超低水泥用量 C50 山砂大体积混凝土的研制

目前，贵州地区 C50 及以上的混凝土应用较少，而C50 大体积混凝土更是未曾在工程中实际应用。通过对原材料选择、配合比设计、新拌混凝土工作性能、混凝土长期耐久性能等研究，配制出了工作性能良好的超低水泥用量C50 山砂大体积高性能混凝土，应用于贵阳国际金融中心1 号楼大底板浇筑，一次性浇筑方量达到 7 000 m3。

1 研发难点

研发难点主要分为技术、材料控制、施工 3 个部分。

(1) 技术难点：山砂较河砂需水量更大，使用山砂配制混凝土时，如果控制不好，会增加混凝土用水量及黏度，很容易造成混凝土过黏、泵送性差等问题。因而必须采取相应的技术手段，保证混凝土具有良好的工作性能及长期耐久性能。

(2) 材料控制难点：山砂存在级配较差、两级分化严重、颗粒形状不规整、石粉含量偏高、MB值偏高等特点，加上砂品种多样化、碎石针片状多等问题，很容易造成混凝土出现质量问题。为了达到本课题研究目的，必须对原材料进行优选和组合。

(3) 施工难点：山砂混凝土保坍性能较差，为了满足正常施工，混凝土需保证至少在 2 h 以上的时间内仍具有良好的工作性能，才能避免出现坍落度的损失，以防造成堵管等施工问题。

2 原材料选择

考虑到运输、成本、水化热控制等因素，以贵阳国际金融中心周边的原材料为基础进行优选。所选用原材料如下：

(1) 水泥：选用海螺 P·O42.5 普通硅酸盐水泥。该水泥质量稳定、强度富余系数大，主要性能指标见表1。

表1 水泥性能指标

(2) 矿粉：选用遵义地区 L70 级普通磷渣粉。该矿粉质量稳定，主要性能指标见表2。

表2 矿粉性能指标

(3) 粉煤灰：选用贵州大量使用的 F 类 Ⅱ 级粉煤灰。其性指标见表3。

表3 F 类 Ⅱ 级粉煤灰常规性能指标 %

(4) 粗集料：选用贵阳某砂厂生产的 5～31.5 mm 连续级配碎石。其颗粒形状良好，性能指标见表4。

表4 粗集料性能指标

(5) 细集料：通过大量试验验证，发现选择两种砂搭配使用效果比单一使用效果好很多，因此选用两种砂搭配，均为贵阳白云附近砂厂所生产的砂。其性能指标见表5。

表5 细集料性能指标

(6) 外加剂：选用贵阳某厂家生产的高效聚羧酸减水剂。其固含量达到 14%，砂浆减水率 25%，混凝土减水率28%，初凝时间 12 h，终凝时间 18 h。

3 配合比设计

本试验参照 JGJ 55─2011《普通混凝土配合比设计规程》及 GB 50496─2009《大体积混凝土施工规范》进行配合比设计，混凝土设计强度以 60 d 抗压强度为准。通过大量试验，初步确定胶凝材料用量及各组分比例，根据砂质量及混凝土工作性能初步确定各组混凝土的砂用量、砂率及用水量，外加剂掺量固定，同时根据后期强度，确定了混凝土基准试验配合比，混凝土基准试验配合比详见表6。

表6 混凝土基准试验配合比

新拌混凝土初始工作性见表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/扩展度仍有 215/550，倒坍时间只有 5.4 s，说明混凝土 2 h 后仍有很好的流动性及良好的施工性能，满足长时间施工要求。

通过大量试验证明，混凝土在砂石质量不变及保持胶凝材料不变的情况下，水粉比对混凝土工作性影响较大。水粉比对新拌混凝土工作性影响见表8。

表8 水粉比对混凝土工作性影响

试验表明，水粉比在 0.34 左右时，混凝土工作性最佳，此时的山砂混凝土黏度、稠度最好。由表8 可知，当水粉比为 0.32 时，全用细砂，粉底有 12.7%，混凝土偏黏；当水粉比为 0.37 时，全用粗砂，粉底基本为 4.5%，砂级配较差，导致混凝土工作性不好，可泵性差。经过粗细砂合理搭配，最终选择水粉比为 0.34 的配合比。

4 强度及耐久性

(1) 强度评价：混凝土用 150 mm×150 mm×150 mm 标准试模成型 4 组试块，分别测定 7 d、14 d、28 d、60 d 抗压强度，试验结果见表9。混凝土 60 d 强度达到设计强度的 117%，满足 C50 强度设计要求。

表9 混凝土立方体抗压强度 MPa

(2) 电通量：混凝土电通量为 730 C，达到 Q-IV 级要求。混凝土密实性好，满足高性能混凝土耐久性电通量指标要求。

(3) 抗渗性：通过测定，按配合比试配的混凝土抗渗等级为 P12。

(4) 收缩：混凝土收缩是指在混凝土凝结初期或硬化过程中出现的体积缩小现象，当收缩超过某一限度时混凝土就会收缩开裂，进而影响混凝土耐久性。本次试验研究了混凝土早期塑性收缩，收缩试件按 100 mm×100 mm×515 mm 标准试件成型，成型后立即放入恒温恒湿密封实验室内进行收缩试验，3 d 收缩总平均值为 5×10-5。

5 工程应用和监测

经过前期大量试验表明，C50 超低水泥用量山砂混凝土各项性能良好，完全满足泵送施工要求及耐久性要求。国际金融中心项目需一次性浇筑 7 000 m3左右 C50 大体积混凝土，且要求 48 h 内浇筑完成。为测定其水化热，期间布置多个温控点，对混凝土温度进行实时监测。为保证混凝土施工质量，前期进行了严密、科学的生产、施工组织，通过原材料、混凝土生产与运输、混凝土浇筑、温控监测及养护等各个环节的全过程质量监控，实现了 C50 山砂大体积混凝土的成功应用。

5.1 工作性

生产过程中，对出站混凝土工作性实时检测，保证出站混凝土工作性符合施工要求，具体检测指标见表10。

表10 混凝土工作性指标

从表10 所示的取样检测试验数据可知，1 h 内混凝土扩展度放大，2 h 开始减小，到 3 h 仍具有一定工作性，完全满足工程泵送施工要求。

5.2 温度监测

该工程核心筒位置混凝土量最大，温度最高，温度控制难度最大，因此选择 3 号点及 6 号点进行监控。温度监控3 号点为核心筒剪力墙位置，深 4.5 m；6 号检测点为核心筒筏板，深 3 m。测温点平面布置见图1。

从温度监控数据发现，混凝土浇筑 30 h 左右温度上升到峰值，3 号点内部最高温度 达 50. 6 ℃，内外温差最高只有 8.6 K，6 号点最高温度为 51.2 ℃，内外最高温差只有12.8 K，符合标准规定温差 ≤ 25 K 的要求。

5.3 立方体抗压强度

经现场取样强度试验，混凝土 28 d 强度达到设计强度100% 以上，56 d 强度达到设计强度 110% 以上，符合标准要求。具体数据见表11。

表11 混凝土取样强度 MPa

6 结 语

(1) 通过配合比整体优化，选用贵州地区的碎石和山砂，使用 260 kg/m3水泥可以配制出满足泵送要求的超低水泥用量 C50 山砂大体积混凝土。

(2) 通过调整水粉比、砂率等技术手段，可以解决贵州地区山砂混凝土偏黏、工作性不佳的现象。

(3) 通过调整外加剂凝结时间及外加剂母液种类，可以解决山砂混凝土坍损快、水化温升快的问题，试验混凝土均能保证 3 h 左右仍具有良好的工作性，混凝土内外温差符合标准要求，均低于 25 K。

(4) 试验立方体抗压强度、电通量、抗渗及收缩的结果表明，试验混凝土具有非常好的耐久性，满足设计要求。

(5) 本次超低水泥用量 C50 山砂大体积混凝土的成功应用，对于推动贵州省高性能混凝土、低水泥用量混凝土在实际工程中的示范和应用，具有重要的参考价值。