大體積混凝土原材料選擇及其配合比設(shè)計(jì)原則

向國劍

(中國水利水電第七工程局有限公司 科研設(shè)計(jì)院,四川成都 611730)

1 概 述

美國混凝土協(xié)會(huì)(AmericanConcreteInstitute)ACI207認(rèn)為,大體積混凝土是“現(xiàn)場澆筑的混凝土,尺寸大到需要采取措施降低水化熱和水化熱引起的體積變化以最大限度地減少混凝土的開裂”。美國混凝土協(xié)會(huì)還認(rèn)為,對(duì)于結(jié)構(gòu)最小尺寸大于 0.6m的混凝土,即應(yīng)考慮水化熱引起的混凝土體積變化與開裂問題。混凝土大壩是最典型的大體積混凝土。

大體積混凝土一般具有一些共同的特征,如結(jié)構(gòu)厚實(shí)、混凝土方量大,故需采取有效措施減少溫度變形引起的混凝土開裂。對(duì)于大體積混凝土而言,需要著力解決的問題常常不是力學(xué)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,而是如何有效控制混凝土溫度變形裂縫、提高混凝土的抗?jié)B抗裂性能,從而達(dá)到提高混凝土結(jié)構(gòu)物和建造物使用年限的目的。因此,對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度控制是大體積混凝土最突出的特點(diǎn)。

混凝土是熱的不良導(dǎo)體。在大體積混凝土的內(nèi)部,由于水泥的水化熱不容易散失而蓄熱于其內(nèi)部,從而使其內(nèi)部混凝土的溫升較大;而在大體積混凝土的外部,由于其所產(chǎn)生的熱量容易散失,從而使外部混凝土的溫升較小,因此而在大體積混凝土的內(nèi)部和外部就形成了一定的溫度梯度,外部混凝土受到內(nèi)部混凝土的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)其超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土即會(huì)產(chǎn)生裂縫。

因此,為了抑制大體積混凝土因“溫差——溫度應(yīng)力”而產(chǎn)生的裂縫,必須改善混凝土的組成,妥善選擇混凝土的原材料,精心設(shè)計(jì)大體積混凝土配合比,并配合采用其他溫控手段和措施,多管齊下,以期最大可能地達(dá)到預(yù)期之目的。

2 對(duì)原材料的選擇

2.1 水 泥

水泥水化熱是大體積混凝土的主要溫度因素,因此,在選擇水泥時(shí),應(yīng)首先考慮選擇水化熱低、凝結(jié)時(shí)間長的水泥,比如低熱礦渣硅酸鹽水泥、中熱硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰硅酸鹽水泥等。

對(duì)于高強(qiáng)度等級(jí)的大體積混凝土,則應(yīng)優(yōu)先考慮采用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,并采取緩凝型外加劑等措施以延緩水泥水化熱的釋放。

2.2 外加劑

根據(jù)《混凝土外加劑的分類、命名和定義》GB 8075的規(guī)定,混凝土外加劑是指在混凝土制備過程中摻入、用以改善混凝土性能的物質(zhì),摻量一般不大于水泥重量的 5%(特殊情況除外)。大體積混凝土中常用的外加劑品種有普通減水劑、高效減水劑、緩凝劑、緩凝減水劑以及同時(shí)具有減水、緩凝、引氣等多種綜合功能的復(fù)合型外加劑,其中多以緩凝型減水劑為主。

在大體積混凝土中使用緩凝型減水劑,其主要目的在于延緩水泥水化熱的釋放速度,推遲熱峰出現(xiàn)的時(shí)間,降低水化熱量的最高峰值并減少總的發(fā)熱量,從而減少混凝土因溫度而引起的裂縫。此外,由于延緩了混凝土的凝結(jié)時(shí)間,緩凝型減水劑的使用還有利于在澆筑和搗實(shí)大體積混凝土?xí)r不致形成施工冷縫,從而有利于延長振動(dòng)時(shí)間或擴(kuò)大振動(dòng)范圍。

2.3 砂石骨料

在大體積混凝土中,砂石骨料的體積大約占混凝土總體積的 3/4左右。由于砂石骨料在混凝土中占有相當(dāng)大的比例,因此,砂石骨料無論是對(duì)混凝土的生產(chǎn)成本,還是混凝土的技術(shù)性能均產(chǎn)生非常重要的影響。

對(duì)砂石骨料的基本要求:質(zhì)地堅(jiān)硬,潔凈、不含有害雜質(zhì),顆粒級(jí)配良好,具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度,能配制出符合設(shè)計(jì)要求的混凝土拌和物,在建筑物和構(gòu)造物的整個(gè)設(shè)計(jì)年限內(nèi),其性能能在使用環(huán)境中基本保持穩(wěn)定而不致對(duì)混凝土性能產(chǎn)生有害的影響,其具體技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定。

對(duì)于大體積混凝土而言,應(yīng)優(yōu)先考慮使用破碎骨料,且宜使用級(jí)配良好的粗砂或中砂;使用級(jí)配良好、連續(xù)級(jí)配的粗骨料并盡可能使用較大粒徑的粗骨料,但粗骨料的最大粒徑不得超過結(jié)構(gòu)截面最小尺寸的 1/4,也不得大于鋼筋最小凈距的 3/4;當(dāng)使用多種粒級(jí)的骨料時(shí),應(yīng)通過不同粒級(jí)之間的摻配試驗(yàn)確定合理的摻配比例。

2.4 摻合料

在大體積混凝土中,常使用粉煤灰等活性摻合料。由于粉煤灰具有“形態(tài)效應(yīng)”和“微集料效應(yīng)”,在摻加了性能良好的粉煤灰后,可以顯著改善混凝土的和易性,增加混凝土的粘聚性,減少混凝土的離析和泌水;摻加粉煤灰后,使混凝土的凝結(jié)時(shí)間延長,可以延緩水泥水化熱的放熱速度,推遲熱峰出現(xiàn)的時(shí)間;粉煤灰可以取代部分水泥,減少混凝土中的單位水泥用量,從而減少大體積混凝土中的總發(fā)熱量。鑒于粉煤灰具有的上述優(yōu)點(diǎn),《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GBJ146規(guī)定,在大體積混凝土、泵送混凝土等中宜摻用粉煤灰。

至于摻用粉煤灰的等級(jí),可根據(jù)《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GBJ146的規(guī)定進(jìn)行選用。

2.5 拌和用水

水是混凝土的主要組分之一。水中的某些雜質(zhì)會(huì)影響混凝土的正常凝結(jié)與硬化,影響混凝土的強(qiáng)度發(fā)展與耐久性,加快鋼筋的銹蝕,引起預(yù)應(yīng)力鋼筋的脆斷并污染混凝土的表面、影響混凝土的外觀等。

大體積混凝土的拌和用水應(yīng)符合《混凝土拌和用水》JGJ63的規(guī)定,在條件許可的情況下,宜用飲用水進(jìn)行大體積混凝土的拌和。

3 配合比設(shè)計(jì)原則

混凝土配合比設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)原材料的技術(shù)性能及施工條件,確定出能滿足工程要求的混凝土配合比。

進(jìn)行大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮以下原則:

(1)在保證混凝土強(qiáng)度及和易性(坍落度)要求的前提下,在施工條件許可的范圍內(nèi),應(yīng)盡可能提高摻合料和骨料的含量以降低混凝土的單位水泥用量和總發(fā)熱量,從而降低混凝土內(nèi)部的最高溫度。

(2)摻加緩凝型高效減水劑等外加劑。使用前,應(yīng)首先進(jìn)行外加劑的品質(zhì)檢驗(yàn),并應(yīng)進(jìn)行外加劑與水泥、粉煤灰等材料之間的相容性試驗(yàn)。

緩凝劑、緩凝減水劑、緩凝高效減水劑等外加劑的摻量應(yīng)根據(jù)環(huán)境溫度、施工要求的混凝土凝結(jié)時(shí)間、運(yùn)輸距離、停留時(shí)間等因素綜合確定;同時(shí),因外加劑的摻量一般較小,故外加劑的計(jì)量必須準(zhǔn)確。

緩凝劑、緩凝減水劑、緩凝高效減水劑產(chǎn)品說明資料中標(biāo)明的凝結(jié)時(shí)間是遵照《混凝土外加劑》GB8076-1997的試驗(yàn)方法,其試驗(yàn)環(huán)境溫度為 20±3℃條件下得出的結(jié)果。當(dāng)實(shí)際使用環(huán)境溫度高于或低于該試驗(yàn)溫度時(shí),外加劑的緩凝效果可能會(huì)存在很大的差異。一般而言,在環(huán)境溫度較低時(shí),緩凝效果增大;而當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),緩凝效果降低甚至沒有緩凝效果。因此,當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),在使用緩凝型外加劑前,應(yīng)首先進(jìn)行溫度適應(yīng)性試驗(yàn),待其符合施工要求后方可使用。

(3)滿足施工和易性要求。大體積混凝土的特點(diǎn)是點(diǎn)多面廣,并要求混凝土進(jìn)行連續(xù)澆筑作業(yè),因此,對(duì)大體積混凝土而言,多采用固定拌和站集中供料的方式進(jìn)行大體積混凝土的澆筑。在進(jìn)行大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮環(huán)境溫度、運(yùn)輸距離、停留時(shí)間對(duì)混凝土和易性的影響,除了進(jìn)行常規(guī)的試驗(yàn)外,還應(yīng)模擬現(xiàn)場環(huán)境條件,進(jìn)行混凝土經(jīng)時(shí)坍落度損失試驗(yàn)及混凝土經(jīng)時(shí)溫升試驗(yàn)。

在設(shè)計(jì)大體積混凝土配合比時(shí),應(yīng)認(rèn)真考慮現(xiàn)場的施工要求,切忌為了滿足混凝土的強(qiáng)度指標(biāo)而不適當(dāng)?shù)夭捎幂^小的水灰比和較小的坍落度。在大體積混凝土工程中,應(yīng)把和易性(坍落度)作為一個(gè)突出問題來抓。應(yīng)當(dāng)指出的是:不摻外加劑和摻合料的大體積混凝土很難說是優(yōu)質(zhì)的。

總而言之,為了保證結(jié)構(gòu)物和建造物的整體性和一致性,對(duì)于同一個(gè)結(jié)構(gòu)物和建造物,原則上應(yīng)選用同一種混凝土配合比進(jìn)行施工。但是,對(duì)于結(jié)構(gòu)物和建造物的某些特殊部位,比如鋼筋的疏密不同、結(jié)構(gòu)物和建造物尺寸突變的部位,為了保證這部分混凝土的施工質(zhì)量,也允許采用其他種類的混凝土配合比進(jìn)行澆筑。

4 結(jié) 語

裂縫問題是大體積混凝土不得不面對(duì)的問題。大體積混凝土的開裂主要是由混凝土溫度升高引起的,所以,采取適當(dāng)?shù)拇胧?將混凝土溫度升高和溫度變化速度控制在一定范圍內(nèi),使溫度變化產(chǎn)生的應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度,即可有效避免出現(xiàn)裂縫。這些措施貫穿混凝土生產(chǎn)、施工的全過程,混凝土原材料的合理選擇以及混凝土配合比的精心設(shè)計(jì)只是該過程中的兩個(gè)“結(jié)點(diǎn)”。只有通過分析混凝土內(nèi)部的溫度分布及其產(chǎn)生的約束應(yīng)力,采取降低混凝土的發(fā)熱量和澆筑溫度、埋設(shè)冷卻水管、分層分塊澆筑混凝土、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)和混凝土表面保溫等有效措施,多管齊下,才能有效解決大體積混凝土的裂縫問題,從而保證大體積混凝土的整體質(zhì)量。