C70大體積自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

□文/劉 芳 周雪明

隨著建筑技術(shù)水平的提高，建筑物向高層、大跨度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的方向發(fā)展。研制具有良好工作性和耐久性的高強(qiáng)高性能的混凝土具有重要的意義。

高強(qiáng)混凝土在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下，可顯著減少結(jié)構(gòu)截面尺寸，減輕結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)具有良好的耐久性，可減少修補(bǔ)和拆除建筑物結(jié)構(gòu)的能源和資源消耗，從而實(shí)現(xiàn)混凝土的可持續(xù)發(fā)展[1]。但綜合來(lái)看，以往對(duì)高強(qiáng)高性能混凝土的應(yīng)用主要集中在鋼管內(nèi)芯混凝土方面，對(duì)大體積高性能混凝土研究較少。高強(qiáng)度免振搗高性能混凝土關(guān)鍵是通過(guò)配合比設(shè)計(jì)，在低水膠比時(shí)使混凝土具有高工作性和高穩(wěn)定性。而如果將其應(yīng)用在大體積結(jié)構(gòu)中，不得不考慮高水泥用量帶來(lái)的高水化熱，導(dǎo)致大體積混凝土的開(kāi)裂。

本文選用C70高強(qiáng)混凝土的水灰比，最大限度的以礦物摻合料替代水泥，結(jié)合自密實(shí)混凝土配合比計(jì)算方法，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，最后經(jīng)過(guò)實(shí)際溫升值驗(yàn)算，得到符合要求的C70大體積自密實(shí)混凝土配合比。

1 配合比設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

由于C70大體積自密實(shí)混凝土要同時(shí)兼顧高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)中對(duì)強(qiáng)度的要求、自密實(shí)混凝土設(shè)計(jì)中對(duì)工作性的要求和大體積混凝土施工對(duì)溫度的要求，故采取如下設(shè)計(jì)思路。

1）確定水灰比。高強(qiáng)混凝土水灰比的計(jì)算不能采用普通混凝土的強(qiáng)度計(jì)算公式，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出混凝土強(qiáng)度和水灰比的關(guān)系式，然后用作圖法求出設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C70的混凝土對(duì)應(yīng)的水灰比作為基準(zhǔn)水灰比[2]。

2）配合比的確定。通過(guò)自密實(shí)混凝土配合比的計(jì)算方法，結(jié)合基準(zhǔn)水灰比以及礦物摻合料的取代率確定出初始配合比。

3）在基準(zhǔn)配合比基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)水膠比、硅灰取代率、砂率、外加劑用量進(jìn)行四因素三水平的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，得到最優(yōu)配合比[3]。

4）大體積驗(yàn)算。通過(guò)對(duì)最優(yōu)配合比最高絕熱溫升、實(shí)際最高中心溫度進(jìn)行計(jì)算，確定設(shè)計(jì)配合比是否滿足大體積施工對(duì)溫度的要求。

1.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

通過(guò)一系列試配試驗(yàn)，最終得到能同時(shí)滿足一級(jí)自密實(shí)混凝土性能和大體積混凝土溫升要求且強(qiáng)度達(dá)到C70高強(qiáng)混凝土等級(jí)要求的混凝土配合比。

1）一級(jí)自密實(shí)混凝土性能要求。擴(kuò)展度650～750mm，V型漏斗 10～25 s；T50為 5～20 s。

2）高強(qiáng)混凝土性能要求。配制強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的112%以上。

3）大體積施工對(duì)溫度的要求。GB 50496—2009《大體積混凝土施工規(guī)范》對(duì)C20～C40大體積混凝土實(shí)際溫升要求混凝土澆注體在入模溫度基礎(chǔ)上的絕熱溫升值不宜＞50℃。但對(duì)于C70高強(qiáng)大體積混凝土沒(méi)有規(guī)定，考慮到有研究指出在80℃以內(nèi)時(shí)，鈣礬石可以穩(wěn)定存在[4]，因此C70高強(qiáng)大體積混凝土施工后混凝土溫度不宜＞80℃。

在滿足上述要求下，配制混凝土還應(yīng)滿足7 d水中限制膨脹率≮0.025%的要求。

2 原材料

1）水泥。采用P.O42.5級(jí)水泥，密度3 100 kg/m3，3 d累積水化熱Q3=238 kJ/kg，7 d累積水化熱Q7=281 kJ/kg，其他物理性能見(jiàn)表1。

表1 P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥物理性能

2）礦粉。S95級(jí)，比表面積430 m2/kg，7 d活性指數(shù)81%，28 d活性指數(shù) 103%，密度 2 880 kg/m3。

3）粉煤灰。Ⅱ級(jí)，負(fù)壓篩析儀細(xì)度為18.1%，需水量比為 101%，燒失量 1.5%，密度 2 200 kg/m3。

4）硅灰。緊密堆積密度 350 kg/m3，Si O2含量＞85%。

5）細(xì)骨料。Ⅱ級(jí)中砂，細(xì)度模數(shù)2.7，含泥量1.5%，表觀密度 2 680 kg/m3。

6）粗骨料。5.0～16.0mm的連續(xù)級(jí)配，壓碎值指標(biāo)4.2%，表觀密度2 820 kg/m3。

7）外加劑。聚羧酸高性能減水劑，減水率27.2%，推薦摻量1.0%。

8）膨脹劑。UEA膨脹劑，密度 2 700 kg/m3。限制膨脹率：水中7 d達(dá)到0.026%，空氣中21 d達(dá)到-0.003%[5]。

3 配合比確定

3.1 初始配合比設(shè)計(jì)

1）水灰比（W/C）的確定。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出混凝土強(qiáng)度和水灰比的關(guān)系式，然后用作圖法求出設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C70的混凝土對(duì)應(yīng)的水灰比作為基準(zhǔn)水灰比。通過(guò)計(jì)算得到該基準(zhǔn)水灰比為0.27。

2）粗骨料用量（Mg）的確定。依據(jù)CECS 203:2006《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，混凝土自密實(shí)等級(jí)為一級(jí)時(shí)對(duì)單位體積粗骨料絕對(duì)體積的要求，單位體積混凝土中粗骨料的絕對(duì)體積選為Vg=0.29，則單位體積粗骨料體積用量為290 L，質(zhì)量為817.8 kg，取Mg=820 kg。

3）單位體積用水量（Vw）、水粉比（Vw/Vp）和粉體體積用量（Vp）的確定。考慮到強(qiáng)度的要求和礦物摻合料的摻入，單位體積用水量選為160L，即Mw=160 kg，水粉比選為 0.80。所以 Vp=Vw/（Vw/Vp）=160/0.8=200（L）。

4）含氣量（Va）的確定。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及所用礦物摻合料和所使用的外加劑性能，設(shè)定自密實(shí)混凝土的含氣量為2.5%，即單位體積含氣25 L。

5）單位體積細(xì)骨料用量（Vs）的確定。因?yàn)榧?xì)骨料中含有1.5%的粉體，所以根據(jù)Vg+Vp+Vw+Va+（1－1.5%）Vs=1 000 L，計(jì)算得到Vs=331.0 L，質(zhì)量為 883.7 kg。

6）單位體積膠凝材料體積用量（Vce）的確定。配合比設(shè)計(jì)中未摻入惰性摻合料，所以單位體積膠凝材料體積用量 Vce=Vp-1.5%Vs=195.0（L）。

7）水泥用量（Mc）、礦粉用量（MSA）、粉煤灰用量（MFA）、硅灰用量（MSF）和膨脹劑用量（MUEA）的確定。首先根據(jù)基準(zhǔn)水灰比和用水量確定理論水泥用量Mco=Mw/(W/C)=592.6 kg。選取礦粉、粉煤灰和硅灰取代率為18%、7%和6%，粉煤灰超量取代系數(shù)1.4，UEA膨脹劑采用內(nèi)摻法，摻量為理論水泥用量的6%。由此得水泥用量357.0kg，取Mc=360 kg，礦粉用量 106.7 kg，取MSA=110 kg，粉煤灰用量 58.1 kg，取 MFA=60 kg，硅灰用量 35.6 kg，取 MSF=35 kg，膨脹劑取MUEA=35 kg。

8）最終砂用量（Ms）的確定。由于礦物摻合料的取代，使實(shí)際單位體積膠凝材料的體積超過(guò)計(jì)算單位體積膠凝材料的體積，為保持體積不變，多余體積應(yīng)取代砂用量，所以得最終砂用量836.2 kg，取Ms=835 kg。

9）外加劑用量（MWJ）的確定。外加劑用量MWJ0=Mco×1.0%=5.93 kg，由于摻加硅灰對(duì)外加劑有一定的吸附作用，所以特考慮摻硅灰高強(qiáng)混凝土外加劑增量系數(shù)，得MWJ=1.4，MWJ0=8.30 kg[6]。

綜上，得到初始配合比見(jiàn)表2。

表2 初始配合比 kg/m3

3.2 正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

參考初始配合比，在保證總膠凝材料用量600 kg/m3不變，計(jì)算密度2 423 kg/m3不變的條件下，選用水膠比、砂率、硅灰取代率和外加劑用量作為正交試驗(yàn)因素，將上述因素進(jìn)行四因素三水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)。因素水平見(jiàn)表3，選用L9(34)正交安排試驗(yàn)見(jiàn)表4[7]，各試驗(yàn)材料用量見(jiàn)表5。

表3 因素水平

表4 試驗(yàn)方案

表5 各試驗(yàn)材料用量 kg

續(xù)表5

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6，極差分析見(jiàn)表7。

表6 試驗(yàn)結(jié)果

表7 試驗(yàn)結(jié)果極差分析

由表1可以得到主次因素分析結(jié)果為：A＞D＞B＞C，即水灰比＞硅灰與水泥用量比＞砂率＞外加劑用量。將極差分析與實(shí)際生產(chǎn)成本及混凝土體積穩(wěn)定性綜合考慮，得到最優(yōu)組合為水灰比0.27，砂率48%，外加劑用量9.3 kg，硅灰取代率6%。

綜上，得到正交試驗(yàn)分析最優(yōu)組合配合比見(jiàn)表8。

表8 正交試驗(yàn)最優(yōu)組合配合比 kg/m3

3.4 配合比驗(yàn)證

對(duì)表8得到的最優(yōu)配合比進(jìn)行試配驗(yàn)證，相應(yīng)試配結(jié)果數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 最優(yōu)組合配合比試驗(yàn)結(jié)果

由表9可知，該配合比工作性滿足一級(jí)自密實(shí)混凝土性能要求，強(qiáng)度滿足C70高強(qiáng)混凝土要求。

4 配合比混凝土溫升計(jì)算

對(duì)表8得到的最優(yōu)配合比進(jìn)行混凝土溫升計(jì)算，驗(yàn)證其是否滿足大體積混凝土施工的要求。

1）水泥水化熱計(jì)算

根據(jù)配合比礦物摻合料用量，選用水化熱調(diào)整系數(shù)k=0.89，得膠凝材料水化熱總量Q=kQ0=289 kJ/kg。

2）混凝土絕熱溫升 T（t）

式中：T（t）——混凝土的最終絕熱溫升，℃；

W——單方混凝土中水泥用量，kg/m3；

Q——水泥水化熱量，kJ/kg；

C——混凝土的比熱，0.97 kJ/(kg·K)；

ρ——混凝土的密度，2 434 kg/m3；

m——與水泥品種、澆筑溫度有關(guān)的系數(shù)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于C25～C40大體積混凝土m值一般取0.3～0.5 d-1，對(duì)于C40以上等級(jí)的混凝土還沒(méi)有規(guī)定。日本土木工程協(xié)會(huì)按照膠凝材料的不同對(duì)m的取值做了相應(yīng)規(guī)定，其中對(duì)于普通硅酸鹽水泥有m=0.43+0.001 8 W，W為單位立方米膠凝材料用量。因此按照日本土木工程協(xié)會(huì)計(jì)算公式，m取1.51。

由此，可得混凝土最終絕熱溫升為73.4℃。同時(shí)可得到早期絕熱溫升和時(shí)間的關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土早期絕熱溫升與齡期的關(guān)系曲線

由圖1可知，該最優(yōu)組合配合比1 d絕熱溫升即達(dá)到最終絕熱溫升的77.9%，如果混凝土散熱性差，中心溫度很可能超過(guò)80℃，導(dǎo)致鈣礬石分解[8]。但是按照普通大體積混凝土溫度控制經(jīng)驗(yàn)，1.5 m左右厚度的大體積混凝土，在保溫措施良好的條件下，混凝土澆注體在入模溫度基礎(chǔ)上最高溫升值一般為絕熱溫升值的70%左右，對(duì)于該最優(yōu)組合配合比，在入模溫度為25℃條件下，實(shí)際溫升約52℃，最高中心溫度約77℃。因此只要控制合適的入模溫度并做好保溫養(yǎng)護(hù)和散熱措施，該設(shè)計(jì)混凝土配合比可用于厚度在1.5 m左右的大體積施工中。如果采取合適的降溫措施，可以應(yīng)用于尺寸更大的結(jié)構(gòu)部位。

綜上所述，該配合比符合C70大體積自密實(shí)混凝土要求。

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