大体积混凝土原材料、配合比与混凝土温升及防裂性能之间的关系

2011-03-13吴建勇

大坝与安全 2011年2期

吴建勇

（丽水利源工程咨询有限公司，浙江丽水323000）

0 前言

混凝土原材料的选用对混凝土的性能有着十分重要的影响。岩寨电站大坝工程混凝土原材料的选用均严格按国家规范标准进行控制，严把材料使用关，对混凝土工程使用的水泥、粉煤灰、粗细骨料、外加剂及水等进行了有效的监控，并重点对混凝土原材料在混凝土水化热温升方面的影响进行了研究。

岩寨电站大坝工程混凝土原材料中水泥主要采用中热水泥，通过长期的试验和应用，中热水泥混凝土施工技术已十分成熟，取得了良好的效果。混凝土水化热温升主要取决于水泥用量，为进一步降低混凝土水化热温升，减小混凝土内外温差，防止温度裂缝产生，对该工程采用的混凝土配合比进行了进一步的优化。

为了解不同的水泥品种和混凝土水化热温升之间的关系，丰富和提高大体积混凝土大坝综合防裂施工技术，在该工程施工过程中，对使用的几种标号的混凝土采用了掺低热水泥混凝土施工。从现场施工的情况看，掺低热水泥混凝土除了早期强度较低、冬季低温季节对施工有一定影响外，其余均能满足设计要求。从采用掺低热水泥浇筑的坝段内部温度监测成果看，混凝土拌制时掺用低热水泥，在混凝土水化热温升方面优于中热水泥，更利于混凝土内部温度控制，为大体积混凝土快速施工提供了有力的保障。

1 混凝土原材料研究

1.1 水泥

岩寨电站大坝工程混凝土原材料中水泥主要采用中热水泥，为了解不同的水泥品种和混凝土水化热温升之间的关系，在右非2号坝段混凝土施工时改用低热水泥混凝土。同时，进行了中热水泥和低热水泥强度及水化热对比试验，结果见表1。

由表1可以看出：低热水泥3 d强度较低，28 d强度能够满足设计要求；低热水泥水化热比中热水泥低，混凝土水化热引起的温升较小。为了解低热混凝土内部水化热温升，在右非2号坝段采用低热水泥混凝土施工的部位埋设了温度计进行温度观测，并与右非2号坝段同期、同标号中热水泥混凝土中埋设的温度计观测成果进行比较。数据显示：低热水泥混凝土水化热最高温升为22.5℃，出现在混凝土浇筑后的第7天，而中热水泥混凝土水化热最高温升为24.2℃，出现在混凝土浇筑后的第5天；从温度变化过程来看，低热水泥混凝土内部温度发展规律和中热水泥基本一致，但低热水泥混凝土早期温度全程均低于中热水泥混凝土，最高温度也低于掺中热水泥混凝土。温度观测成果见图1。

表1 中热水泥和低热水泥强度、水化热试验成果Table 1:Test results of intensity and hydration heat of moderate heat and low heat cement

试验证明：采用低热水泥混凝土比相同要求的中热水泥混凝土水化热最高温升平均低2℃～3℃，有利于控制大体积混凝土内部温度，采用低热水泥对大体积混凝土内部温度控制更为有利。低热水泥混凝土后期强度满足设计要求，并略高于中热水泥混凝土，但由于低热水泥混凝土早期强度较低，在该地区冬季低温季节施工时，对混凝土水平缝面冲毛及模板施工存在一定影响，在夏季高温季节可推广使用。

1.2 外加剂

图1 低热和中热水泥混凝土内部温度观测成果图Fig.1 Observation result of interior temperature of low heat and moderate heat cement

外加剂是在混凝土拌制时掺入，用以减少用水量、改善混凝土性能的物质，现已发展为拌制混凝土不可缺少的组分，其品质的优劣将直接影响到混凝土质量、施工进度和工程造价。选用品质优良、减水率高的外加剂是降低混凝土用水量的重要措施，利用高效减水剂能大幅度降低水泥用量，有效减少水化热对混凝土产生的温升。外加剂的选择已成为混凝土配合比设计中优选原材料的重要内容。为适应岩寨电站大坝工程施工浇筑强度高、仓面大的特点，需选用缓凝高效减水剂；对于有抗冻、抗渗要求的混凝土，还需在混凝土中掺用引气剂以引入结构合理的气泡，使混凝土达到合适的含气量。在岩寨电站大坝工程主要标号混凝土配合比试验中，于2004年10月选用JG3、ZB-1A高效缓凝减水剂及Air202引气剂进行了全面试验；2005年2月又掺用X404、JM-ⅡC高效缓凝减水剂及Air202引气剂再次进行了混凝土配合比全面试验。

（1）减水剂

掺外加剂（ZB-1A、JG3、JM-Ⅱ、JM-ⅡC、X404-C五种减水剂）混凝土性能试验按照国标GB8076-97《混凝土外加剂》一等品进行，其中试验采用华新中热525号水泥，水泥用量330±5 kg/m3，巴拉河人工骨料，砂FM=2.72，砂率40%，坍落度7～9 cm。基准混凝土用水量195 kg/m3，坍落度8.7 cm，掺减水剂混凝土通过调整用水量，控制坍落度在7～9 cm范围内，然后进行了减水率、和易性、含气量、凝结时间、抗压强度比（3 d、7 d、28 d）试验，试验结果见表2。

根据混凝土施工的需要，对掺ZB-1A、JG3、JM-ⅡC、X404-C四种减水剂混凝土拌和物进行了坍落度损失试验，试验按照SD105-82《水工混凝土试验规程》附录“混凝土配合比设计方法”进行。其中试验采用华新中热525号水泥、邹县Ⅰ级粉煤灰、巴拉河人工骨料，水灰比为0.55，粉煤灰掺量40%，砂率26%，坍落度3～5 cm，Air202掺量0.025%，试验结果见表3。

表2的试验结果表明：ZB-1A、JG3、X404-C、JM-ⅡC、JM-Ⅱ五种减水剂均满足GB8076-97《混凝土外加剂》性能要求。JG3与ZB-1A在0.6%掺量时，混凝土拌和物和易性接近，JM-ⅡC、JM-Ⅱ减水率相对较高，外加剂试拌的混凝土均可满足混凝土和易性要求；X404在0.4%掺量时，与ZB-1A和JG3掺0.6%、JM-ⅡC和JM-Ⅱ掺0.5%试拌的混凝土拌和物和易性能接近，能满足混凝土拌和物的要求。

表3试验结果表明：掺ZB-1A、JG3、JM-ⅡC三种减水剂的混凝土坍落度损失率比较接近，掺JM-ⅡC混凝土坍落度损失率略小，掺X404-C的混凝土坍落度损失率较小。同时，混凝土拌和物初凝时间的延长有利于该地区高温季节混凝土浇筑施工。

综合以上试验结果可以看出：ZB-1A、JG3、X404-C、JM-ⅡC、JM-Ⅱ五种减水剂均满足GB8076-97《混凝土外加剂》一等品标准要求，具有高减水率、缓凝、高强度、容易配制、无沉淀等特性，且掺用后混凝土和易性好、易于振捣、节约水泥、有利于混凝土温度控制。各种外加剂减水性能由高到低依次为：X404-C、JM-ⅡC、JM-Ⅱ、ZB-1A、JG3。其中，X404-C减水剂减水率最高；掺X404-C混凝土性能最稳定，但X404-C采购成本相对较高。JM-ⅡC、ZB-1A、JG3三种材料以JM-ⅡC性能最好，单价基本在同一水平。

表2 掺外加剂混凝土性能试验结果Table 2:Performance of concrete with admixture

表3 混凝土坍落度损失试验结果表Table 3:Test results of concrete slump loss

（2）引气剂

混凝土掺入引气剂可以在搅拌过程中引入大量均匀分布的、稳定而封闭的微小气泡。由于气泡的存在，相对增加了水泥浆体积，可以提高混凝土的流动性，大量微细气泡还可以显著改善混凝土的粘聚性和保水性，由于气泡能隔断混凝土中的毛细管道，以及气泡对水泥内水分结冰时所产生的水压力的缓冲作用，能提高混凝土的抗渗性和抗冻性，气泡还使混凝土弹性模量有所降低，对提高混凝土抗裂性有利。试验按照国标GB8076-87《混凝土外加剂》进行。混凝土性能成果见表4。

Air202引气剂在0.018%、0.02%和0.025%掺量时，试拌的混凝土均能满足混凝土和易性要求，在0.018%掺量时含气量略偏低，在0.02%掺量时效果最佳。

2 混凝土配合比研究

2.1 中热水泥混凝土配合比调整

该工程混凝土原材料中水泥主要采用中热水泥，通过长期的试验和应用，中热水泥混凝土施工技术已十分成熟，取得了良好的效果。混凝土水化热温升主要取决于水泥用量，为进一步降低混凝土水化热温升，对工程采用的混凝土配合比进行了进一步的优化，主要对C9030F250W10、C9015F150W8两个标号的混凝土进行了配合比调整，减少水泥用量以降低水化热温升。其中C9030F250W10混凝土水灰比由0.45加大为0.48，粉煤灰掺量不变，不同配比水泥用量均有不同程度的减少，在11～21 kg/m3之间；对C9015F150W8四级配混凝土水灰比由0.55缩小为0.50，粉煤灰掺量由40%调整为45%，水泥用量减少了5.0 kg/m3。通过配合比的优化调整，有效降低了混凝土水化热温升，为大体积混凝土温度控制提供了有力的技术支持。

两个标号混凝土经过优化后，性价比都有所提高，降低了水泥用量，提高了混凝土的防裂性能。

2.2 低热水泥混凝土配合比设计

除了对中热水泥混凝土配合比进行优化外，为进一步了解不同水泥品种与混凝土水化热温升之间的关系，丰富和提高大体积混凝土大坝综合防裂施工技术，在该工程右非2号坝段施工中，对使用的几种标号的混凝土采用了低热水泥施工，低热水泥混凝土配合比见表5。从现场施工的情况看，低热水泥混凝土除了早期强度较低、冬季低温季节对施工有一定影响外，其余均能满足设计要求。从采用低热水泥浇筑的右非2号坝段内部温度监测成果看，混凝土拌制时掺用低热水泥在混凝土水化热温升方面优于中热水泥，更利于混凝土内部温度控制，给高温季节大体积混凝土快速施工提供了有力保障。