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大体积混凝土配合比设计及工程应用

有253人浏览 日期:2020-09-10放大字体  缩小字体

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 引言
 
现代建筑中时常涉及到大体积混凝土施工,如高层楼房基础、大型设备基础、水利大坝等。由于大体积混凝土水泥水化热释放集中,内部升温快,混凝土内外温差较大时,会使混凝土产生温度裂缝,影响结构安全和正常使用。为解决裂缝问题,王铁梦教授提出“跳仓法”施工方法;吴中伟院士首创了“膨胀混凝土后浇带”方法。本项目通过前期大量的试验和工程应用,利用补偿收缩混凝土技术,结合跳仓法施工,大幅度减少后浇带数量,控制混凝土的中心温度峰值并延迟峰值出现的时间,来解决混凝土硬化期间由于水泥水化热过程释放的水化热所产生的温度应力和混凝土干缩应力的共同作用,导致钢筋混凝土结构的开裂及耐久性问题。
 
1 工程概况
 
丰台火车站改建工程(站房),建筑面积39.88万m2,共5层,地上4层,地下一层,属国家重点工程,完成后将成为亚洲最大的火车站。筏板基础东西向长364.5m,宽320.5m,筏板基础底板厚度分别为900mm、1200mm、1300mm、2000mm、2500mm,属于超长大体积混凝土结构,普遍超长超厚,而且厚度变化大。
 
2 试验部分
 
采用60天强度作为混凝土的验收强度,考虑北京地区市售的水泥品种状况,无法选择中热或低热水泥,只能选择普通硅酸盐水泥,通过大掺量粉煤灰控制混凝土的中心温度峰值,掺加膨胀剂补偿混凝土收缩,采用自制聚羧酸高性能减水剂,配合比设计时采用低胶凝材料和低水胶比原则来控制混凝土的干缩和水化热引起的温度应力。
 
2.1 原材料
 
水泥:P·O 42.5低碱水泥,其性能指标见表1。
 
粉煤灰:大唐同舟F类Ⅱ级粉煤灰,其性能指标见表2。
 
矿粉:三河天龙S95级矿粉。
 
骨料:张家口福泰天然砂,属Ⅱ区中砂;涞水顺合5~25mm连续级配碎石。
 
膨胀剂:中岩科技,Ⅱ型。
 
减水剂:自行研制的减缩型聚羧酸高性能减水剂,其性能指标见表3。
 
 
2.2 大体积混凝土主要技术指标
 
质量要求:强度等级为C40P10;现场入模坍落度为(200±20)mm;混凝土和易性良好,无离析泌水现象;夏季初凝时间不小于20h,终凝时间不大于30h,冬季初凝时间不小于16h,终凝时间不大于24h。
 
温度指标:大体积混凝土入模温度控制在5~30℃;浇筑体在入模温度基础上的温升值不大于50℃;且控制混凝土中心最高温度不超过70℃;混凝土里表温差不大于25℃;降温速率不大于2℃/d;拆除保温覆盖时混凝土浇筑体表面与大气温差不大于20℃。
 
2.3 试验方案
 
根据影响混凝土性能的主要因素,设计四水平五因素正交试验(见表4)。
 
采用正交试验优选配合比→检测胶材水化热、凝结时间等性能→初选较佳配合比,初步筛选2~3组合理配合比→检测绝热温升、收缩等性能→选择适宜配合比、配合比调整→机组试生产。
 
3 结果与讨论
 
3.1 拌合物性能及拌合物水化热
 
利用正交试验检测混凝土拌合物性能及凝结时间,结果见表5。由表5可知,凝结时间符合技术要求。从出机坍落度进行正交对比分析,效应曲线图如图1所示。由图1可知,选A2B4C1D2E3效果最优,水胶比和胶材总量两个因素对拌合物坍落度的影响最大,其次是砂率。
 
 
从胶凝材料的3天水化热进行正交对比分析,效应曲线图如图2所示。由图2可知,矿物掺合料的掺量对水化热影响大,且随着掺合料掺量的增加,水化热降低,粉煤灰掺量的影响大于矿粉掺量的影响。
 
3.2 力学性能
 
正交试验混凝土抗压强度测定值如图3所示。工程要求混凝土60天强度达到设计值的100%~120%,依据JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》,混凝土的配制强度为48~56MPa。结合图1、图2,最终选定混凝土
 
A2B4C1D2E3为参考配合比。以该配比为基准,掺加Ⅱ型膨胀剂,经试验,掺量为5%时,14天水中限制膨胀率达到0.023%,满足设计要求。初步确定的大体积混凝土配合比,及普通混凝土配合比见表6。
 
 
3.3 绝热温升
 
用表6初步确定的大体积混凝土配合比,进行绝热温升试验,试验结果如图4所示。一般情况下,普通混凝土3天达到温峰值。由图4可知,采用大掺量粉煤灰及自行研制的聚羧酸减水剂,混凝土绝热温升的峰值出现在第6天后,中心温度最大值小于60℃,满足工程要求。
 
3.4 收缩性能
 
对表6初步确定的大体积混凝土配合比和普通混凝土配合比进行收缩性能试验,结果如图5所示。
 
由图5可知,掺加膨胀剂和自制外加剂,大幅降低了混凝土的收缩,有利于混凝土裂缝的控制。混凝土拌合物性能、力学性能、绝热温升、收缩性能的测试结果证明,所设计的配合比完全满足工程要求。
 
4 工程应用
 
4.1 施工技术控制
 
采用膨胀加强带结合跳仓法的施工方式,控制混凝土拌合性能及凝结时间。施工时大气平均气温30℃,入模温度小于30℃,边浇筑成型边用塑料薄膜覆盖保湿。养护质量对于裂缝控制及耐久性都很重要,尽早保温保湿养护,防止表面失水干燥和剧烈降温。进行充分的保温、保湿养护,可以让膨胀剂充分发挥膨胀效应。
 
4.2 温度监控
 
沿浇筑体厚度方向测点布置(如图6所示)。依据监测数据适当增减覆盖保温层厚度。混凝土不同测点中心位置的温度监控如图7所示。
 
 
由图7可知,混凝土中心温度的峰值出现在第5天,与试验室的监测存在一定差异,但也有效地推迟了峰值出现的时间,比普通混凝土的峰值出现时间晚2天,这对于裂缝控制是十分有利的。在混凝土降温阶段,采取的措施适当,控制混凝土降温速率不大于2℃/d。
 
4.3 项目裂缝控制效果
 
现场混凝土拌合物的和易性良好,可泵性良好,满足施工要求(如图8所示),综合原材、配合比、施工、养护等各方面控制,混凝土质量得到保证,没有出现裂缝(如图9所示)。现场留置的混凝土强度试件、抗水渗透试件、限制膨胀率试件试验结果见表7,均达到设计要求。
 
 
 
结论
 
(1)对于超长超厚的大体积混凝土采用跳仓法,结合膨胀加强带的方法,可以有效控制混凝土裂缝,大幅减少后浇带的数量。
 
(2)通过大掺量粉煤灰控制混凝土的中心温度峰值、掺加膨胀剂补偿混凝土收缩及采用减缩型的聚羧酸高性能减水剂,配合比设计时采用低胶凝材料和低水胶比能有效控制混凝土的干缩和水化热引起的温度应力。
 
(3)由于现场环境影响因素多,大体积混凝土中心温度的温升规律性与试验室中混凝土的绝热温升存在一定的差异,可对造成该差异的因素做进一步研究。
 
(4)控制好原材、配比、施工,大体积混凝土的养护和监控尤为重要。混凝土早期养护能够保证水化的温度和防止混凝土早期表面失水,同时养护可以补充混凝土早期水化需要的水分,有助于水泥水化的进行。合理充分的养护可以显著提高混凝土耐久性,混凝土的早期养护更是决定混凝土后期性能的关键。(来源:《混凝土世界》020.07)
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