高性能混凝土在超大體積混凝土中的應(yīng)用

馬展祥

（廣州天源混凝土有限公司）

高性能混凝土在超大體積混凝土中的應(yīng)用

馬展祥

（廣州天源混凝土有限公司）

大體積混凝土因混凝土水化熱、收縮以及施工養(yǎng)護(hù)等方面容易開(kāi)裂，給工程建設(shè)帶來(lái)較大影響。如何解決大體積混凝土開(kāi)裂是擺在混凝土工作者面前的一個(gè)重要問(wèn)題。本人結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，采用新技術(shù)，降低混凝土水泥用量、提高摻合料用量等方法，制作出低水化熱、低收縮、高保塑性、高耐久性的高性能混凝土，并且成功應(yīng)用到工程實(shí)際中。

大體積；高性能；應(yīng)用

1　引言

隨著建筑技術(shù)不斷提高，高層、超高層建筑不斷出現(xiàn)，大體積、超大體積混凝土隨之也出現(xiàn)。為了提高混凝土質(zhì)量、確保工程建設(shè)質(zhì)量，避免混凝土因開(kāi)裂、滲水等影響到混凝土性能，具有各項(xiàng)優(yōu)異性能的高性能混凝土應(yīng)運(yùn)而生。

2　工程概況

某中央商務(wù)區(qū)數(shù)碼產(chǎn)業(yè)總部商業(yè)樓工程為商業(yè)綜合體，地下4層，共3棟塔樓及裙房和4棟獨(dú)立商業(yè)樓，總建筑面積37.7萬(wàn)m2。塔底板面積為47m×47m，其中核心筒為21.7m×21.7m。塔樓范圍內(nèi)底板厚3700mm，塔樓周邊底板厚850mm，核心筒混凝土厚度分別為5m、5.3m、6m、7.2m，其中1a-1a剖面混凝土最厚為7200mm。底板混凝土為C40 P10，屬大體積防水混凝土。混凝土總方量約為15000m2。

3　混凝土配合比確定

由于該工程底板最厚達(dá)7.2m、屬于超大體積混凝土，大體積混凝土的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一是如何解決混凝土水化熱。影響混凝土水化熱的主要因素是水泥（包括品種、型號(hào)等）以及配合比中摻合料品種及用量等。

3.1原材料選擇

3.1.1水泥

水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，放出大量的熱量，稱(chēng)為水化熱。據(jù)資料介紹，每克水泥釋放出50.2J的熱量，從而使混凝土內(nèi)部溫度升高，水泥水化熱一般在1～3天內(nèi)可放出熱量的50%。因此，由于熱量的傳遞、積存，使得混凝土內(nèi)部的最高溫度大約在澆筑后3天左右發(fā)生，所以選好水泥的品種是至關(guān)重要的。

而我司目前所使用的水泥為華潤(rùn)P.II42.5R水泥，其水化熱較低，雖然其比低熱的礦渣水泥和粉煤灰水泥水化熱高，但由于其強(qiáng)度富余高，在保證質(zhì)量的前提下，其用量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它低熱水泥，因此單方混凝土水化熱量與低熱水泥水化熱量相當(dāng)，甚至低于低水化熱水泥。

3.1.2外加劑

我公司采用第三代聚羧酸高效減水劑，其減水率高、緩凝效果好，能使混凝土的水化熱釋放延緩，減少水泥的初期水化熱，推遲混凝土最高溫峰的出現(xiàn)，以使混凝土內(nèi)外溫差減小，減少開(kāi)裂。

3.1.3粉煤灰

眾所周知，粉煤灰有三大效應(yīng)：①火山灰效應(yīng)；②二次反應(yīng)效應(yīng)；③填充效應(yīng)，據(jù)有關(guān)資料介紹，每立方混凝土摻用100kg粉煤灰，可使混凝土溫度升高4℃左右，硅酸鹽水泥的水化放熱可使混凝土溫度升高12℃。因此，在大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)中，摻入較大量的粉煤灰，不但能改善混凝土的工作性，還能降低混凝土的水化熱，提高混凝土質(zhì)量。我司選用福建大唐的I級(jí)粉煤灰，具有細(xì)度細(xì)、需水量小、活性高、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)大等特點(diǎn)。

3.1.4砂、石骨料

采用西江潔凈的中砂，含泥量及泥塊都較小，骨料都采用小10～30mm碎石，即5～25mm的連續(xù)級(jí)配，空隙率小，骨膠比合理，碎石最大粒徑為20mm，收縮會(huì)比最大粒徑25mm大些，且粒徑小、比表面積大，所需包裹碎石的漿體就要多些，漿體多易產(chǎn)生裂縫。

3.1.5水

在混凝土的組成材料中，水的比熱較大，相當(dāng)于水泥和骨料的4～5倍，一般情況下水溫每升降4℃則混凝土的溫度升降1℃，所以水溫與混凝土的溫度成正比。

3.2配合比設(shè)計(jì)方面

在滿(mǎn)足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求的前提下，充分考慮到混凝土的水化熱問(wèn)題，采取高性能混凝土設(shè)計(jì)方案，即降低水泥及水用量、提高摻合料及外加劑用量，延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，降低水化熱及水化熱峰值。

另外考慮到混凝土泵送距離及施工可操作性，結(jié)合現(xiàn)有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，我司把到現(xiàn)場(chǎng)入泵口塌落度控制在150±30mm范圍內(nèi)，以保證施工性能及混凝土水化。

本工程大體積混凝土初凝時(shí)間為10小時(shí)左右、終凝時(shí)間為12小時(shí)左右。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以及大量的試驗(yàn)，本工程配合比如表1：

表1　

該配合各項(xiàng)性能如下：

⑴工作性能：出機(jī)坍落度200mm，擴(kuò)展度650× 650mm；2h后坍落度180mm，擴(kuò)展度620×620mm。混凝土流動(dòng)性好。

⑵力學(xué)性能：3d=26.6MPa、7d=38.5MPa、28d=47.1MPa、60d=50.8MPa

⑶水化熱：入模溫度為27.0℃，成型后18小時(shí)開(kāi)始升溫，過(guò)40小時(shí)后溫度升到最大值78℃，絕熱溫升為51℃。

⑷混凝土收縮見(jiàn)表2。

表2　　　（單位：萬(wàn)）

4　混凝土入模溫度控制措施

4.1入模溫度計(jì)算

該項(xiàng)目底板大體積混凝土C40P10大體積混凝土配方如表1。

4.1.1混凝土溫度計(jì)算公式

Th=（McγcTc+MbγbTb+MfγfTf+MγsTs+MgγgTg +MwγwTw）/（Mcγc+Mfγf+Msγs+MgCg+Mwγw）

4.1.2混凝土出機(jī)溫度與大氣溫度的關(guān)系

設(shè)定：大氣溫度為T(mén)℃，水泥溫度Tc=60℃、礦粉溫度Tb=45℃、粉煤灰Tf=45℃為不變值，水溫與大氣溫度總是相差2℃，即Tw=（T-2）℃，砂、石用遮陽(yáng)棚遮住且碎石用水淋，因此其溫度等于水溫，即Ts=Tg=Tw=（T-2）℃；且γc=γb=γs=γg=γf=0.90，γw=4.2。 則 計(jì) 算 出C40P10混凝土拌合物出機(jī)溫度與大氣溫度的關(guān)系如下：

Th=［225×0.9×60+75×0.9×45+110×0.9× 45+740×0.9×（T-2）+1042×0.9×（T-2）+158×4.2×（T-2）］/（225×0.9+75×0.9+110×0.9+740×0.9+1042 ×0.9+158×4.2）=5.73+0.84T

據(jù)此，可算出通常氣溫下的混凝土溫度（見(jiàn)表3）：

混凝土的實(shí)際溫升是熱傳遞、摩擦及水化熱三者的綜合結(jié)果。根據(jù)實(shí)測(cè)，混凝土經(jīng)1小時(shí)運(yùn)輸后，一般溫度略升高2～3℃，30分鐘約升溫1℃左右。

4.2水化熱計(jì)算

Tn=Mc×Q/（γcρ）+Mf/50（式1）

Tn——混凝土最終絕熱溫升（℃）；

Mf——摻和料用量；

Q——單位水泥水化熱，Q=350kj/kg；

Mc——單位水泥用量；

γc——混凝土的比熱，c=0.97kj/（kg·k）；

ρ——混凝土的密度，p=2350kg/m3；

代入（1）得混凝土最終絕熱溫升。

Tn=Mc·Q/（γcρ）+Mf/50

=（225+75×0.8）/（0.97×2350）+110/50

=45.8℃

假如混凝土入模溫度為28℃混凝土最大絕熱溫升：

Tmax=45.8+28=73.8℃

由于混凝土在水化過(guò)程中，在放熱的同時(shí)，還存在著不斷散熱的過(guò)程，因此，其實(shí)際溫度可能有所偏差。

該大體積混凝土4月份在廣州番禺進(jìn)行澆注，其溫度基本在25℃左右，因此根據(jù)情況，混凝土的入模溫度基本在27℃以?xún)?nèi)。

表3　

表4　（單位：MPa）

4.3采取措施

知道原材料溫度對(duì)混凝土的溫度影響后，采取相應(yīng)的降溫措施來(lái)降低混凝土的入模溫度。

4.3.1骨料預(yù)冷卻

所有運(yùn)輸骨料船只加蓋帆布遮陽(yáng)，并噴淋水降溫。攪拌站骨料堆場(chǎng)加建遮陽(yáng)上蓋，防止骨料在烈日下曝曬，確保骨料平均溫度低于大氣溫度。

4.3.2水泥預(yù)冷卻

水泥等膠凝材料提前兩到三天入場(chǎng)，增加儲(chǔ)量，讓其自然降溫，按照先進(jìn)先出原則，使生產(chǎn)時(shí)使用的水泥溫度盡可能低。控制水泥溫度低于60℃。

5　混凝土澆注

該大體積混凝土于2016年4月12日早上9時(shí)開(kāi)始澆注，14日早上9時(shí)結(jié)束，歷時(shí)48小時(shí)，混凝土方量約為15000m3，5臺(tái)泵外加1個(gè)溜槽，平均每小時(shí)澆注300立方。

在混凝土澆注過(guò)程中，我司全程安排包括技術(shù)員、車(chē)隊(duì)長(zhǎng)、業(yè)務(wù)等方面的人進(jìn)行全程跟蹤，與施工單位人員一起指揮車(chē)輛、安排發(fā)車(chē)速度等，同時(shí)對(duì)混凝土質(zhì)量進(jìn)行跟蹤檢測(cè)。

在施工過(guò)程中，遇到天氣下雨等惡劣情況，我司也采取了積極措施，包括混凝土出場(chǎng)質(zhì)量控制、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及采取了相應(yīng)的防雨措施。在整個(gè)施工過(guò)程中，混凝土質(zhì)量穩(wěn)定、供應(yīng)連續(xù)。

6　質(zhì)量跟蹤

6.1混凝土強(qiáng)度

我們對(duì)該批次混凝土各齡期強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表4：

從以上強(qiáng)度看，攪拌站試件強(qiáng)度7天強(qiáng)度基本在85%～95%之間，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，與試配強(qiáng)度相差不大；而施工現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)養(yǎng)強(qiáng)度偏低，7天強(qiáng)度基本在80%左右；但施工現(xiàn)場(chǎng)同條件養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度卻與攪拌強(qiáng)度相差無(wú)幾，都在90%左右。

原因分析：

⑴攪拌站標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，與攪拌站試件成型、養(yǎng)護(hù)及試驗(yàn)條件較標(biāo)準(zhǔn)、試模尺寸標(biāo)準(zhǔn)、試件成型較規(guī)范以及養(yǎng)護(hù)條件較標(biāo)準(zhǔn)等有關(guān)。

⑵施工現(xiàn)場(chǎng)試件強(qiáng)度偏低，可能與試模尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、成型質(zhì)量不夠好以及養(yǎng)護(hù)條件不夠標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。

⑶施工現(xiàn)場(chǎng)同條件強(qiáng)度能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是有可能現(xiàn)場(chǎng)養(yǎng)護(hù)溫度較高（混凝土表面溫度基本在25℃以上，因此強(qiáng)度發(fā)展較快。

另外，由于是超大體積混凝土、考慮到水化熱等問(wèn)題，混凝土配合比設(shè)計(jì)中提高了摻合料用量，降低了水泥用量，其早期強(qiáng)度較低，但其后期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，根據(jù)配合比情況及混凝土強(qiáng)度情況，該批混凝土28天強(qiáng)度是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的。

6.2混凝土溫度記錄

施工單位對(duì)混凝土各位置都布置有測(cè)溫孔，并對(duì)混凝土溫度進(jìn)行了跟蹤檢測(cè)，現(xiàn)對(duì)各測(cè)溫點(diǎn)最高溫度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，混凝土最高溫度78.6℃。

混凝土中心平均溫度與理論溫度相差3℃左右，可能與混凝土散熱有關(guān)，另溫差控制都在25℃以?xún)?nèi)，與施工單位重視養(yǎng)護(hù)及養(yǎng)護(hù)措施到位有關(guān)。

混凝土最高溫升都出現(xiàn)在混凝土澆注后3天左右，與配合比設(shè)計(jì)中摻入I級(jí)粉煤灰及礦粉和高效緩凝減水劑有差別，延長(zhǎng)了混凝土凝結(jié)時(shí)間、降低了水化熱峰值。

從以上各數(shù)據(jù)說(shuō)明，該大體積混凝土質(zhì)量是可控的。

混凝土澆注至今已有3個(gè)多月，而且經(jīng)歷了幾場(chǎng)大暴雨，整個(gè)地下室都比較干燥，無(wú)任何開(kāi)裂、滲水現(xiàn)象。

7　結(jié)論

由于該工程大體積混凝土采用了雙摻技術(shù)，既能提高混凝土的各項(xiàng)性能，包括低水化熱、低收縮、高保塑性等，又不出現(xiàn)開(kāi)裂等質(zhì)量問(wèn)題，提高了混凝土的耐久性，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。●

［1］虞曉光.不同條件下的混凝土工程應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：中國(guó)現(xiàn)代工程技術(shù)出版社，2006.

［2］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1999.