高层建筑C40大体积混凝土配合比设计原则及其原材料选择

文摘 2024-12-12 07:02 河南

1前言

大体积混凝土是指混凝土结构实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土。通过对水泥水化热的研究可得知每千克水泥水化时可产生热量500kJ左右，而混凝土导热性能较差，由水泥水化产生的热量积聚可使混凝土绝热升温达70℃或更高，水泥水化引起的内外温差对混凝土产生约束应力，当约束应力大于混凝土抗拉强度时，在混凝土内部会产生裂缝。当前社会经济不断发展，掀起了高层建筑建设浪潮，内外温差引起的裂缝成为一些高层建筑基础工程需要注意的重点和难点问题。温度裂缝不仅降低基础混凝土结构的承载力，也对混凝土长期性能和耐久性能产生影响。

高层建筑大体积混凝土与水工大体积混凝土相比具有自己的特点：

结构断面比较长、比较宽、但厚度较薄，混凝土设计强度等级较高；混凝土设计时不仅要满足结构强度、刚度要求，还要考虑到结构整体性、稳定性和变形性，在混凝土施工时要连续浇筑，所处环境在地下或者位于室内，对耐久性设计要求比水工的低。根据高层建筑的人体积混凝土的特点，采用经济合理的技术手段来控制大体积混凝土因温度差产生裂缝，而合理的混凝土配合比设计无疑是温控措施中首要的环节囤。

本文针对高层建筑大体积混凝土的特点，提出高层建筑大体积混凝十配合比设计时应注意的一些关键问题，并结合广州某工程大型阀板基础的大体积混凝土应用进行阐述，供设计、施工人员参考。

2高层建筑大体积混凝土配合比设计原则

(1)根据JGJ55-2011通混凝土配合比设计规程》圆、JGJ/T10-2011《混凝土泵送施工技术规程》、DG/TJ08-501-2008《粒化高炉矿渣粉在水泥混凝土中应用技术规程》进行配合比设计和试配。

(2)在保证混凝土强度的前提下，为降低大体积混凝土水化热峰值，混凝土强度等级的指标可以由28d改为60d。

(3)充分利用粉煤灰和矿渣粉复掺技术来代替部分水泥用量，降低混凝土水化热。

(4)控制水泥用量，水泥用量每减少10kg，水化时引起升温可降低约1℃，但水泥用量又不能过少，否则会使混凝土的拉伸性能降低，对大体积混凝土的温控防裂产生不良影响。

(5)考虑到混凝土的施工性能，骨料对混凝土收缩的限制作用及对混凝土的工作性和可泵性的影响。

3高层建筑大体积混凝土原材料选择

3.1合理选择水泥品种

水泥水化时产生的热量是混凝土的主要热源，减少水化热是控制大体积混凝土裂缝最有效的方法。水化热引起的混凝土绝热温升可按公式1计算。

式中：

T_（_t_）——混凝土在浇筑时间t后的绝热温升值，℃；

m——每立方米混凝土的水泥用量，kg：

m_f——每立方米混凝土所掺入粉煤灰用量，kg；

Q——每千克水泥的水化热，kj/kg；

c——混凝土的比热容，一股为(0.92～1.0)×10³J/(kg·K)：

ρ——混凝土表观密度，一般为2400kg/m³；

e——常数，为2.71828；

m——水泥品种与温升速度有关的系数，m=0.43+0.0018mc(普通水泥系数)，或m=0.55+0.001mc(矿渣水泥系数)；

t——龄期，d。

从公式l可知影响水化热的主要因素是水泥，在相同水泥用量的情况下，按公式1可知选择水化热低的水泥是减少水化热的方法，水化热低的水泥一般强度等级较小，无法保证高层建筑大体积混凝土的强度，因此降低单位水泥用量，才是减少高层建筑大体积混凝土水化热的有效方法。

高层建筑大体积混凝土一般选用强度为42.5的水泥，现在市场上主要有矿渣水泥、普通水泥、普通硅酸盐水泥，但矿渣水泥的泌水性、干燥收缩比后面两种水泥要大，在硬化后期，其收缩值要比普通硅酸盐水泥高出25％左右，对高层建筑的大体积混凝土来说，控制大体积混凝土的收缩产生的裂缝、温度裂缝同样重要，因此选择收缩较小的普通硅酸盐水泥比选择矿渣水泥会更有利于大体积混凝土裂缝控制，至于普通硅酸盐水泥的水化热稍大，可通过掺入矿物掺合料等方法来解决。

3.2矿物掺合料选择

将矿物掺合料代替部分水泥掺入混凝土中，可以减少水泥用量，从而减低水化热，高层建筑大体积混凝土的强度要求较高，可选择将矿粉、粉煤灰复合掺入混凝土中。

将矿粉、粉煤灰复合掺入混凝土，有以下几个优点：

(1)通过将矿粉、粉煤灰复掺技术配制的混凝土比单掺粉煤灰的混凝土流动性好，这是由于矿物掺合料的细度小于水泥颗粒，在替代部分水泥用量后在水泥颗粒之问起填充作用，复掺矿粉、粉煤灰后的胶凝材料比单掺粉煤灰的胶凝材料具有更好的级配；

(2)当配制的混凝土坍落度相同时，复掺矿粉、粉煤灰比单掺粉煤灰的混凝土的单位用水量要少且外加剂掺量亦少，这是由于矿粉、粉煤灰复掺与高效减水剂双掺时具有复合减水率，它表现出强烈的增塑减水作用；

(3)复掺矿粉、粉煤灰混凝土，不仅可以减缓水泥的水化速度，使得放热峰值推后、降低水化热，还可以利用二者活性产生时间不同，保证高层建筑的大体积混凝土在前后期都有较高的强度。

3.3骨料选择

粗骨料的选择应以有利于提高高层建筑大体积混凝土抗拉强度为原则，如选择多棱角的石灰岩碎石，另外要对粗骨料进行筛选，不能选择针片状过多的骨料，同时粗骨料的含泥量和泥块含量应严格控制。细骨料可选择细度模数在2.7～3.1范围内的中粗砂，严格控制砂的含泥量、氯离子含量。砂率按水胶比、粗骨料种类、粒径确定，可根据高层建筑大体积混凝土配合比设计原则所要求的砂率最大、最小值进行试配并确定出最佳砂率。

3.4水的用量及减水剂的选择

(1)混凝土单位用水量应考虑到水泥品种、粗骨料粒径、混凝土坍落度等要求。用水量选择适当可以降低水泥用量，使得水泥水化产生的总放热量减少。混凝土强度也取决于水胶比，合理的用水量不仅可以保证混凝土力学性能而且还有利于混凝土耐久性能，因此，混凝土用水量是大体积混凝土配合比设计的关键。

(2)在高层建筑大体积混凝土配合比设计时，通过掺入缓凝型减水剂，不仅可以通过减少单位用水量和水泥用量来降低水化热，而且可以延缓水泥的水化放热速度和热峰值出现时间，避免混凝土中心部位的温度上升过快而导致内外温差过大。

4配合比试验

4.1实验原材料

(1)水泥：水泥物理性能指标见表1。

(2)矿渣粉：韶钢$95矿粉，7d活性指数70.5％、28d活性指数100.0％。

(3)粉煤灰：I级粉煤灰，细度6.4％，需水量比92％，烧失量1.28，游离氧化钙0.35％；三氧化硫1.70％，7d活性指数60.2％；28d活性指数78.2％。

(4)砂：表观密度＞2500kg/m³，细度模数2.5～2.8，分属II区中砂，含泥量<1.0％。

(5)碎石：博罗金叶石场生产的花岗岩，规格5～25mm，连续级配；表观密度>2600kg/m³，压碎指标<10.0％，针片状颗粒含量<8.0％，含泥量<0.5％，颗粒级配如表2所示。

(6)减水剂：TL-A缓凝高效减水剂。

(7)水：自来水。

4.2混凝土配合比试配

根据配合比设计原则及原材料选择，对各种不同配合比、不同原材料进行了大量的设计、试配、调整工作，最终明确了表3的配合比为生产C40大体积混凝土的基准配合比。在此基础上，采用以上4种相同强度等级不同品牌、不同品种的水泥，相同粉煤灰、矿渣粉、骨料、减水剂和水，同一配合比情况下，进行试配对比。试配结果详见表4、表5、表6。通过表4、表5、表6施工性能和力学性能的综合比较，结合之前的试验结果，选择金羊牌P.042.5R水泥等原材料配制的C40大体积混凝土施工性能较好，且力学性能也满足要求。

5工程应用

混凝土生产围绕原材料质量、生产过程和降低混凝土入模温度三个方面进行严格控制，采用金羊牌P.042.5R水泥、韶钢S95矿粉、I级粉煤灰等原材料生产，按表3配合比生产的混凝土应用于广州某工程C40大体积阀板基础，50h连续浇筑近14000m³混凝土顺利完成，在施工性能、质量、服务等各方面都得到了各方的认可，同时对这次大体积混凝土配合比设计、原材料选择、温度控制及裂缝控制等给予了高度的评价。生产中随机连续抽取了11组样品制作了各龄期混凝土试件，检测结果见表7，从表7可以看出混凝土强度满足工程要求。

6结论

(1)高层建筑大体积混凝土配合比设计原则是配合比设计重要依据，采用60d抗压强度作为评定指标，不仅可以减少水泥用量，从而降低混凝土生产成本，而且能够有效降低混凝土水化热。原材料选择是关键，尽管选用的是水化热较高的普通硅酸盐水泥，但可以通过采取矿粉、粉煤灰复掺技术取代部分水泥，有效降低混凝土水化热，同时缓凝高效减水剂的使用可以延迟水化热峰值出现的时间，减少混凝土收缩，改善混凝土体积稳定性，保证混凝土早期和后期强度满足要求。

(2)从工程应用来看，高层建筑大体积混凝土在控制水化热的同时，控制混凝土入模温度，加强施工管理，对混凝土进行精心养护，减少混凝土内外温差，才能避免因内外温差引起的混凝土裂缝。

总之，合理的配合比设计、原材料选择与精细化的施工管理相结合是确保高层建筑大体积混凝土不开裂的关键。

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