超低水泥用量 C50 山砂大體積混凝土的研制

目前，貴州地區(qū) C50 及以上的混凝土應(yīng)用較少，而C50 大體積混凝土更是未曾在工程中實(shí)際應(yīng)用。通過對原材料選擇、配合比設(shè)計(jì)、新拌混凝土工作性能、混凝土長期耐久性能等研究，配制出了工作性能良好的超低水泥用量C50 山砂大體積高性能混凝土，應(yīng)用于貴陽國際金融中心1 號樓大底板澆筑，一次性澆筑方量達(dá)到 7 000 m3。

1 研發(fā)難點(diǎn)

研發(fā)難點(diǎn)主要分為技術(shù)、材料控制、施工 3 個(gè)部分。

(1) 技術(shù)難點(diǎn)：山砂較河砂需水量更大，使用山砂配制混凝土?xí)r，如果控制不好，會(huì)增加混凝土用水量及黏度，很容易造成混凝土過黏、泵送性差等問題。因而必須采取相應(yīng)的技術(shù)手段，保證混凝土具有良好的工作性能及長期耐久性能。

(2) 材料控制難點(diǎn)：山砂存在級配較差、兩級分化嚴(yán)重、顆粒形狀不規(guī)整、石粉含量偏高、MB值偏高等特點(diǎn)，加上砂品種多樣化、碎石針片狀多等問題，很容易造成混凝土出現(xiàn)質(zhì)量問題。為了達(dá)到本課題研究目的，必須對原材料進(jìn)行優(yōu)選和組合。

(3) 施工難點(diǎn)：山砂混凝土保坍性能較差，為了滿足正常施工，混凝土需保證至少在 2 h 以上的時(shí)間內(nèi)仍具有良好的工作性能，才能避免出現(xiàn)坍落度的損失，以防造成堵管等施工問題。

2 原材料選擇

考慮到運(yùn)輸、成本、水化熱控制等因素，以貴陽國際金融中心周邊的原材料為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)選。所選用原材料如下：

(1) 水泥：選用海螺 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥。該水泥質(zhì)量穩(wěn)定、強(qiáng)度富余系數(shù)大，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 水泥性能指標(biāo)

(2) 礦粉：選用遵義地區(qū) L70 級普通磷渣粉。該礦粉質(zhì)量穩(wěn)定，主要性能指標(biāo)見表2。

表2 礦粉性能指標(biāo)

(3) 粉煤灰：選用貴州大量使用的 F 類 Ⅱ 級粉煤灰。其性指標(biāo)見表3。

表3 F 類 Ⅱ 級粉煤灰常規(guī)性能指標(biāo) %

(4) 粗集料：選用貴陽某砂廠生產(chǎn)的 5～31.5 mm 連續(xù)級配碎石。其顆粒形狀良好，性能指標(biāo)見表4。

表4 粗集料性能指標(biāo)

(5) 細(xì)集料：通過大量試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)選擇兩種砂搭配使用效果比單一使用效果好很多，因此選用兩種砂搭配，均為貴陽白云附近砂廠所生產(chǎn)的砂。其性能指標(biāo)見表5。

表5 細(xì)集料性能指標(biāo)

(6) 外加劑：選用貴陽某廠家生產(chǎn)的高效聚羧酸減水劑。其固含量達(dá)到 14%，砂漿減水率 25%，混凝土減水率28%，初凝時(shí)間 12 h，終凝時(shí)間 18 h。

3 配合比設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)參照 JGJ 55─2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》及 GB 50496─2009《大體積混凝土施工規(guī)范》進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度以 60 d 抗壓強(qiáng)度為準(zhǔn)。通過大量試驗(yàn)，初步確定膠凝材料用量及各組分比例，根據(jù)砂質(zhì)量及混凝土工作性能初步確定各組混凝土的砂用量、砂率及用水量，外加劑摻量固定，同時(shí)根據(jù)后期強(qiáng)度，確定了混凝土基準(zhǔn)試驗(yàn)配合比，混凝土基準(zhǔn)試驗(yàn)配合比詳見表6。

表6 混凝土基準(zhǔn)試驗(yàn)配合比

新拌混凝土初始工作性見表7。

表7 新拌混凝土工作性

由表7 可知，混凝土 2 h 后坍落度/擴(kuò)展度仍有 215/550，倒坍時(shí)間只有 5.4 s，說明混凝土 2 h 后仍有很好的流動(dòng)性及良好的施工性能，滿足長時(shí)間施工要求。

通過大量試驗(yàn)證明，混凝土在砂石質(zhì)量不變及保持膠凝材料不變的情況下，水粉比對混凝土工作性影響較大。水粉比對新拌混凝土工作性影響見表8。

表8 水粉比對混凝土工作性影響

試驗(yàn)表明，水粉比在 0.34 左右時(shí)，混凝土工作性最佳，此時(shí)的山砂混凝土黏度、稠度最好。由表8 可知，當(dāng)水粉比為 0.32 時(shí)，全用細(xì)砂，粉底有 12.7%，混凝土偏黏；當(dāng)水粉比為 0.37 時(shí)，全用粗砂，粉底基本為 4.5%，砂級配較差，導(dǎo)致混凝土工作性不好，可泵性差。經(jīng)過粗細(xì)砂合理搭配，最終選擇水粉比為 0.34 的配合比。

4 強(qiáng)度及耐久性

(1) 強(qiáng)度評價(jià)：混凝土用 150 mm×150 mm×150 mm 標(biāo)準(zhǔn)試模成型 4 組試塊，分別測定 7 d、14 d、28 d、60 d 抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果見表9。混凝土 60 d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的 117%，滿足 C50 強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

表9 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度 MPa

(2) 電通量：混凝土電通量為 730 C，達(dá)到 Q-IV 級要求。混凝土密實(shí)性好，滿足高性能混凝土耐久性電通量指標(biāo)要求。

(3) 抗?jié)B性：通過測定，按配合比試配的混凝土抗?jié)B等級為 P12。

(4) 收縮：混凝土收縮是指在混凝土凝結(jié)初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小現(xiàn)象，當(dāng)收縮超過某一限度時(shí)混凝土就會(huì)收縮開裂，進(jìn)而影響混凝土耐久性。本次試驗(yàn)研究了混凝土早期塑性收縮，收縮試件按 100 mm×100 mm×515 mm 標(biāo)準(zhǔn)試件成型，成型后立即放入恒溫恒濕密封實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行收縮試驗(yàn)，3 d 收縮總平均值為 5×10-5。

5 工程應(yīng)用和監(jiān)測

經(jīng)過前期大量試驗(yàn)表明，C50 超低水泥用量山砂混凝土各項(xiàng)性能良好，完全滿足泵送施工要求及耐久性要求。國際金融中心項(xiàng)目需一次性澆筑 7 000 m3左右 C50 大體積混凝土，且要求 48 h 內(nèi)澆筑完成。為測定其水化熱，期間布置多個(gè)溫控點(diǎn)，對混凝土溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。為保證混凝土施工質(zhì)量，前期進(jìn)行了嚴(yán)密、科學(xué)的生產(chǎn)、施工組織，通過原材料、混凝土生產(chǎn)與運(yùn)輸、混凝土澆筑、溫控監(jiān)測及養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)的全過程質(zhì)量監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了 C50 山砂大體積混凝土的成功應(yīng)用。

5.1 工作性

生產(chǎn)過程中，對出站混凝土工作性實(shí)時(shí)檢測，保證出站混凝土工作性符合施工要求，具體檢測指標(biāo)見表10。

表10 混凝土工作性指標(biāo)

從表10 所示的取樣檢測試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，1 h 內(nèi)混凝土擴(kuò)展度放大，2 h 開始減小，到 3 h 仍具有一定工作性，完全滿足工程泵送施工要求。

5.2 溫度監(jiān)測

該工程核心筒位置混凝土量最大，溫度最高，溫度控制難度最大，因此選擇 3 號點(diǎn)及 6 號點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控。溫度監(jiān)控3 號點(diǎn)為核心筒剪力墻位置，深 4.5 m；6 號檢測點(diǎn)為核心筒筏板，深 3 m。測溫點(diǎn)平面布置見圖1。

從溫度監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，混凝土澆筑 30 h 左右溫度上升到峰值，3 號點(diǎn)內(nèi)部最高溫度 達(dá) 50. 6 ℃，內(nèi)外溫差最高只有 8.6 K，6 號點(diǎn)最高溫度為 51.2 ℃，內(nèi)外最高溫差只有12.8 K，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定溫差 ≤ 25 K 的要求。

5.3 立方體抗壓強(qiáng)度

經(jīng)現(xiàn)場取樣強(qiáng)度試驗(yàn)，混凝土 28 d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100% 以上，56 d 強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度 110% 以上，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。具體數(shù)據(jù)見表11。

表11 混凝土取樣強(qiáng)度 MPa

6 結(jié) 語

(1) 通過配合比整體優(yōu)化，選用貴州地區(qū)的碎石和山砂，使用 260 kg/m3水泥可以配制出滿足泵送要求的超低水泥用量 C50 山砂大體積混凝土。

(2) 通過調(diào)整水粉比、砂率等技術(shù)手段，可以解決貴州地區(qū)山砂混凝土偏黏、工作性不佳的現(xiàn)象。

(3) 通過調(diào)整外加劑凝結(jié)時(shí)間及外加劑母液種類，可以解決山砂混凝土坍損快、水化溫升快的問題，試驗(yàn)混凝土均能保證 3 h 左右仍具有良好的工作性，混凝土內(nèi)外溫差符合標(biāo)準(zhǔn)要求，均低于 25 K。

(4) 試驗(yàn)立方體抗壓強(qiáng)度、電通量、抗?jié)B及收縮的結(jié)果表明，試驗(yàn)混凝土具有非常好的耐久性，滿足設(shè)計(jì)要求。

(5) 本次超低水泥用量 C50 山砂大體積混凝土的成功應(yīng)用，對于推動(dòng)貴州省高性能混凝土、低水泥用量混凝土在實(shí)際工程中的示范和應(yīng)用，具有重要的參考價(jià)值。