筏板基礎(chǔ)大體積混凝土配合比研究

梁向前

摘要：隨著我國城市化進程的推進，土地供應(yīng)緊張，城市向空間發(fā)展，高層建筑成為城市建設(shè)的主體。高層建筑越來越高，筏板基礎(chǔ)也相應(yīng)變厚，相當(dāng)一部分屬于大體積混凝土。大體積混凝土施工不當(dāng)，易產(chǎn)生裂縫。混凝土澆筑后溫升階段，大體積混凝土內(nèi)部水化熱積聚不易散發(fā)，而外部散熱較快，溫度外低內(nèi)高，形成溫度梯度，混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時，表面就會產(chǎn)生裂縫。混凝土澆筑后溫降階段，水泥水化熱減小，散發(fā)熱量大于水化熱量，溫度降低，體積收縮;水泥凝結(jié)硬化也會產(chǎn)生體積收縮;大體積混凝土水泥水化反應(yīng)用水量大大低于拌合水用量，內(nèi)部大量多余水分的蒸發(fā)造成混凝土體積收縮。收縮變形受到約束作用，產(chǎn)生拉應(yīng)力，超過混凝土的極限抗拉強度就會產(chǎn)生裂縫。

關(guān)鍵詞：配合比;專用水泥;乳化瀝青;相變控溫材料

一、典型工程配合比

通過對近幾年的典型工程[1]～ [3]調(diào)查研究，結(jié)合對北京金隅混凝土、北京住總混凝土公司的大體積混凝土工程實際案例的調(diào)研，對其筏板基礎(chǔ)大體積混凝土配合比情況進行分析研究，見圖1-4。

二、原材料

1水泥

施工規(guī)范：對于有抗?jié)B、抗凍融要求的混凝土，宜選用硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥;設(shè)計規(guī)程：抗?jié)B混凝土的水泥宜采用普通硅酸鹽水泥;大體積混凝土宜采用低、中水化熱水泥;大體積規(guī)范條文說明中指出大體積混凝土大多用普通硅酸鹽水泥。控制標(biāo)準(zhǔn)：摻用礦物摻合料的混凝土，宜采用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥。

礦渣水泥早期水化熱低，使大體積混凝土早期抗拉強度偏低，溫差所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力往往容易超過大體積混凝土的抗拉強度，反而會變得更加容易開裂。另外，由于礦渣水泥的泌水性、干縮性比普通水泥要大，因此選擇收縮較小的普通水泥比選擇礦渣水泥會更有利于大體積混凝土裂縫控制。普通水泥的水化熱稍大，可通過摻入適量的粉煤灰等方法來解決。[4]

通過圖1可知，筏板基礎(chǔ)大體積混凝土，C30-C50，其中C35-C45占83%;抗?jié)B等級P8-P12，其中P8-P10占94%;采用42.5普通硅酸鹽水泥占86%;采用52.5硅酸鹽水泥占12%，采用礦渣水泥的占6%。因此采用42.5普通硅酸鹽水泥，能滿足筏板基礎(chǔ)大體積混凝土要求。

2 細骨料——砂

控制標(biāo)準(zhǔn)：對于有抗?jié)B要求的混凝土，砂中的含泥量和泥塊含量分別不應(yīng)大于3.0%和1.0%;堅固性檢驗的質(zhì)量損失不應(yīng)大于8%。《建設(shè)用砂（GB/T14684-2011）》中Ⅰ、Ⅱ類砂可滿足要求。經(jīng)調(diào)查研究，筏板基礎(chǔ)大體積混凝土均采用中砂，細度模數(shù)主要為2.5～2.9。

3 粗骨料——石子

控制標(biāo)準(zhǔn)：對于大體積混凝土，粗骨料最大公稱粒徑不宜小于31.5mm;抗?jié)B混凝土，粗骨料中的含泥量和泥塊含量分別不應(yīng)大于1.0%和0.5%;堅固性檢驗的質(zhì)量損失不應(yīng)大于8%。大體積規(guī)范：大體積混凝土粗骨料宜選用粒徑5-31.5mm，并連續(xù)級配。施工規(guī)范：抗?jié)B混凝土粗骨料的最大粒徑不宜大于40mm。設(shè)計規(guī)程：泵送混凝土粗骨料的針片狀顆粒含量不宜大于10%。

《建設(shè)用卵石、碎石（GB/T14685-2011）》中Ⅰ、Ⅱ類的卵石、碎石滿足上述要求，其中Ⅱ類的泥塊含量要求≤0.2%。研究發(fā)現(xiàn)，筏板基礎(chǔ)大體積混凝土均采用碎石，其中5～20mm占6.7%，5～25mm占53.3%，5～31.5mm占13.3%，5～40mm占26.7%。基礎(chǔ)大體積混凝土用碎石粒級選擇，鋼筋密集時選5～25mm，泵送管徑控制時選5～31.5mm，不受前兩項控制時宜選5～40mm。

4 水

大體積規(guī)范：拌合用水量不宜大于175 kg/m3。由圖3可知，混凝土拌合用水量≤175 kg/m3占53.3%，>175 kg/m3占46.7%。規(guī)范規(guī)定的用水量可適當(dāng)放寬，當(dāng)然拌合用水量還與混凝土中所用材料的種類、用量等有關(guān)，因此，建議基礎(chǔ)大體混凝土用水量不宜大于180 kg/m3。

5 摻合料

筏板基礎(chǔ)大體積防水混凝土，宜選用水化熱低和凝結(jié)時間長的水泥，宜摻入減水劑、緩凝劑等外加劑和粉煤灰、磨細礦渣粉等摻合料。大體積混凝土中摻粉煤灰，替代部分水泥降低水化熱，同時使混凝土的干縮性能降低，可以改善大體積混凝土的抗裂性能。

大體積規(guī)范：粉煤灰摻量不宜超過膠凝材料用量的40%;礦渣粉的摻量不宜超過膠凝材料用量的50%;粉煤灰和礦渣粉摻合料的總量不宜大于混凝土中膠凝材料用量的50%。根據(jù)設(shè)計規(guī)程，基礎(chǔ)大體積抗?jié)B混凝土宜摻用外加劑和礦物摻合料，粉煤灰等級應(yīng)為Ⅰ級或Ⅱ級。

粉煤灰取代水泥率為30%～40%，水膠比在0.45～0.5之間，粉煤灰混凝土絕熱升溫值最理想，內(nèi)部溫度應(yīng)力最小，對抗裂性能效果最好。[5]

測溫表明，混凝土配合比在水泥用量相同的情況下，摻粉煤灰+礦粉的混凝土中心最高溫度要比只摻粉煤灰的混凝土中心最高溫度高出約5℃。用具體的測溫數(shù)據(jù)證明了礦粉的活性高于粉煤灰。[6] 調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)在基礎(chǔ)大體積混凝土中單摻礦渣粉情況，因此，在基礎(chǔ)大體積混凝土中，不應(yīng)單摻礦渣粉。

不同礦物摻合料摻加情況統(tǒng)計，單摻Ⅰ級粉煤灰1占33%;單摻Ⅱ級粉煤灰僅占7%;摻粉煤灰+礦粉占60%。Ⅱ級粉煤灰，用于沒有特殊要求的工程或部位;不宜配制高強度等級混凝土，必須使用時宜采用與礦渣粉符合使用，同時粉煤灰的比例應(yīng)適當(dāng)降低。礦粉與粉煤灰復(fù)摻改善抗裂性效果優(yōu)于礦粉單摻，粉煤灰與礦渣粉復(fù)合使用最佳方案。

6 外加劑

（1）緩凝型高效減水劑

控制標(biāo)準(zhǔn)：大體積混凝土宜采用緩凝劑或緩凝減水劑;礦物摻合料宜與高效減水劑同時使用。緩凝型高效減水劑，通過減少水的用量，達到減少水泥用量，實現(xiàn)降低水化熱目的;由于緩凝作用，延緩了水泥的水化放熱速度和熱峰值出現(xiàn)時間，推遲大體積混凝土的凝結(jié)硬化速度，防止大體積混凝土早期抗拉強度較低情況下，產(chǎn)生裂縫。

聚羧酸類高效減水劑，不但可以有效減少混凝土水泥用量，還可以大幅減少混凝土收縮，成為工程實踐中裂縫控制的有效技術(shù)途徑。聚羧酸系減水劑與萘系減水劑相比：摻量低，減水率高，用水量少;保坍性能方面、初始坍落度、和易性和擴展度明顯優(yōu)于普通萘系減水劑;7d、14d、28d 強度都高于采用萘系減水劑的混凝土;經(jīng)濟效果好，水泥用量小，整體成本低。通過實際應(yīng)用效果大體混凝土應(yīng)優(yōu)先采用聚羧酸類緩凝型高效減水劑。

（2）膨脹劑

高效減水劑或緩凝劑與硫鋁酸鹽型膨脹劑復(fù)合使用時都會降低膨脹劑的有效膨脹能，磨細礦渣和粉煤灰等礦物摻合料都會影響膨脹劑的膨脹性能特別是早期膨脹效果。在大量摻加粉煤灰的大體積混凝土中膨脹劑的效能很低，應(yīng)適當(dāng)提高膨脹劑摻量。經(jīng)調(diào)查，使用膨脹劑的占27.8%。一般大體積混凝土都使用高效減水劑、緩凝劑、大量粉煤灰，這樣會增加膨脹劑摻量，提高成本。

7 纖維

在相同條件下，聚丙烯纖維混凝土的裂縫寬度比基準(zhǔn)混凝土的裂縫寬度要小得多。不同的聚丙烯纖維摻入混凝土中，都可以有效地控制混凝土的早期塑性收縮裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展并降低裂縫的寬度和長度;當(dāng)混凝土中摻入0. 10%（體積比，質(zhì)量計0.9 kg/m3 ）的聚丙烯纖維時，混凝土的抗裂指數(shù)比和最大抗裂指數(shù)比均可降低50%。其長度變化對混凝土早期塑性收縮裂縫影響不明顯。經(jīng)調(diào)查，摻加聚丙烯纖維的僅占11.1%。

三 、配合比

根據(jù)設(shè)計規(guī)程，大體積抗?jié)B混凝土砂率宜為38%～42%。經(jīng)調(diào)研，93.3%的砂率在38%～42%之內(nèi)。因此基礎(chǔ)大體積混凝土的砂率按設(shè)計規(guī)程，宜為38%～42%。

大體積規(guī)范：水膠比不宜大于0.55。設(shè)計規(guī)程：抗?jié)B混凝土最大水膠比見表2。經(jīng)調(diào)研，水膠比≤0.5占93.3%，因此本項目基礎(chǔ)大體積抗?jié)B混凝土的水膠比不宜大于0.5。

施工規(guī)范規(guī)定，大體積混凝土宜采用后期強度作為配合比、強度評定的依據(jù);基礎(chǔ)混凝土可采用齡期為60d（56d）、90d 的強度等級。由圖4可知，采用60d、90d強度的占56%;筏板基礎(chǔ)大體積混凝土強度等級及抗?jié)B等級均較高時，應(yīng)采用60d（56d）、90d強度。

四 、筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工材料分析

1 筏板基礎(chǔ)大體積混凝土專用水泥

硅酸鹽水泥熟料主要是由硅酸三鈣（C3S）、硅酸二鈣（C2S）、鋁酸三鈣（C3A）、鐵鋁酸四鈣（C4AF）四種礦物組成。其中C3A水化反應(yīng)最快，水化放熱量最大;C3S水化反應(yīng)速度及放熱量僅次于C3A;C2S水化反應(yīng)最慢，水化放熱量最小。影響水泥水化熱的主要成分是C3A，有經(jīng)驗的水泥廠對同一強度等級的水泥有幾個配比，大體積混凝土施工時，要求水泥廠家提供C3A含量低的水泥，這較容易實現(xiàn)。

高貝利特水泥（HBC）是一種含有較多C2S的低熱硅酸鹽水泥，其礦物成分含量：C3S 為25.96%，C2S為43.39%， C3A為3.34%， C4AF為16.45%。其水化熱低于中熱水泥，28d后強度高于中熱水泥。凝結(jié)時間相對較長，早期強度（3d、7d）相對較低;28d、90d齡期的抗折強度明顯高于中熱水泥，90d以前的脆性系數(shù)明顯低于中熱水泥，其抗裂性能優(yōu)于中熱水泥。適于在水工大體積混凝土中推廣應(yīng)用。

2 加入乳化瀝青的大體積混凝土

乳化瀝青混凝土中加入水泥，代替部分礦粉。隨著水泥摻量增加，穩(wěn)定度、抗壓強度和抗壓模量、抗折強度和抗折模量，均呈現(xiàn)增大趨勢。加入水泥對乳化瀝青混合料力學(xué)強度，尤其是剛度，有較大的改善作用。相比普通瀝青膠漿，水泥瀝青膠漿粘度較大，內(nèi)聚力和粘結(jié)力較高，明顯改善了膠漿與集料界面微觀結(jié)構(gòu)，提高了界面的粘結(jié)力以及混凝土的力學(xué)性能。

水灰比相同，A/C（瀝青水泥比）不為零的膠凝材料漿體的放熱速率明顯比A/C為零的小很多，約降低50%，同時其膠凝材料的水化放熱峰明顯往后推延，水化放熱速率峰值出現(xiàn)的時間推遲了2-30h，整體而言瀝青水泥比越高，水化放熱速率峰值出現(xiàn)的時間滯后就越長。

參照乳化瀝青混凝土中加入水泥做法，在大體積混凝土中加入乳化瀝青，提高混凝土的極限拉伸性能，降低混凝土溫度變形系數(shù);乳化瀝青中的水分能代替部分用水量，即減少了水的用量，降低水泥用量，減少水化熱的作用;降低放熱速率，推遲水化放熱速率峰值出現(xiàn)的時間。理論上在大體積混凝土中加入乳化瀝青，能有效地控制大體積混凝土的裂縫。

3 大體積混凝土相變控溫材料

利用相變材料在特定溫度范圍的熱效應(yīng)控制混凝土內(nèi)部溫度場，從而機敏控制溫度應(yīng)力防止溫度裂縫。將摻入相變材料并具有一定的控溫效果的混凝土稱為相變控溫混凝土。

可采用價廉的工業(yè)級石蠟作為大體積混凝土控溫材料。石蠟作為儲熱相變材料具有：相變潛熱高、性能穩(wěn)定、無毒、無腐蝕性、價格便宜、無過冷及析出現(xiàn)象。摻相變材料石蠟的砂漿和易性和強度試驗表明，體積代砂法優(yōu)于質(zhì)量代砂法。同普通砂漿砂漿相比，體積代砂法的和易性略高;孔隙率略有降低，平均孔徑均高于普通砂漿;強度均低于普通砂漿，28d抗折、抗壓強度分別降低20%、26%。石蠟顆粒采用體積代砂法，顆粒級配應(yīng)符合要求，滿足Ⅱ區(qū)的篩分曲線。可以降低大體積混凝土內(nèi)部最高溫升值，當(dāng)石蠟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時，中心點最高溫升值可降低5.56℃。

將有機膨潤土與癸酸按一定比例制成相變控溫儲能納米件;采用乳液和高強水泥包覆相變控溫儲能納米元件形成的相變砂，其與混凝土組分的和易性較好;相變砂為中粗砂時，適當(dāng)增加減水劑的摻量，在相變砂代砂25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時，可以使摻相變砂的混凝土基本達到基準(zhǔn)混凝土坍落度和強度的要求;相變砂的摻入對混凝土的粘聚性、保水性、耐久性無不良影響;模擬大體積混凝土溫升試驗表明，摻入相變砂后大體積混凝土中心最高溫度為44℃，較基準(zhǔn)試樣降低了4.5℃。

大體積混凝土中摻入相變材料，可降低大體積混凝土升溫速度和降溫速度，防止混凝土因降溫過快而產(chǎn)生的溫度裂縫。中采用石蠟作為相變材料，唯一不足是砂漿強度較普通砂漿降低較多，未與設(shè)計值對比，未做混凝土強度對比，特別是60d強度是否能達到設(shè)計要求。中的相變砂制作較麻煩，成本沒有比較。

五 、某筏板基礎(chǔ)大體積混凝土施工配合比

通過比對發(fā)現(xiàn)：（1）混凝土中加入適當(dāng)比例的膨脹劑能有效補償混凝土收縮裂縫，但是成本較高。（2）纖維對混凝土早期塑性收縮裂縫影響不明顯。（3）高貝利特水泥在強度和柔性上都優(yōu)于中熱水泥，但是在考察的混凝土公司對于民用建筑的大體積混凝土中無具體應(yīng)用。（4）乳化瀝青代替礦粉能有效的控制裂縫而本項目調(diào)研的混凝土公司均無經(jīng)驗案例。（5）變相材料制作麻煩且成本上無有效案例佐證。

通過對廠家成功案例、技術(shù)成熟度以及項目造價要求確定混凝土采用：42.5普通硅酸鹽水泥;Ⅰ、Ⅱ類的中粗砂;Ⅰ、Ⅱ類連續(xù)級配碎石;采用聚羧酸類緩凝型高效減水劑進行試配實驗確定混凝土配合比。

通過混凝土試配實驗，本項目大體積混凝土筏板基礎(chǔ)，采用42.5普通硅酸鹽水泥;Ⅰ、Ⅱ類的中粗砂，細度模數(shù)2.5～2.9;Ⅰ、Ⅱ類連續(xù)級配碎石，根據(jù)實際情況選擇5～31.5mm;用水量180 kg/m3;采用聚羧酸類緩凝型高效減水劑。砂率控制為41%，水膠比0.4。本項目基礎(chǔ)筏板分為3個施工段施工日期為2013年10月23日～11月8日。經(jīng)檢查無裂縫;56d標(biāo)養(yǎng)強度平均值52Mpa;現(xiàn)場同條件600度天強度48.6Mpa，大體積混凝土施工成功完成。

結(jié)? 論

基礎(chǔ)大體積混凝土，宜采用42.5普通硅酸鹽水泥;Ⅰ、Ⅱ類的中粗砂，細度模數(shù)2.5～2.9;Ⅰ、Ⅱ類連續(xù)級配碎石，根據(jù)實際情況分別選擇5～25mm、5～31.5mm、5～40mm;用水量不宜大于180 kg/m3;不宜采用單摻Ⅱ級粉煤，不應(yīng)單摻礦渣粉;宜采用聚羧酸類緩凝型高效減水劑;建議不使用膨脹劑;根據(jù)工程抗裂需要摻加聚丙烯纖維;砂率宜為38%～42%，水膠比不宜大于0.5;強度等級及抗?jié)B等級均較高時，應(yīng)采用60d（56d）、90d強度。建議研究生產(chǎn)筏板基礎(chǔ)大體積混凝土專用水泥，加強在大體積混凝土中加入乳化瀝青、相變控溫材料的研究，特別要注重其應(yīng)用性。

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