粉煤灰和礦粉在大體積混凝土中的應用

劉桂強，胡帥

（臨沂天元混凝土有限公司，山東 臨沂 276000）

1 引言

我國在GB50496-2009中對大體積混凝土有相關要求“混凝土結構物實體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產生的混凝土”。今年來，在高層結構、大規模的基礎設施建設中常常采用大體積混凝土施工，大體積混凝土早期溫度開裂屢見不鮮，已經成為困擾混凝土工程施工界的焦點問題，溫度裂縫降低混凝土結構的承載能力，將會引起一系列的安全隱患。同時裂縫的出現為水和其他有害侵蝕性介質向混凝土內部擴散提供了通道，侵蝕性介質的侵入加劇了混凝土結構中鋼筋的銹蝕，劣化了工程的耐久性[1]。溫度差是引起大體積混凝土產生裂縫的主要原因之一。每克水泥水化過程中釋放的熱量為500J左右，而混凝土導熱性能較差，大體積混凝土因熱量積聚絕熱升溫可達到70℃或更高。當內外溫差產生的約束力超過混凝土抗拉強度時，將導致裂縫的出現。為了保證大體積混凝土結構具有可靠的服務性能和耐久性能，必須在施工過程中將大體積混凝土早期溫度開裂的潛在危險性降至最低[2]。針對以上大體積混凝土的特點，合理的配合比設計是溫控措施中非常重要的環節，充分發揮粉煤灰和礦粉雙摻技術的作用，提出大體積混凝土配合比設計思路，并結合其在大體積混凝土基礎筏板中的應用進行闡述。

2 工程概況

臨沂市商業銀行營業服務大樓工程，位于臨沂市南坊新區沂蒙路與三和街交匯處。工程建設單位為臨沂市商業銀行；工程設計單位為山東省臨沂市建筑設計研究院；工程監理單位為臨沂市建設工程監理公司；施工單位為山東天元第六建筑有限公司。本工程總建筑面積為92490m2，基礎采用C40P8的抗滲混凝土，筏板長41.2m,深度最深處達到4.6m，平均深度3.5m。

3 原材料選擇與控制

3.1 粗集料

選用石灰巖碎石，粒徑5～31.5mm，壓碎值指標8.9%，密度2700kg/m3，針片狀顆粒含量7.59%，含泥量0.2%，級配良好。

3.2 細集料

選用沂河中砂，密度2660kg/m3，堆積密度1590kg/m3，細度模數2.8，含泥量0.4%。

3.3 水泥

水泥在水化過程中產生大量熱量，聚集在結構內部不容易散發，使混凝土內部溫度升高，因此在施工中選擇水化熱較低的水泥以及盡量減小單位水泥用量，本工程結合實際情況及地方材料采用臨沂產P·O42.5沂州水泥。技術指標見表1。

3.4 粉煤灰

選用鄒縣產優質Ⅰ級粉煤灰，密度2.41kg/m3，需水量比94%，45μm方孔篩篩余5.9%，燒失量2.32%，三氧化硫含量1.5%，安定性合格。

表1 水泥的技術指標

3.5 礦粉

摻加礦粉可以降低混凝土早期水化熱，改善混凝土的微觀結構，提高抗滲性。本工程選用山東魯碧建材有限公司生產的S95礦粉，其性能如下：7d活性指數72%，28d活性指數98%；流動度比101%。

3.6 外加劑

選用山東省建設科學研究院科技開發中心研發的NC-P5緩凝型防水劑，減水率18%，凈漿安定性合格。性能指標見表2。

表2 外加劑質量性能指標

4 配合比的設計原則

在配合比設計過程中遵循以下原則：

（1）根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55-2011）、《混凝土泵送施工技術規程》（JGJ/T10-2010）、《粒化高爐礦渣在混凝土中的應用技術規范》（DG/TJ08-501-2008）進行配合比設計和試配。

（2） 采取有效措施降低混凝土的水膠比，最大不宜超過0.5，是大體積混凝土獲得良好品質的前提。

（3）在膠凝材料總量不變的情況下，盡可能多的使用混合材料取代水泥，以降低水化熱峰值。

（4）充分利用外加劑改性功能和活性材料的品質效應改善混凝土的內部結構，提高混凝土的工作性，力學性能和耐久性[4]。

5 配合比試驗、確定

5.1 正交試驗設計方案及試驗結果

試驗中以粉煤灰的摻量、礦粉的摻量、砂率為四水平因素，單位用水量、水膠比為二水平因素。要考慮到粉煤灰、礦粉摻量間的交互作用。采用L16(44×23)正交表。方案安排如表3所示。混凝土正交試驗配合比見表4。

表3 正交試驗因素和水平

5.2 試驗結果極差分析

極差分析是對正交試驗的一種直觀分析方法。對新拌混凝土坍落度、硬化混凝土60d抗壓強度、混凝土最高溫升值的極差分析結果分別見表5、表6和表7、表8。

表4 混凝土正交試驗配合比 kg/m3

通過極差分析可以知道，各因素對新拌混凝土坍落度的影響大小依次為： E＞D＞C＞B＞(A×B) ＞A。由于誤差項的極差R′值為3.76大于A項和A×B項，故可不考慮此兩項的影響。所以最優組合為E2D2C3B4。可以看出水膠比為影響新拌混凝土坍落度的最顯著因素，其次為單位用水量、砂率和礦粉的摻量，粉煤灰的摻量對坍落度的影響較小。

各因素對硬化混凝土60d強度的影響大小依次為：E＞B＞C＞D＞A＞(A×B)。最優組合為E1B3C3D1A2。可以看出水膠比為影響60d抗壓強度的最顯著因素，其次為礦粉的摻量、砂率、單位用水量和粉煤灰的摻量。

各因素對混凝土最高溫升值的影響大小依次為：E＞B＞A＞C＞D＞(A×B)。最優組合為E2B4A4C1D1.可以看出水膠比為影響混凝土最高溫升值的顯著因素，其次為礦粉的摻量，粉煤灰的摻量、砂率和單位用水量。

在混凝土的施工過程中，混凝土的坍落度能夠滿足施工技術要求即可，不應過大。因此，綜合考慮這五個因素對混凝土的坍落度、60d強度和混凝土的最高溫升值的影響，用綜合平衡法選出最優組合為A4B4C3D1E2，即粉煤灰的摻量為20%，礦粉的摻量為20%，砂率為0.45，水膠比為0.45時，混凝土的的綜合性能最優。

5.2 配合比的確定

在絕熱箱內溫度變化穩定時，主要是測量絕熱箱體內混凝土試件的溫升和周圍空氣的溫升。

表5 混凝土正交試驗結果

表6 新拌混凝土坍落度的極差分析

表7 硬化混凝土60d抗壓強度的極差分析

表8 混凝土最高溫升值的極差分析

其中混凝土的比熱查閱相關資料獲得，試驗可能存在一定的誤差。

依據正交試驗得出的最優組合確定混凝土的配合比，再次試驗后根據其工作性能對配合比進行微調，得出配合比如表9所示。

表9 施工配合比 kg/m3

5.3 配合比的工作性能

這一配合比在實驗時的工作性能如表10所示。

表10 混凝土的工作性能

經過反復驗證，最終確定此配合比為臨沂市商業銀行營業服務大樓基礎底板的混凝土配合比。

6 實際溫度測試結果

在混凝土的澆筑完成以后，及時對混凝土進行保水保溫處理，防止混凝土表面降溫加快。

6.1 養護材料及測溫設備

見表11、表12。

表11 保溫降溫養護材料

6.2 測溫點布置

豎直方向：在混凝土的底部、中部和表面分別設置測溫點；水平方向：分別在邊緣1m(測區1)和中間部位（測區2）布置，一個測區測溫點設置如下圖（剖面圖）所示[5,6]。

表12 測溫設備

6.3 測溫工具

采用JDC-2型便攜式建筑電子測溫儀精確測量，在混凝土中預埋不同深度的測溫線，要求測溫線在混凝土中用定位鋼筋固定在不同高度位置（測溫線用扎絲綁扎固定，定位鋼筋綁扎固定），測溫線的測溫片（傳感器）在混凝土中不得與鋼筋接觸（測溫片位置鋼筋用膠布包裹），將引出線收成一束，并編號（上1#、4#，中2#、5#，下3#、6#），帶測溫探頭的一端外露混凝土不小于200mm，在混凝土澆注施工時采用膠布包裹保護。

6.4 溫度測量

在混凝土澆筑完成5h后開始進行連續測量，每4h測量1次，持續5d，將測量結果繪制曲線，如圖2所示。

在混凝土澆筑時，測得混凝土的入模溫度為21.3℃。從圖2中可以看出混凝土的最高溫度出現在第2d，測溫點1為65.85℃，最高溫升為44.55℃。混凝土的最大降溫速率出現在第3d，為4.8℃/d，經過及時養護后，在4～5d中混凝土的降溫速率變為2.8左右。混凝土的最大溫差為10.8℃。

在混凝土澆筑時測得混凝土的入模溫度為20.6℃。從圖3中可以發現：混凝土的最高溫度出現在第2d，測溫點2為70℃，最高溫升值為49.5℃；混凝土的最大降溫速率出現在第4d，為2.4℃/d，經過及時養護后，在4～5d里混凝土的降溫速率小于2.0℃/d；混凝土內外部最大溫差為22.5℃。

6.5 溫度控制

（1）澆筑后主要控制混凝土本身內外溫度差在25℃以內；

（2）加強養護過程中的測溫工作，如發現溫差過大，及時調整保溫措施、減小混凝土的內外溫差，并加強表面覆蓋層的檢查，確保嚴密保溫，混凝土表面溫度驟降不得超過10℃。

（3）為防止混凝土內外溫差過大，產生溫度裂縫，應及時對混凝土進行溫度監測控制，及時根據測溫情況采取有效的保溫養護措施。

7 實踐結果

由于設計合理、措施得當，整個澆筑過程未采用任何特殊施工工藝，經過正常養護，在混凝土的齡期到達時，混凝土未出現裂縫、滲漏和其他問題，60d標養強度平均值48.6MPa，抗滲等級達到P8以上，基礎筏板施工取得了良好的效果。

8 結論

（1）本工程混凝土配合比中使用粉煤灰72kg和礦粉72kg，取代水泥144kg。不僅降低了成本，也充分發揮粉煤灰和礦粉在混凝土早期水化過程中的延緩作用，可有效降低水化熱。

（2）控制水泥用量，延長混凝土齡期、選用緩凝型外加劑等方法對大體積混凝土裂縫控制有一定作用。

（3）大體積混凝土配合比設計，應從控制溫度差的角度出發，防止產生溫度裂縫。

[1]曹蔚卿.淺述大體積混凝土裂縫控制[J].山西建筑,2007,33(1):172-173

[2]李德華.大體積混凝土裂縫的產生及防治[J].安徽建筑,2003,(5)

[3]黃允寶,劉建忠,毛永琳.大體積混凝土的配合比設計及工程應用[J].江蘇建筑,2006,(2):47-49

[4]曹劍,張金運.大摻量礦渣微粉與粉煤灰在大體積混凝土中的應用[J].山東建材,2005,(1):57-59

[5]張洪濤.大體積混凝土施工及測溫技術[J].煤炭技術,2005,24(5)

[6]李運闖,畢一航,孫玉維.筏板大體積混凝土測溫技術[J].建筑技術,2006,37(1):37-38