、300.3 kJ/kg。（2）掺入粉煤灰有助于改善超大体积混凝土坍落度、降低混凝土水化热，但会导致混凝土早期抗压强度下降。相比于基准组，掺入30%粉煤灰后，超大体积混凝土坍落度增大18.7%，3、7 d的水化热分别降低12.4%、10.0%，3 d抗压强度降低28.4%。（3）复掺粉煤灰+矿渣粉能够在一定程度上能弥补单掺粉煤灰所造成的早期抗压强度损失。矿物掺合料总量相同时，复掺15%粉煤灰+15%矿渣粉比单掺30%粉煤灰的3 d抗压强度大40.2%（4）采用 FA15SP15 作为施工配合比时，地下室底板中心处温度在混凝土浇筑3 d后达到峰值，峰值温度为55.9 ；混凝土内外最大温差为23.4 25，满足规范要求；相同养护条件下，留置试件28d时的抗压强度为43.9 MPa，满足C40混凝土设计要求。参考文献 1 刘拼，徐智丹，张登科，等.大体积混凝土板式结构裂缝控制应用技术研究J.新型建筑材料，2022，49（9）：35-39，43.2 杨登奎.房屋建筑工程中大体积混凝土裂缝控制技术J.江苏建材，2022（4）：82-84.3 周勇军，万团，杨凤成，等.不同掺量磷渣对 C40 大体积混凝土性能的影响J.武汉理工大学学报，2023，45（5）：44-49.4 潘利，徐文，王育江.低热水泥在承台大体积混凝土中应用试验研究J.江苏建筑，2022（3）：128-131.5 阎培渝，胡瑾，周予启.大体积底板混凝土施工技术路线选择 J.施工技术，2013，42（24）：32-34.6 盖珂瑜，龙勇，刘爱林，等.石灰石粉对主塔大体积混凝土性能（下转第191页）江西建材工程技术与应用1912023年7 月计作用次数为4.23108，无机结合料层的当量设计轴载累计作用次数为2.01109，路基顶面竖向压应变的当量设计轴载累计作用次数为3.241010，均大于瑞寻高速当前的设计轴载累计作用次数。其中，沥青层和无机层指标分别达到80%和81%，而无机结合料层达到70%。可知瑞寻高速计算服役年龄以达到12 年，大于实际服役年龄10 年。结果表明，瑞寻高速比预计更早到达服役年限，须更加注重平日养护，必要时进行大修维护。3 结语（1）瑞寻高速的车型组成不同于 JTG D502017公路沥青路面设计规范中任一值，以小型货车（3类车）和半挂货车（9、10 类车）为主，且瑞寻高速的货车满载率相较于规范值都普遍偏高。（2）瑞寻高速两个方向上的 AADT开始差异很小，但随着时间的推移，到2017 年，出口车辆就明显大于入口车辆。（3）双联轴的轴型超载现象较为突出，而且总体呈双峰分布，轴重分布大多在75125、200300 kN。（4）瑞寻高速计算服役年龄以达到12 年，大于实际服役年龄10 年。结果表明，瑞寻高速比预计更早到达服役年限，须更加注重平日养护，必要时进行大修维护。参考文献 1 Johanneck,Luke Anton,A comprehensive evaluation of the effects of climate in mepdg predictions and of mepdg eicm model using mnroad dataD.Minnesota:University of Minnesota,2011.2 Abubeker W.Ahmed，Sigurdur Erlingsson，Characterisation of heavy traffic axle load spectra for mechanistic-empirical pavement design applicationsJ.International Journal of Pavement Engineering，2015，16（6）：488-501.3 ZHAO Y Q，TAN Y Q，ZHOU C H.Determination of axle load spectra based on percentage of overloaded trucks for mechanistic-empirical pavement designJ.Road materials and pavement design，2012，13（4）：850-863.4 孙小男，赵晓川，高栋，等.基于动态称重的山东省高速公路典型轴载谱分析J.山东交通科技，2016（3）：109-112.5 ZHANG H B，YANG S X，NI F J.Freeway Traffic Incident Delay Analysis Based on Toll 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