高強大體積混凝土制備技術(shù)及工程應(yīng)用

崔維久，吳德龍（.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 0009；.上海建工材料工程有限公司，上海 00086)

為適應(yīng)底板承載力的進一步提高，基礎(chǔ)筏板開始采用 C 50 混凝土。但 C 50 混凝土較 C 40 混凝土更易導(dǎo)致溫度裂縫問題，而針對 C 50 混凝土研究并不多。陳建大[1]總結(jié)上海中心大廈基礎(chǔ)底板 C 50 混凝土的配制過程，重點講述低熱膠凝材料體系。吳德龍等[2]總結(jié)混凝土材料性能關(guān)鍵技術(shù)，重點突出混凝土工作性能研究。上述研究推進 C 50 混凝土在超高層基礎(chǔ)底板中應(yīng)用，但仍缺乏系統(tǒng)全面的研究。本文擬針對 C 50 大體積混凝土開展包含材料配制、工作性能調(diào)控、現(xiàn)場應(yīng)用等技術(shù)研究，以期為后續(xù) C 50 大體積混凝土底板施工提供參考。

1 配制技術(shù)

C 50 混凝土在配制時除要求嚴控原材料品質(zhì)外，還應(yīng)遵循以下原則。

（1）集料堆積密實，配制得到的混凝土除強度滿足要求外，收縮變形小。

（2）采用技術(shù)手段降低混凝土水化熱，避免大體積混凝土澆筑時產(chǎn)生溫度應(yīng)力問題。

（3）對混凝土的工作性能進行調(diào)控，便于混凝土在現(xiàn)場的澆筑施工。

1.1 最佳集料堆積

致密性是由集料堆積決定的，富勒蘭和湯姆森提供了一個理論計算公式[詳見式（1）]。在混凝土配制時，依據(jù)式（1），計算得到 5～25mm各粒徑的理想控制值作為實際混凝土配合比設(shè)計的參考，如表 1 所示。

式中：P―某粒徑顆粒的過篩比；

d―某顆粒的粒徑/mm；

D―該級配組的最大顆粒的粒徑/mm；

h―系數(shù)（0.3～0.5），水泥混凝土取為 0.4

基于最佳堆積率，對砂石通過正交試驗確定其復(fù)配比例。正交試驗設(shè)計如表 2 所示。取各組中密度和空隙率最優(yōu)者為最終的配比。正交試驗提出了配比設(shè)計思路，具體工程中可根據(jù)實際需要確定試驗組數(shù)。

表1 5～25mm集料粒徑理想值

表2 某工程正交試驗圖表

1.2 水化熱控制

水化熱控制的兩大原則：一是減少水泥用量，二是采用水化熱低的水泥。前者除通過采用致密堆積集料減少水泥用量外，主要通過摻加粉煤灰和礦粉、粉煤灰早期活性低，能夠明顯降低膠凝體系的早期水化熱。礦粉的活性高于粉煤灰，但摻加礦粉也能降低膠凝體系的早期水化熱，并且礦粉細度較高、表面能高，吸附在水泥顆粒表面阻擋水泥形成絮凝結(jié)構(gòu)，在低用水量的情況下，保障混凝土拌合物具有良好的流動性能。研究表明摻加適量的粉煤灰和礦粉，混凝土水化熱量在第 3 d 減少 22.3%，在第 7 d 減少13.5%。降低混凝土早期水化熱量，能夠較為有效地減少裂縫危害。采用低熱水泥能夠從根本上降低混凝土水化熱量，經(jīng)工程試驗總結(jié)，所采用的水泥其 3 d 水化熱不超過 230 kJ/ kg、7 d 水化熱不超過 293 kJ/ kg。

澆筑工作開始前，對于一般的工程選擇合理的水化熱模型，設(shè)定好邊界條件，通過數(shù)值模擬手段來獲得澆筑過程中整個底板溫度發(fā)展情況。數(shù)值手段得到的溫度發(fā)展情況可為后續(xù)施工過程中溫控實施提供依據(jù)。對于較為重要的工程，可通過中試試驗獲得混凝土真實溫度發(fā)展情況。澆筑選用與實際工程相同配合比的混凝土，在模型內(nèi)部安裝傳感器，以此來反映整個模型混凝土溫度發(fā)展規(guī)律。若最大溫升、溫差等均未超過控制指標，則證明混凝土設(shè)計配合比滿足低熱要求；若控制指標達不到要求，需要對混凝土配合比進行重新設(shè)計。根據(jù)中試試驗得到的數(shù)據(jù)對數(shù)值分析模型進一步修正，分析實際工程大體積混凝土構(gòu)件溫度規(guī)律更加準確。

1.3 工作性能

以往僅是對混凝土的擴展度提出控制指標，對生產(chǎn)時擴展度的主要影響因素未進行詳細分析。結(jié)合前期研究，擴展度除受材料配合比影響外，攪拌時間、單位用水量、外加劑摻量等因素的影響也比較大。因此，設(shè)置 3 因素 3 水平的正交試驗來確定各因素的最佳值。正交試驗如表 3 所示。

表3 混凝土試驗的3因素與3水平的試驗設(shè)計方案

混凝土在實際生產(chǎn)過程中，仍需要根據(jù)工程需要調(diào)整其配合比。具體調(diào)配過程如圖 1 所示。

圖1 基于擴展度的配合比調(diào)整流程圖

2 工程應(yīng)用

2.1 案例 1

某超高層工程其基礎(chǔ)底板總澆筑量為 60 000 m3，混凝土強度等級為 C 50?；炷恋装鍨閳A形，頂面直徑123.0 m，底面直徑 103.5 m，板厚中心區(qū)域為 6.0 m，邊緣區(qū)域為 1.6 m，剖面圖如圖 2 所示。

圖2 基礎(chǔ)底板剖面圖（mm）

參照表 3 給出的設(shè)計原則，共設(shè)置 9 組測試組，不同測試組的擴展度如表 4 所示。由表 4 可知測試組 6 的擴展度最優(yōu)，說明雙臥軸攪拌機的攪拌時間 45 s，同時單方用水量 160 kg/m3、外加劑摻量 1.25%（占總膠的比例）得到的混凝土工作性最優(yōu)。同時測試組 8 和測試組 9 也滿足工程要求。結(jié)合強度測試其在 56 d 的強度均滿足要求，因此可采用測試組 6 的配比。

表4 不同測試組測試結(jié)果

工程總體澆筑方量巨大，為保證施工效率，結(jié)合底板特點，采用“中心開花”的一次性澆筑方式，底板不設(shè)縫。與傳統(tǒng)的澆筑方式不同，該澆筑從底板中心開始，以此向邊緣推進，澆筑過程中充分利用混凝土的流動性。共采用 18 臺泵車，歷時 63 h 完成整個澆筑過程。在澆筑開始前將智能傳感器安裝在底板鋼筋上，適時采集底板溫度。測溫系統(tǒng)采用自主研發(fā)的“大體積混凝土溫度監(jiān)測系統(tǒng)”。該系統(tǒng)能夠數(shù)字化監(jiān)控混凝土澆筑后水化熱變化，當(dāng)溫差超過限值時可以數(shù)字、圖像等多媒體形式提供報警，提示現(xiàn)場施工人員及時采取溫控措施。測溫元件采用數(shù)字式溫度傳感器，為避免傳感器在安裝過程中損壞、進水，提前對傳感器進行專門封裝。封裝好的測溫元件并行接入電纜線中，并行連接方式可避免因個別測試元件毀壞而影響該線上其他傳感器的使用。大體積混凝土澆筑完成后，由于表面區(qū)域混凝土與核心區(qū)域混凝土散熱條件不同，溫度的集聚情況有差異，易產(chǎn)生溫差。當(dāng)溫差引起的應(yīng)力超過混凝土當(dāng)前齡期的抗拉強度，混凝土就產(chǎn)生開裂。因此，澆筑完成后需要對大體積混凝土進行及時有效的養(yǎng)護。本工程采用雙層薄膜麻袋養(yǎng)護方式，可根據(jù)監(jiān)測提供的溫度數(shù)據(jù)，進行及時調(diào)整覆蓋物，嚴控混凝土溫差在 25 K 以內(nèi)。

本工程采用前文所述的配制技術(shù)，根據(jù)工程需要制定合理的施工方法，通過測溫數(shù)據(jù)得混凝土內(nèi)部最高溫度為 72℃ 左右。該技術(shù)取得良好的應(yīng)用效果。

2.2 案例 2

某城市副中心包括 1 座 300m高的超高層建筑。大體積混凝土底板的總澆筑方量為 20 000 m3，混凝土強度等級為 C 50。混凝土仍按照前文論述方法配制，澆筑時借鑒案例一，采用一次性連續(xù)澆筑。2017年1月18日混凝土澆筑完成，整個澆筑工作持續(xù) 70 h。試驗數(shù)據(jù)顯示，大體積混凝土56 d 最低強度值為 54 MPa，平均強度值為 61 MPa；溫度監(jiān)測顯示，大體積混凝土澆筑后峰值溫度為 73.4 ℃。綜上說明，C 50 混凝土配制技術(shù)在該工程也取得良好的效果。

3 結(jié) 語

（1）結(jié)合富勒曲線提出集料各粒徑的比例，并運用正交試驗，提出數(shù)字化確定砂石最佳配比。

（2）雙臥軸攪拌機的攪拌時間 45 s，同時單方用水量160 kg/m3、外加劑摻量 1.25%（占總膠的比例）得到的混凝土工作性最優(yōu)，為 665 mm。

（3）材料配制時采用雙摻技術(shù)，結(jié)合施工過程中溫度適時監(jiān)測，取得 60 000 m3 大體積混凝土最高溫度 72 ℃的紀錄。