高強混凝土配合比設計的優化及早期裂縫控制

黃瑾斌

某建筑工程的高強混凝土施工期間，為保證最終施工質量滿足設計要求，主要以對比試驗的方式針對高強混凝土配合比進行了優化設計，并進一步探索了混凝土結構早期裂縫控制方案，以實現該建筑工程混凝土施工的升級。

一、試驗內容與設計

1.試驗原材料的選擇

水泥：選用海螺牌P·O 42.5 水泥，該水泥中3CaO·Al2O3含量低，水化熱較低，質量相對穩定，適合配制C60高強混凝土；

礦物摻合料：F類I級粉煤灰以及S95級礦粉；

機制砂：廠地為福建省南平市建陽區，其細度模數在2.6～3.0的中砂，含泥量約為1.1%；

碎石：5～25mm連續級配碎石，含泥量約為0.2%，針片狀含量約為3.2%，壓碎指標為6.3%；

外加劑：聚羧酸高性能減水劑（標準型），減水率約為26%，含固量約為39.6%，推薦摻量為2.5%；

拌合用水：飲用水。

2.高強混凝土配合比設計

合理的混凝土配合比，既要能滿足混凝土的強度又要保證混凝土的流動性和黏聚性，還要便于施工。依據JGJ55 -2011《普通混凝土配合比設計規程》，當設計強度等級大于或等于 C60 時，配制強度應按下式計算：

式中，fcu,o—混凝土配制強度（MPa）；

fcu,k—混凝土立方體抗壓強度標準值，這里取設計混凝土強度等級（MPa）；

則C60混凝土配制強度為1.15×60=69.0MPa。在本試驗中，設計的C60高強混凝土配合比方案有6種，如表1所示。

表1 C60高強混凝土配合比

二、試驗結果分析

1.混凝土配合比設計方案的比選

結合前文設定的6種高強混凝土配合比展開混凝土試配，所得到的結果如下所示：

方案1的坍落度為240mm，1小時經時損失為10mm，擴展度為650mm，初凝時間為13.5h，終凝時間為16.0h，和易性良好，養護3天后的抗壓強度代表值為41.1MPa，養護7天后的抗壓強度代表值為52.1MPa，養護28天后的抗壓強度代表值為64.9MPa。

方案2的坍落度為240mm，1小時經時損失為10mm，擴展度為660mm，初凝時間為13.0h，終凝時間為15.5h，和易性良好，養護3天后的抗壓強度代表值為43.3MPa，養護7天后的抗壓強度代表值為52.6MPa，養護28天后的抗壓強度代表值為65.4MPa。

方案3的坍落度為235mm，1小時經時損失為10mm，擴展度為655mm，初凝時間為13.0h，終凝時間為15.0h，和易性良好，養護3天后的抗壓強度代表值為44.4MPa，養護7天后的抗壓強度代表值為54.2MPa，養護28天后的抗壓強度代表值為67.6MPa。

方案4的坍落度為235mm，1小時經時損失為10mm，擴展度為655mm，初凝時間為12.0h，終凝時間為14.5h，和易性良好，養護3天后的抗壓強度代表值為45.8MPa，養護7天后的抗壓強度代表值為56.7MPa，養護28天后的抗壓強度代表值為69.6MPa。

方案5的坍落度為230mm，1小時經時損失為20mm，擴展度為650mm，初凝時間為11.0h，終凝時間為14.0h，和易性良好，養護3天后的抗壓強度代表值為46.5MPa，養護7天后的抗壓強度代表值為57.3MPa，養護28天后的抗壓強度代表值為72.9MPa。

方案6的坍落度為230mm，1小時經時損失為20mm，擴展度為640mm，初凝時間為11.0h，終凝時間為14.0h，和易性良好，養護3天后的抗壓強度代表值為47.6MPa，養護7天后的抗壓強度代表值為58.8MPa，養護28天后的抗壓強度代表值為74.6MPa。

對比上述試驗結果能夠了解到，6種配合比設計方案在坍落度、1小時經時損失、擴展度、和易性方面均能夠滿足實際的C60高強混凝土施工要求；對比分析抗壓強度試驗結果可以判斷出，方案4、方案5以及方案6均滿足C60高強混凝土施工強度設計要求。基于這樣的情況，針對方案4、方案5以及方案6進一步展開的重復對比試驗，得到的試驗結果依然表明滿足C60高強混凝土配合比設計要求。相比較來說，方案5和方案6需要的水泥用量偏多，水化熱較大，所以發生裂縫、更大坍落度損失的概率更高。故初步判定使用方案4作為C60高強混凝土配合比設計方案。

2.高強混凝土配合比設計方案的優化

為了進一步確定出最優的高強混凝土配合比設計方案，在本次試驗中針對方案4落實了持續性的優化。在此過程中，調整砂率，控制其他材料投放量不變，得到的結果如下所示：

在砂率為37%時，坍落度為235mm，擴展度為690mm，養護28天后的抗壓強度代表值為69.4MPa。在砂率為39%時，坍落度為235mm，擴展度為665mm，養護28天后的抗壓強度代表值為69.7MPa。在砂率為41%時，坍落度為240mm，擴展度為650mm，養護28天后的抗壓強度代表值為70.1MPa。在砂率為43%時，坍落度為250mm，擴展度為660mm，養護28天后的抗壓強度代表值為69.5MPa。在砂率為45%時，坍落度為250mm，擴展度為625mm，養護28天后的抗壓強度代表值為69.1MPa。在砂率為47%時，坍落度為250mm，擴展度為610mm，養護28天后的抗壓強度代表值為68.2MPa。

結合上述分析結果能夠了解到，在砂率增大的條件下，坍落度有所提升，而擴展度隨之下降，意味著混凝土的包裹性隨著砂率的增加而增加；骨料比表面積隨砂率的增大而增大；混凝土含氣量差異不顯著，黏性也未發生加較為明顯的改變；在養護28天后，砂率為41%的混凝土抗壓強度代表值較高，其余數值均在波動范圍內。綜合性能、成本等多方因素的考量，可以將砂率控制在42%左右。

綜合來看，C60高強混凝土配合比的最優配合比設計方案為優化后的方案4，即：水灰比設定為0.31，水為163kg/m3，水泥為436kg/m3，粉煤灰為30kg/m3，礦粉為60kg/m3，砂為708kg/m3，石為1019kg/m3，外加劑為13.9kg/m3。

三、高強混凝土的早期裂縫控制

1.早期裂縫控制思路與標準

在本次試驗中，主要通過控制溫度的方式實現對混凝土結構早期裂縫的有效控制。高強混凝土仿真計算用溫度控制標準主要如下所示：入模溫度不高于26℃；降溫速率不高于每天2℃；內標溫差不高于25℃的水平；進出水溫差不高于10℃；內部溫度不高于65℃；冷卻水與混凝土內部最高溫度不高于25℃；養護水與混凝土表面溫差不高于15℃；混凝土表面與大氣溫差不高于20℃。

2.控制措施

（1）在控制現場入模溫度時，所應用的措施及其成效如下所示：骨料主要使用搭遮陽棚、噴霧、通風冷卻等措施進行溫度控制，促使其溫度始終保持在低于氣溫4℃～5℃的水平；依托對膠材長期儲存、轉運、倒倉等措施的應用，使得水泥溫度始終控制在不高于50℃的水平，同時控制粉煤灰的溫度始終保持在不高于40℃的水平；在拌和水內投放碎冰，促使混凝土溫度保持在不超過5℃的水平；針對金屬模板的外表面實施灑水降溫處理，促使溫度降低8℃～10℃左右；落實倉面噴霧，促使溫度能夠下降至低于環境溫度2℃～3℃的水平。

（2）混凝土快速升溫階段的溫度控制措施。投放具備更強抗壓性能的鐵皮管，在混凝土周邊以60cm為間距實施上下、水平鋪設，在管內通入水，以此實現快速降溫，實現對溫峰的有效消除。

（3）混凝土降溫階段的保溫措施。在完成澆筑的混凝土表面復合覆蓋彩條布與土工布；在拆模前期，在金屬模圍堰內投放冷卻水，落實蓄水養護，控制蓄水高度保持在不低于20cm的水平。

3.監測結果

在試驗混凝土結構的底面以上中央位置布設多個測溫傳感器，布設具體位置為高度為0.3m的位置以及高度為2.5m的位置。所得到的混凝土結構測點溫度的監控值如圖1所示。

圖1 混凝土結構測點溫度的監控值

結合監測結果能夠了解到，57℃為該混凝土結構的內部溫度最大值，18℃為內表溫差最大值，符合前文所述的溫度控制要求。在達到溫峰后，應用對降溫管道內通熱蒸汽、對部分冷卻水管進行關閉的方式控制降溫速率，保證其滿足降溫速率為不高于每天2℃的要求。在養生脫模后，對該混凝土結構進行觀察，未發現裂縫，實現了對高強混凝土裂縫的早期防控。

四、總結

綜上所述，本次試驗所得到的C60高強混凝土配合比為，水灰比0.31，水為163kg/m3，水泥436kg/m3，粉煤灰30kg/m3，礦粉60kg/m3，砂725kg/m3，石1002kg/m3，外加劑13.9kg/m3。結合對現場入模溫度、混凝土快速升溫階段的溫度的控制，以及混凝土降溫階段的保溫處理，能夠達到控制混凝土早期裂縫產生的效果。