建筑工程混凝土材料配合比设计与检测

张 献 伟

（广东盈通检测技术咨询服务有限公司，广东 中山 528455）

0 引言

建筑工程常涉及大体积混凝土施工，水泥用量较多，剧烈的水化反应会释放过多的热量，致使大体积混凝土温度升高，引起开裂。合理选择原材料、设计配合比及加强温度监测控制均是保证大体积混凝土施工质量的重要方式，因此研究混凝土配合比设计方式与温度检测技术具有重要意义。

1 工程概况

本文以广东省中山市德商·樾玺一期1#，2#，3#，5#，6#，12#，13#及地下室工程为例，该工程主楼基础面积约2 800 m2，为桩筏基础，主楼部分的基础底板厚度为3.0 m，采用强度等级C40、抗渗等级P8的混凝土。施工恰逢夏季，平均气温在30 ℃以上，混凝土易由于高温而产生裂缝。基于此，应精心选材、优化配合比，加强温度监控，以进一步保障底板大体积混凝土施工质量。

2 大体积混凝土的原材料

2.1 水泥

水泥水化时释放热量，导致混凝土温度升高，加大内外部温差，混凝土结构可能会产生裂缝。在控制混凝土温度方面，挑选水泥品种和降低水泥用量至关重要。水泥以选用粉煤灰硅酸盐水泥为宜，但本工程所在地区的粉煤灰硅酸盐水泥供应困难，因此采用P·O42.5 普通硅酸盐水泥掺粉煤灰、矿渣粉的方法，同时用适量外加剂以减少水泥用量，可缓解水泥水化热。水泥的力学性能指标包含标准稠度用水量、凝结时间、水化热及强度，具体见表1。

表1 水泥力学性能指标

2.2 矿物掺合料

2.2.1 粉煤灰

粉煤灰与水泥的水化产物Ca（OH）2发生二次水化生成水化硅酸钙凝胶，此产物难溶于水，可填充至混凝土的孔隙内，使结构具有更高的强度和抗渗性能。由于粉煤灰颗粒较细，可填充至混凝土的孔结构中，使混凝土更加密实。同时，粉煤灰还具有提高混凝土后期强度及保障耐久性的作用。

根据大体积混凝土工程施工要求及当地粉煤灰供应情况，采用的是Ⅱ级F 类粉煤灰，细度14 um～25 um（45 um 方孔筛筛余≤25%），密度2 400 kg/m3，含水量0.1%，SO3含量2.34%，需水量比98%，增加强度活性指数77，粉煤灰对水泥无不良反应[1]。

2.2.2 矿渣粉

高炉炼铁熔融的矿渣遇冷后产生玻璃态物质，即高炉矿渣粉，此类材料经水冷却后具有较强的活性，可作为水泥的活性混合材料进行使用。在大体积混凝土中掺入矿渣粉后，由于掺入料的28 d 活性指数高，可有效改善混凝土的流变性，方便施工，同时将提高混凝土的后期强度和耐久性。

在本建筑工程中，选用的是S95 级粒化高炉矿渣粉，7 d，28 d 的活性指数分别为83%，102%，比表面积为491 m2/kg，流动度比为98%。

2.3 骨料

2.3.1 细骨料

根据规范要求，建议采用含泥量不超过2%、细度模数为2.6～2.9 的Ⅱ区中砂，本工程选择的细骨料含泥量为1.3%、细度模数为2.6 的河砂，此细骨料的泥块含量控制在0.1%以内，表观密度、堆积密度分别为2 650 kg/m3，1 520 kg/m3，级配见表2。

表2 细骨料（河砂）的级配

2.3.2 粗骨料

选择粗骨料需重点关注颗粒级配和最大粒径，在本建筑工程中，将5 mm～31 mm 连续级配石子作为粗骨料，针片状含量4.6%，含泥量为0.20%，不含有泥块，表观密度2 740 kg/m3，压碎指标6.8%[2]。

2.4 外加剂

2.4.1 减水剂

施工期间气温高，需要延缓水化热的释放速度，避免混凝土过快凝结。因此，采用HPWR-R 缓凝型聚羧酸减水剂使大体积混凝土初凝时间超过17 h、终凝时间约20 h，初凝后，强度于短时间内大幅提高。减水剂的性能指标包含减水率、pH 值、抗压强度及密度，具体见表3。

表3 HPWR-R 缓凝型聚羧酸减水剂主要性能指标

2.4.2 其他外加剂

SY-K 抗裂防水剂的作用在于控制大体积混凝土收缩，可避免因剧烈收缩而产生裂缝。

3 配合比设计思路

1）根据混凝土性能要求和材料用量控制要求设计大体积混凝土的配合比，在不影响混凝土强度的前提下，可减少水泥用量、增加矿物掺合料的用量，从而减少水泥的水化热，避免因水化热升温而引起塑性收缩，以防大体积混凝土结构产生裂缝。

2）精心挑选粗骨料，发挥出此类材料对大体积混凝土收缩的限制作用，合理控制粗骨料的粒径、含泥量等指标，并控制粗骨料的用量。在不影响大体积混凝土性能的前提下降低砂率，以防混凝土自收缩[3]。

3）合理控制各类材料的用量，材料之间无不良反应，按配合比拌制混凝土，使其综合性能满足工程要求。

4 基准配合比设计

4.1 配合比设计

以60 d 龄期作为评定大体积混凝土强度的依据，严格遵循设计规程，科学设计大体积混凝土的配合比。经过初步计算和试拌调整后，确定基准配合比，再根据建筑工程对大体积混凝土的性能要求调节材料的用量，得到更具可行性的配合比，保证混凝土在温度方面满足工程要求，各项性能均可靠。外加剂是改善混凝土性能的重要材料，以膨胀剂为例，本文采用CSA 膨胀剂(主要成分是无水硫铝酸钙)，用量取胶凝材料用量的8%。

4.1.1 混凝土配制强度

混凝土强度标准差σ=5.0，则混凝土配制强度按下式计算：

式中：fcu，0为混凝土配制强度，fcu，k为混凝土设计强度，MPa。

4.1.2 水胶比水胶比计算公式如下：

式中：fb为胶凝材料强度，MPa，此处取42.8 MPa；αa，αb为回归系数，分别取0.53，0.20。经计算：W/B=0.43。

4.1.3 混凝土的用水量

本工程大体积混凝土的用水量按过往工程经验控制在165 kg/m3。

4.1.4 原材料用量

水泥用量mc0=260 kg/m3；粉煤灰用量mf10=80 kg/m3；矿渣粉用量mf20=80 kg/m3；减水剂用量ma0=9.5 kg/m3；膨胀剂用量ma1=34 kg/m3。

4.1.5 砂率

大体积混凝土砂率的控制区间为35%～42%，由于大体积混凝土需施工便捷、质量可靠，因此确定砂率βs=40%。

4.1.6 砂、石的用量

以重量法计算砂、石的用量。

1）混凝土密度的计算

mcp=mb0+mw0+mg0+ms0+ma0=2 360 kg/m3（混凝土的假定密度）

2）砂、石总量的计算

砂用量：ms0=mg0+ms0·βs=709 kg/m3；

砂石总量：mg0+ms0=mcp-mb0-mw0-ma0=1 767 kg/m3。

初步计算后，确定强度等级C40、抗渗等级P8的混凝土的砂率为40%，水胶比为0.43。

4.2 性能试验

1）混凝土的基本性能主要指的是坍落度、扩展度及凝结时间（初凝960 min、终凝1 150 min），试验结果见表4。

表4 C40P8 混凝土基本性能

2）混凝土强度方面，考虑7 d，14 d，28 d，60 d的强度，抗压强度分别为24.1 MPa，32.8 MPa，40.1 MPa，48.3 MPa。

5 大体积混凝土的理论温差计算

5.1 入模温度计算

施工期间当地平均温度超30 ℃，需严格控制混凝土入模温度，以免由于温度异常而产生裂缝，具体方法为：以洒水的方式降低砂石的温度，以22 ℃为宜；大气平均温度设为30 ℃，将砂的含水率控制在4%[4]。

材料的温度分别为：水泥温度Tce=50 ℃、粉煤灰温度Tr=30 ℃、矿粉温度Tk=30 ℃、砂温度Tsa=22℃、石子温度Tg=22 ℃、拌合水温度Tw=20 ℃。

混凝土拌合温度为24.5 ℃，出机温度为24.9℃，浇筑成型后的温度为25.8 ℃。混凝土运转次数为2 次，拌合运输时间为0.7 h，温度损失系数为0.25。

5.2 绝热温度计算

混凝土内部最高温度Tmax=54.5 ℃，绝热温度Th=54.4 ℃。混凝土浇筑、振捣完成后，向表面覆盖草袋进行养护，表面与大气的最大温差为4.9 ℃，混凝土中心与表面的最大温差为19.6 ℃，满足温差在25℃以内的要求，因此混凝土的温度合理，可避免温度应力裂缝的产生，由此也证明原材料类型、配合比及施工工艺的可行性。

6 大体积混凝土温度监测结果

以预埋热传感装置的方式监测大体积混凝土各龄期的温度，根据温度监测结果采取控温措施，减小混凝土内部与表面的温差及表面与环境的温差，以免产生温度裂缝。测温点布设位置准确，热传感装置稳定可靠，混凝土浇捣完成后便开始监测温度，测温频率根据施工时间而定：混凝土浇筑和振捣完成的前3 d，每2 h 进行1 次测温；第4 d～6 d，测温间隔时间延长至4 h；第7 d～9 d，每8 h 测温1次。经过连续9 d 的温度监测后，汇总大体积混凝土的测温数据，绘制不同龄期的温度变化曲线（见图1）。

图1 不同龄期的温度变化曲线

由图1 可知：大体积混凝土内部最高温度为58.9 ℃，最大温差、最小温差分别为24 ℃，12.6 ℃；测温全过程中温差均在25 ℃以内，温度得到有效控制，大体积混凝土可在适宜的温度下有效成型，实际施工效果达到预期。

7 结论

1）建筑工程大体积混凝土配合比设计需以强度达标为前提，以控制内部温度升高的基本目标，精心挑选原材料并控制各类材料的用量，按照科学的配合比拌制混凝土后进行浇筑、振捣。施工期间，控制混凝土入模温度，减小混凝土内外温差，避免温度裂缝的出现。

2）混凝土配合比设计时，需计算混凝土内部最高温度，根据计算数据采取温度控制措施，尽可能在源头上避免温度裂缝。

3）通过粉煤灰的应用，适当降低水泥用量，缓解水化热；掺入缓凝型外加剂，减弱混凝土的水化热作用；选择合适的矿物掺合料及膨胀剂，改善大体积混凝土的性能；用适量冰水搅拌，防止大体积混凝土在拌合阶段便出现明显的温度升高现象。

4）大体积混凝土浇筑完成后，及时覆盖保温材料，减小混凝土内部和表面的温差。

5）通过热传感器监测大体积混凝土的温度，在不同龄期以不同的频率监测，判断实测温度及温差是否在许可范围内，以温度监测信息为指导，采取控温措施，使大体积混凝土在合适的温度条件下有效成型。