高原地區超長混凝土結構配合比設計

馮澤龍 辛 軍 田曉東 陶 金 張思磊

（中建交通建設集團有限公司，北京 100000）

0 引言

近幾年，隨著建筑行業的飛速發展，我國在超長混凝土結構的研究方面取得了很大進展，尤其是高原地區的超長混凝土結構進行了大量的試驗研究，通過對試驗結果進行總結分析得出，在材料選擇，工藝成型以及配合比檢測等方面都有更充足的理論及數據支撐，為超長混凝土的進一步應用提供保障，本文對此進行詳細介紹。

1 超長混凝土結構的基本力學性能

1.1 結構收縮變形

混凝土的結構收縮是指不受外部荷載作用的混凝土，從澆筑到凝固過程中結構變形而導致體積的減小，混凝土的收縮特性與其自身的物理屬性有關。收縮變形根據發生機理不同可分為不同的類型，實際工程當中，溫度收縮和干燥收縮為主要的影響因素。混凝土澆筑硬化，內部結構由流體到塑性固體的變形，由于受外界環境及溫度的變化，造成體積的變化。水化熱反應過程大量的熱量使得混凝土體積變大，而隨著整個過程混凝土結構內部和表面溫度差，混凝土產生收縮變形，當膨脹或者收縮變化超過混凝土的極限抗拉強度時就會產生裂縫，造成產品質量問題。混凝土的收縮過程，剛開始澆筑時收縮較為迅速，隨著時間的變化混凝土變形逐漸放緩。影響混凝土收縮的因素有很多，但概括起來主要為混凝土材料的配合比及水灰比。目前使用較多的商品混凝土，不同品種的收縮量不同。當設計混凝土時，用水量越大會使得水灰比升高，凝固硬化時水分蒸發得就越多，容易造成混凝土裂縫。水泥的用量及品種等級會對收縮產生影響，水泥用量越多、活性越高會使得收縮變形越大。混凝土材料中所包含的骨料粒徑也會影響收縮變化，實際工程中為了滿足混凝土可泵送性，較多使用粒徑較小的混凝土骨料，通常骨料粒徑越小收縮變化程度越大，降低了混凝土體積的穩定性；摻合料外加劑的使用，雖然在改善使用性能時發揮了作用，但也為混凝土收縮變形變大埋下隱患。因此對超長混凝土結構溫度收縮變形進行控制，科學合理地設計混凝土材料的配合比及水灰比，再結合現場環境組織施工方案，以減少混凝土超長結構施工中裂縫的產生。

1.2 耐久性

混凝土除了要有適度的強度外，還要保障在實際環境應用中具有良好的耐久性。比如抗滲性、抗凍性、抗硫酸鹽、抗侵蝕性、抗壓疲勞形變、堿骨料反應等。抗滲性指的是混凝土在制作過程中，振搗工藝不嚴謹會使得內部結構存有孔隙和孔洞，這種結構會導致混凝土周圍的物質滲透到混凝土內部，一旦水氣進入，將會使得建筑配筋生銹，降低安全性能。抗凍性指混凝土抵抗冷凍的能力。高原嚴寒地區，混凝土結構滲入水分受冷結凍后，使混凝土內部孔隙和孔洞承受較大工作壓力。抗侵蝕性指混凝土在實際工作中抵抗腐蝕的性能。實際工程中常見的侵蝕性液體主要是硫酸鹽溶液、酸性水、堿類的濃溶液等。

1.3 溫度應力

在自然環境中，由于外部氣候及其他因素的影響會造成混凝土結構的變化。如溫度的影響，當溫度降低時，混凝土內部結構的抗拉能力小于低溫處具有的拉應力時，就會導致超長混凝土結構產生裂縫。常見的溫度影響因素主要有季節性變化的溫差，寒潮等溫度驟降形成的溫差，不同時間以及地點對混凝土的影響也有差別。混凝土自身溫度應力屬性的形成主要受混凝土的配合比、水泥品種、水泥用量等因素影響，其結構的變化與溫度變化并不是簡單的線性關系。實際工程中混凝土結構復雜，包含多種不同造型的構件，在各個構件之間也會形成一定的溫差。對溫度應力的分析就變得比較復雜，需要借助有限元軟件，如ANSYS等，按應力求解法或者按位移求解法來分析求出溫度應力。當然溫度應力是混凝土材料本身的物理性質，分析其形成影響因素就能夠在實際工程中采取必要的措施控制溫度應力。

2 高原地區超長混凝土結構配合比設計研究

2.1 配合比設計原則

混凝土配合比，即水泥、砂子、石及水用量的比例關系，直接影響到混凝土的施工質量和施工成本。

（1）在進行混凝土配制前，必須先對所要用原材料和組成材料的性能、各組分之間以及各種物質各自應有特點等因素作充分考慮，才能使其具有一定強度。

（2）在配合比設計前，應先將所需原料進行分類堆放并存放于指定地點；然后按照實驗要求對其進行適當攪拌使之達到規定標準；最后再根據試驗結果確定最佳配比率及品種、規格和級號等相關參數。在試驗過程中，應嚴格控制各配合比的質量，并對其進行必要的取樣檢測。若發現不符合要求時必須及時更換。

（3）混凝土的配合比優化設計中，要嚴格遵循從低到高、從骨料選取角度出發配制最佳原材料和技術措施相結合原則；合理確定各組成分項系數。在保證使用性能前提下，盡量減少原材料消耗量。

（4）在試驗過程中，盡量減少對早期工程量及施工周期影響；同時也不能降低試驗段混凝土配合比例值。當選擇大體積混凝材料時應盡可能采用單品種的水泥或摻加粉煤灰、礦渣等替代部分低塑鋼材或者高強度細砂作為混凝土用料，

（5）根據試驗結果選擇最佳配合比并優化設計參數。通過合理地確定混凝土的配筋計算來提高經濟效益；同時，可以從技術可行性及經濟性等方面考慮采用不同種類及同系列產品進行比較分析，以獲取最好的配合比例方案，從而得到最優組合。

2.2 配合比設計試驗

試驗分為室內和室外兩個階段，通過試驗對超長混凝土配合比、施工方法以及現場的環境進行了分析。

（1）室內試驗：在試驗施工過程中，根據不同工程部位的要求來選擇相應數量且質量較高強度等級及耐久性能好的材料，還需充分考慮當地氣候條件等方面因素的影響，以全面準確地對試驗結果進行分析總結。

（2）室外實驗：通過對混凝土原材料、配合比以及水灰比進行現場和近效的研究分析之后確定最佳施工工藝參數，應遵循工程實際情況，合理選擇原材料及施工方法。通過測定不同組合間混凝土強度來確定最佳工藝參數。在進行試驗過程中，首先將水泥、砂率分別按不同比例算出各組份內水灰比和硅含量；然后計算并記錄實驗數據，最后匯總整理得出相應結論及規律性結果分析；其次是根據實測數據結合以往學者們的實驗資料，確定混凝土配合比例值。通過試驗得到的參數對實驗結果進行分析，驗證了該混凝土配合比設計的合理性，并為工程實踐提供參考意見。

2.3 配合比設計結果與討論

混凝土配合比設計是一個復雜的多目標決策問題。對配合比設計時需從以下幾方面進行綜合考慮：首先要對影響混凝土最終配制效果的因素；其次是可優化調整的因素，如原材料、骨料等材料用量；還有就是根據施工環境確定的拌合比例；再就是混合方式對混凝土性能產生影響等，這些都必須在試驗中完成，以保證配合比設計結果準確并滿足工程要求。

3 高原地區超長混凝土結構配合比設計應用

3.1 配合比的選擇與思路

高原地區超長混凝土配合比設計：首先進行試驗，確定普通級配用量和硅酸鹽類摻合料及其含量、礦粉與低筋比例及水灰比對其耐久性等方面的影響；然后通過正交實驗得出最優組合方案并驗證推薦值范圍內各因素變化趨勢；最后利用ANSYS有限元軟件建立三維模型模擬典型工程實體試件性能受環境化學條件(如溫度，濕度，CO濃度等)影響的情況。通過分析得出結論：在相同強度等級條件下普通級配和與高筋比例及水灰比對耐久性、抗滲性以及塑性性能均有顯著影響；隨著外加水量逐漸增大后其力學性質變化趨勢不明顯，并結合試驗結果進行了誤差分析，驗證超長混凝土配合設計方法的正確性。

3.2 工程概況

本工程建設地點位于拉薩市城關區江蘇路與東山路交匯處西。總建筑面積14796.78m2，建筑占地面積13800m2，地上建筑層數4層，高度23.95m，裝飾構架最高點51.0m，地下建筑層數1層，建筑防火類別一級，地震基本烈度8度，主要結構選型為框架剪力墻結構，結構安全等級為一級。混凝土強度：基礎墊層：C15；筏板基礎、獨立基礎、條形基礎：C30；框架柱C50。

3.3 工程原材料的選擇

原材料的特性對混凝土強度有很大影響，選用的原料必須是耐久性強且具有一定延性和級配變化范圍的。同時還要求所選材料要有良好的水化作用，并能與周圍介質發生化學反應以及力學性能穩定，而不容易因外界濕度過大或高溫影響其穩定性。應優先考慮到經濟效益好、易獲得的產品。

混凝土中使用到的水泥主要是低強度膠凝材料，如普通硅酸鹽類。本工程選用低熱硅酸鹽水泥或者低熱礦渣硅酸鹽水泥。主要是低強度膠凝材料和細集料組成；而細集料則與混凝土配比有著密切聯系。因此為了滿足工程經濟性、耐久性等性能，需要在試驗過程中采用不同品種、規格級號以及粒徑大小的砂石，并能達到較高配合精度要求就必須對其進行合理選擇。在配合比設計前，應先將所需原料進行分類堆放并存放于指定地點；然后按照實驗要求對其進行適當攪拌使之達到規定標準；最后再根據試驗結果確定最佳配比率及品種、規格和級號等相關參數。

本工程選用非堿性骨料。其粒徑選用5.0mm～31.5mm。混凝土原材料用量為0.5%時，經過1次減水劑拌和后發現性能基本穩定;當砂率增加到100%、0.5h以及更高標準之后都會出現不同程度的收縮現象。而隨著粒徑大小及級配尺寸增大對水泥漿體流動性有很大影響。在摻入量控制方面要嚴格按照規范要求進行。

混凝土配比時要按照設計及操作規程執行拌合用水量，不應大于160kg的用水量，同時滿足小于等于300kg的水泥用量。嚴格控制混凝土坍落度為120mm～160mm，高溫季節施工，應采取措施緩凝。施工完成后混凝土強度不大于設計強度的1.2倍，并且測試60d的強度配合比作為重要的設計參考數據。

混凝土總收縮值應控制在0.0004以下。按標準測量的混凝土彈性模量實測值與規范標準值的比值在0.95～1.10之間。頂板二層樓面剪力墻、二層樓面梁板混凝土中摻入適量鋼纖維，鋼纖維采用異形鋼纖維，強度等級380級，纖維長度30mm～60mm，當量直徑0.3mm～0.9mm，長徑比40～80，摻量保證在30kg/m3。樓面梁板混凝土中摻入適量聚丙烯纖維滿足規范。

3.4 混凝土的拌和

3.4.1 混凝土澆筑要求

（1）首先明確各個保障區段內澆筑作業連貫性。（2）區段內，同層的柱、梁、板混凝土應同時澆筑，施工縫只應在柱底處。（3）混凝土的澆筑形式，應分層次進行，類似以階梯模式進行推進，各層澆筑時間間隔要嚴格按照標準進行，小于初凝時間。（4）從中部向兩側連續澆筑混凝土，不得中斷。（5）混凝土應加強振搗，不得漏振、欠振，且不得過振。（6）當遇梁柱節點鋼筋過密時，應事先做好預案措施，務必保證該部位的砼澆筑密實。

3.4.2 后澆帶施工要求

后澆帶未澆筑前支架模板應保證鋼筋混凝土結構（特別是單排柱）的穩定和安全。施工時應做必要的支撐以保證結構的穩定。澆筑前對施工面進行清理，保證混凝土緊密性，并且不會混雜浮塵及雜物。用水沖洗并濕潤24h后，砼表面應采用純水泥漿接漿。后澆帶均應選擇在氣溫較低（合攏溫度宜5℃～12℃）時采用膨脹混凝土澆筑，混凝土必須振搗密實。

3.5 配合比檢測

混凝土配合比的檢測方法有很多種，常用的有目測法、電探直方儀檢測法等。在進行超長混凝土試模制作之前要對其坍落度和出漿深度以及孔隙率進行測定。采用這種辦法時，首先要將拌合料倒入坍落后標記地塞好口后，裝進標養管中并放入水箱里，密封待用之后再加入適量的水使混凝土充滿；采用C30及以上的高速級換算方法，計算出混凝土坍落度。在確定了各配合比方案后，通過試驗對比分析得出最佳拌和時間、水灰比以及高程。通過對工程概況的了解，確定了試驗區混凝土配合比為普通低熱多功能水泥穩定碎石混合料坍落度損失最小時，在最佳摻量和拌制時間，用先進先出法、級配過渡到單頭注水來控制混凝土的粘聚性[1-5]。

4 結束語

混凝土配合比設計應根據不同的工程性質、氣候條件及施工要求等，結合當地水文地質特點，選擇最適合該地區的最佳材料及配合比。在進行敏感性評估時，應首先對混凝土的耐久性作出全面考慮，其次還需根據環境條件及使用性能，確定超長混凝土料和預拌砂漿的用量。總的來說，超長混凝土是一種新型的建筑材料，它與普通鋼筋相比，具有良好的力學性能及耐久性，可承受更高負荷的各種工作環境，在高原地區優先選用超長混凝土代替水泥砂漿進行加工后澆帶作業，可提高工程質量及經濟效益。