高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)的優(yōu)化及早期裂縫控制

黃瑾斌

某建筑工程的高強(qiáng)混凝土施工期間，為保證最終施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求，主要以對(duì)比試驗(yàn)的方式針對(duì)高強(qiáng)混凝土配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步探索了混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫控制方案，以實(shí)現(xiàn)該建筑工程混凝土施工的升級(jí)。

一、試驗(yàn)內(nèi)容與設(shè)計(jì)

1.試驗(yàn)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(zhì)量相對(duì)穩(wěn)定，適合配制C60高強(qiáng)混凝土；

礦物摻合料：F類(lèi)I級(jí)粉煤灰以及S95級(jí)礦粉；

機(jī)制砂：廠地為福建省南平市建陽(yáng)區(qū)，其細(xì)度模數(shù)在2.6～3.0的中砂，含泥量約為1.1%；

碎石：5～25mm連續(xù)級(jí)配碎石，含泥量約為0.2%，針片狀含量約為3.2%，壓碎指標(biāo)為6.3%；

外加劑：聚羧酸高性能減水劑（標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)

合理的混凝土配合比，既要能滿足混凝土的強(qiáng)度又要保證混凝土的流動(dòng)性和黏聚性，還要便于施工。依據(jù)JGJ55 -2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)大于或等于 C60 時(shí)，配制強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中，fcu,o—混凝土配制強(qiáng)度（MPa）；

fcu,k—混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，這里取設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)（MPa）；

則C60混凝土配制強(qiáng)度為1.15×60=69.0MPa。在本試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)的C60高強(qiáng)混凝土配合比方案有6種，如表1所示。

表1 C60高強(qiáng)混凝土配合比

二、試驗(yàn)結(jié)果分析

1.混凝土配合比設(shè)計(jì)方案的比選

結(jié)合前文設(shè)定的6種高強(qiáng)混凝土配合比展開(kāi)混凝土試配，所得到的結(jié)果如下所示：

方案1的坍落度為240mm，1小時(shí)經(jīng)時(shí)損失為10mm，擴(kuò)展度為650mm，初凝時(shí)間為13.5h，終凝時(shí)間為16.0h，和易性良好，養(yǎng)護(hù)3天后的抗壓強(qiáng)度代表值為41.1MPa，養(yǎng)護(hù)7天后的抗壓強(qiáng)度代表值為52.1MPa，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為64.9MPa。

方案2的坍落度為240mm，1小時(shí)經(jīng)時(shí)損失為10mm，擴(kuò)展度為660mm，初凝時(shí)間為13.0h，終凝時(shí)間為15.5h，和易性良好，養(yǎng)護(hù)3天后的抗壓強(qiáng)度代表值為43.3MPa，養(yǎng)護(hù)7天后的抗壓強(qiáng)度代表值為52.6MPa，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為65.4MPa。

方案3的坍落度為235mm，1小時(shí)經(jīng)時(shí)損失為10mm，擴(kuò)展度為655mm，初凝時(shí)間為13.0h，終凝時(shí)間為15.0h，和易性良好，養(yǎng)護(hù)3天后的抗壓強(qiáng)度代表值為44.4MPa，養(yǎng)護(hù)7天后的抗壓強(qiáng)度代表值為54.2MPa，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為67.6MPa。

方案4的坍落度為235mm，1小時(shí)經(jīng)時(shí)損失為10mm，擴(kuò)展度為655mm，初凝時(shí)間為12.0h，終凝時(shí)間為14.5h，和易性良好，養(yǎng)護(hù)3天后的抗壓強(qiáng)度代表值為45.8MPa，養(yǎng)護(hù)7天后的抗壓強(qiáng)度代表值為56.7MPa，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為69.6MPa。

方案5的坍落度為230mm，1小時(shí)經(jīng)時(shí)損失為20mm，擴(kuò)展度為650mm，初凝時(shí)間為11.0h，終凝時(shí)間為14.0h，和易性良好，養(yǎng)護(hù)3天后的抗壓強(qiáng)度代表值為46.5MPa，養(yǎng)護(hù)7天后的抗壓強(qiáng)度代表值為57.3MPa，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為72.9MPa。

方案6的坍落度為230mm，1小時(shí)經(jīng)時(shí)損失為20mm，擴(kuò)展度為640mm，初凝時(shí)間為11.0h，終凝時(shí)間為14.0h，和易性良好，養(yǎng)護(hù)3天后的抗壓強(qiáng)度代表值為47.6MPa，養(yǎng)護(hù)7天后的抗壓強(qiáng)度代表值為58.8MPa，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為74.6MPa。

對(duì)比上述試驗(yàn)結(jié)果能夠了解到，6種配合比設(shè)計(jì)方案在坍落度、1小時(shí)經(jīng)時(shí)損失、擴(kuò)展度、和易性方面均能夠滿足實(shí)際的C60高強(qiáng)混凝土施工要求；對(duì)比分析抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以判斷出，方案4、方案5以及方案6均滿足C60高強(qiáng)混凝土施工強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求?；谶@樣的情況，針對(duì)方案4、方案5以及方案6進(jìn)一步展開(kāi)的重復(fù)對(duì)比試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果依然表明滿足C60高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)要求。相比較來(lái)說(shuō)，方案5和方案6需要的水泥用量偏多，水化熱較大，所以發(fā)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(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)方案。

2.高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

為了進(jìn)一步確定出最優(yōu)的高強(qiáng)混凝土配合比設(shè)計(jì)方案，在本次試驗(yàn)中針對(duì)方案4落實(shí)了持續(xù)性的優(yōu)化。在此過(guò)程中，調(diào)整砂率，控制其他材料投放量不變，得到的結(jié)果如下所示：

在砂率為37%時(shí)，坍落度為235mm，擴(kuò)展度為690mm，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為69.4MPa。在砂率為39%時(shí)，坍落度為235mm，擴(kuò)展度為665mm，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為69.7MPa。在砂率為41%時(shí)，坍落度為240mm，擴(kuò)展度為650mm，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為70.1MPa。在砂率為43%時(shí)，坍落度為250mm，擴(kuò)展度為660mm，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為69.5MPa。在砂率為45%時(shí)，坍落度為250mm，擴(kuò)展度為625mm，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為69.1MPa。在砂率為47%時(shí)，坍落度為250mm，擴(kuò)展度為610mm，養(yǎng)護(hù)28天后的抗壓強(qiáng)度代表值為68.2MPa。

結(jié)合上述分析結(jié)果能夠了解到，在砂率增大的條件下，坍落度有所提升，而擴(kuò)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(fā)生加較為明顯的改變；在養(yǎng)護(hù)28天后，砂率為41%的混凝土抗壓強(qiáng)度代表值較高，其余數(shù)值均在波動(dòng)范圍內(nèi)。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(lái)看，C60高強(qiáng)混凝土配合比的最優(yōu)配合比設(shè)計(jì)方案為優(yōu)化后的方案4，即：水灰比設(shè)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(qiáng)混凝土的早期裂縫控制

1.早期裂縫控制思路與標(biāo)準(zhǔn)

在本次試驗(yàn)中，主要通過(guò)控制溫度的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫的有效控制。高強(qiáng)混凝土仿真計(jì)算用溫度控制標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)標(biāo)溫差不高于25℃的水平；進(jìn)出水溫差不高于10℃；內(nèi)部溫度不高于65℃；冷卻水與混凝土內(nèi)部最高溫度不高于25℃；養(yǎng)護(hù)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(xiàn)場(chǎng)入模溫度時(shí)，所應(yīng)用的措施及其成效如下所示：骨料主要使用搭遮陽(yáng)棚、噴霧、通風(fēng)冷卻等措施進(jìn)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(duì)膠材長(zhǎng)期儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、倒倉(cāng)等措施的應(yīng)用，使得水泥溫度始終控制在不高于50℃的水平，同時(shí)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(nèi)投放碎冰，促使混凝土溫度保持在不超過(guò)5℃的水平；針對(duì)金屬模板的外表面實(shí)施灑水降溫處理，促使溫度降低8℃～10℃左右；落實(shí)倉(cāng)面噴霧，促使溫度能夠下降至低于環(huán)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(qiáng)抗壓性能的鐵皮管，在混凝土周邊以60cm為間距實(shí)施上下、水平鋪設(shè)，在管內(nèi)通入水，以此實(shí)現(xiàn)快速降溫，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)合覆蓋彩條布與土工布；在拆模前期，在金屬模圍堰內(nèi)投放冷卻水，落實(shí)蓄水養(yǎng)護(hù)，控制蓄水高度保持在不低于20cm的水平。

3.監(jiān)測(cè)結(jié)果

在試驗(yàn)混凝土結(jié)構(gòu)的底面以上中央位置布設(shè)多個(gè)測(cè)溫傳感器，布設(shè)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(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)溫度的監(jiān)控值如圖1所示。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)溫度的監(jiān)控值

結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠了解到，57℃為該混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度最大值，18℃為內(nèi)表溫差最大值，符合前文所述的溫度控制要求。在達(dá)到溫峰后，應(yīng)用對(duì)降溫管道內(nèi)通熱蒸汽、對(duì)部分冷卻水管進(jìn)行關(guān)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(yǎng)生脫模后，對(duì)該混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，未發(fā)現(xiàn)裂縫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高強(qiáng)混凝土裂縫的早期防控。

四、總結(jié)

綜上所述，本次試驗(yàn)所得到的C60高強(qiáng)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(jié)合對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(dá)到控制混凝土早期裂縫產(chǎn)生的效果。