大體積混凝土配合比設計及裂縫防控技術研究

高 峰

(莆田中建建設發展有限公司 福建莆田 351100 )

0 引言

大體積混凝土，指混凝土構件幾何尺寸大于等于1 m的大體量混凝土，或會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮，導致有害裂縫產生的混凝土。由于其體積龐大，在水泥水化時會釋放出大量的水化熱，大體積構件形成外低內高的溫差。這種高溫差會使大體積混凝土內部溫度分布不均勻，由此引起混凝土構件產生溫度應力。同時，若大體積構件中心最高溫度超過70℃，構件內部會發生“延遲鈣礬石生成”(delayed ettringite formation，簡稱DEF)[1]，引起混凝土表面受拉而中心受壓。當混凝土表面拉應力超過混凝土抗拉強度時，引起構件發生開裂，產生有害裂縫。

近年來，針對大體積混凝土構件中的溫度梯度控制，一般會采用加入預冷骨料，或是在構件內部鋪設水管的方式[2]。采用粉煤灰，礦渣等礦物摻合料部分替代水泥，減少水泥的使用量，有效降低水化放熱總量及絕熱溫升，減少因溫度應力產生裂縫的可能性[3-4]。此外，減少一次性混凝土澆筑量，采用隔熱保溫模板，夏季降低混凝土入模溫度等，都能在一定程度上控制大體積混凝土中的溫度梯度分布。

然而，采用加入預冷骨料，或是在構件內部鋪設水管的方式，相對耗時、費力且成本高[2]。以礦物摻合料代替水泥，雖然可以減少混凝土中產生的水化熱，但摻入過多的粉煤灰，會降低混凝土早期的抗拉強度。若礦渣摻量過大，則會增大混凝土塑性開裂的風險[5]。因此，在減少水化熱的產生同時，如何經濟有效，保持合理的強度，是利用配合比去控制大體積混凝土溫度梯度的重難點。

本文通過探究不同粉煤灰和礦渣摻比下混凝土的水化熱，工作性能以及抗壓強度發展趨勢，確定出低水化熱、高體積穩定性，強度符合的C35大體積混凝土配合比。在此基礎上，通過足尺模型試驗中監測該配比下構件溫度梯度、應變變化情況，結合實際模型的實際裂縫發展趨勢以及分布規律，對該配合比的抗裂性能進行驗證。

1 工程概況

本文研究依托于莆田媽祖重離子醫院項目。項目位于莆田市北岸經濟開發區管委會山亭鎮，總建筑面積為106 700 m2，地下2層，地上部分3層，部分12層，概算總投資14.06億元。配備重離子治療中心，硼中子治療中心和質子治療中心，其中重離子治療中心由加速器大廳，爬升區，治療室3個部分組成，包含了1.0 m、1.3 m、1.7 m、2.0 m、2.6 m、3.9 m、4.3 m厚的剪力墻，最高凈高達25 m，1.1 m、1.55 m厚的底板以及1.4 m、2.0 m、3.5 m厚的頂板，混凝土等級為C35，如圖1所示。

圖1 重離子治療中心軸測圖

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

原材料采用比表面積為330 m2/kg的華潤PO.42.5水泥，比表面積為442 m2/kg S95礦渣，福建省鴻山熱電廠的I級粉煤灰。粗骨料選用5 mm～31.5 mm連續級配石子，含泥量為0.2%，針狀、片狀顆粒含量<6%，表觀密度為2640 kg/m3。細骨料用細度模量為3.3的中粗砂，含泥量為0.2%，表觀密度，吸水率分別為2620 kg/ m3和1.5%。外加劑為武漢三源特種建材有限公司的鎂質高性能抗裂劑，以及科之杰新材料集團有限公司的聚羧酸系高效減水劑，減水率為17%。

2.2 試驗方法

根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T 50080-2016)進行混凝土坍落度及擴展度測試，按照《混凝土強度檢驗評定標準》(GB/T 50107-2010)進行混凝土抗壓強度測試，水化熱采用TAM Air微量熱儀測定。混凝土構件內溫度、應變測試采用來自南京葛南實業有限公司的VWS-15應變計(智能)測定。

3 試驗結果及分析

3.1 粉煤灰和礦渣摻比對坍落度和抗壓強度的影響

試驗中，保持混凝土總膠凝材料量為342 kg/m3，水膠比為0.45，抗裂劑摻量為10%。減水劑摻量為2.2%。采用粉煤灰和礦渣粉復摻代替水泥，根據《大體積混凝土施工標準》中相關規定，取礦物摻合料摻入量為50%,其中粉煤灰與礦渣粉復摻比例(F∶S)為8∶2、7∶3、6∶4、5∶5。配合比設計如表1所示。

表1 混凝土配合比

粉煤灰和礦渣以不同比例復摻，其混凝土坍落度，抗壓強度結果如圖2～圖3所示。由此可見，保持礦物摻和料總量為50%，隨著礦渣摻入比例增加，混凝土的初始坍落度減少，坍落度損失值增加，混凝土抗壓強度增加。說明礦渣摻量增加，能有效提高混凝土早期強度，彌補高粉煤灰摻合量引起的混凝土早期低強度效應。但由于礦渣保水性較粉煤灰差，且早期參與水化的速率快，因此，當礦渣摻量超過20%時，會引起混凝土初始坍落度下降，隨著時間的增長，坍落度的損失量增大，2 h最大損失量為9%。

圖2 復摻比例不同對混凝土坍落度的影響

圖3 復摻比例不同對混凝土強度的影響

3.2 粉煤灰和礦渣摻比對水化熱的影響

保持礦物摻合料的總量不變，不同粉煤灰礦渣復摻比例的水化放熱速率和水化放熱總量，如圖4～圖5所示。可以看到，隨著粉煤灰摻量的提高、礦渣摻量的降低，膠凝體系的水化放熱呈現水化放熱速率降低，水化放熱速率峰推遲，水化放熱總量降低的趨勢。在粉煤灰摻量為35%，礦渣摻量15%時，在早期具有更小水化放熱速率以及更低的水化放熱速率峰值，且后期水化放熱速率下降的趨勢也更為平緩，水化放熱總量小。3 d水化熱約為115 kJ/kg，7 d水化熱約為130 kJ/kg。

圖4 復摻比例不同水化放熱速率

圖5 復摻比例不同水化放熱總量

3.3 足尺模型溫度及應變變化特征

綜合上述混凝土坍落度、抗壓強度和水化放熱試驗結果，當粉煤灰和礦渣復摻比例為7∶3時，28 d抗壓強度為51.2 MPa，初始坍落度為181 mm，2 h坍落度損失值在0.03%，3 d水化熱約為115 kJ/kg，7 d水化熱約為130 kJ/kg。符合低水化熱、高體積穩定性、C35等級要求。將此配合比進行3 m×3 m×3 m足尺模型試驗，足尺模型尺寸及熱電偶應變片埋設，如圖6～圖7所示。

圖6 足尺模型A剖面

圖7 足尺模型B剖面

圖8與圖9分別為足尺模型構件內部的溫度及應變變化趨勢，可以看到構件內溫度與應變變化呈現三個階段。第一階段發生在澆筑完成24 h內，該階段為混凝土水化劇烈反應階段，構件內部溫度，應變出現陡升。中心平均升溫速率為1.45℃/h，約在18 h各測溫點出現溫度峰值。中心約為70℃，四周溫度峰值約為60℃。各個測點均測得壓應變，而此時混凝土正處于升溫階段，即混凝土因升溫而產生膨脹。混凝土內部的壓應變產生的原因，為混凝土膨脹受到了外層混凝土的約束，限制了膨脹而產生壓應變。壓應變在140 με-220 με之間，雖然此時應變數值較大，但為壓應變，該階段內發生裂縫的概率很小。

圖8 內部溫度變化圖

圖9 內部應變變化

第二個階段為混凝土中心緩慢升溫階段，約為24 h～48 h。該階段內構件內部升溫速率大大降低，中心區域升溫速率為0.15℃/h，且四周及邊緣位置部分已經開始降溫。中心壓應變繼續上升，并在該階段結束時達到最大值，而四周壓應變開始呈現下降趨勢。

第三個階段為混凝土降溫階段，表現為構件內部溫度下降，應變量減少，逐漸由壓應變向拉應變轉變。48 h之后，混凝土開始降溫，且隨時間的增加，整體溫度下降速率變緩。在110 h-280 h，以一個較快的降溫速率下降，280 h之后降溫速率降低，最終逐步逐漸于平緩。本次試驗采用帶模養護保溫的方式，約在96 h后安排拆模。拆模后，四周的平均降溫速率為0.18℃/h，頂面降溫速率為0.22℃/h，中心降溫速率為0.08℃/h。此時中心點的溫度降低幅度要小于相鄰測點，中心點處混凝土因降溫產生的溫度收縮，將小于周圍混凝土的溫度收縮，即中心處混凝土相對于周圍混凝土產生相對膨脹，進而產生壓應力。該時間段內發生裂縫的概率小。應變在48 h后，呈現的變化趨勢與溫度變化大體相同，但在60 h-110 h，結構內部應變呈現一定程度的緩慢增長。因為鎂質抗裂劑的參與，發生一定的補償收縮，使得混凝土內部的應變呈現一定程度的上升。至28 d檢測結束，僅斜上測點與底中測點由壓應變向拉應變轉變，整體構件仍處于壓應變狀態，發生裂縫的風險較低。

整體上，該配比下的足尺模型構件內部的溫度梯度分布并未存在明顯異常情況。通過帶模保溫養護有效的對內外溫度差進行調整，保持內外溫差不小于25℃，降溫速率小于2℃/h，符合規范要求。整體構件處于受壓狀態，結合實際構件表現效果來說，構件內外并未出現明顯裂縫，整體裂縫控制效果較好。

4 結論

(1)粉煤灰和礦渣復摻的方式調整大體積混凝土配比，由于水泥含量的減少，能夠降低混凝土水化放熱總量，延緩水化放熱峰出現，3 d的水化熱約為115 kJ/kg，7 d的水化熱約為130 kJ/kg。且摻入礦渣，能彌補大摻量摻入粉煤灰引起的早期強度下降，使其7 d強度最高達到36.7 MPa。粉煤灰發揮其形態效應，能有效提升混凝土整體工作性能，降低其坍落度損失，最小為2.6%。

(2)通過對大體積混凝土構件溫度及應力檢測，配合比為礦物摻和量50%，粉煤灰和礦渣以7∶3的比例復摻，水膠比為0.45時，構件在28d大部分呈現受壓狀態，整體的抗裂性能良好。且增加一定量的鎂質抗裂劑，能在一定程度上起補償收縮作用，延緩構件由壓應變向拉應變轉變的速率，提高其抗裂能力。

(3)為確保大體積構件不發生開裂，除配合比控制內部溫度梯度變化外，還需要在外部增設保溫材料，或是帶模養護3～4 d，以提高整體大體積內外溫度溫差把控。