C70大体积自密实混凝土配合比设计

□文/刘 芳 周雪明

随着建筑技术水平的提高，建筑物向高层、大跨度、结构复杂的方向发展。研制具有良好工作性和耐久性的高强高性能的混凝土具有重要的意义。

高强混凝土在保证结构强度要求的前提下，可显著减少结构截面尺寸，减轻结构自重，同时具有良好的耐久性，可减少修补和拆除建筑物结构的能源和资源消耗，从而实现混凝土的可持续发展[1]。但综合来看，以往对高强高性能混凝土的应用主要集中在钢管内芯混凝土方面，对大体积高性能混凝土研究较少。高强度免振捣高性能混凝土关键是通过配合比设计，在低水胶比时使混凝土具有高工作性和高稳定性。而如果将其应用在大体积结构中，不得不考虑高水泥用量带来的高水化热，导致大体积混凝土的开裂。

本文选用C70高强混凝土的水灰比，最大限度的以矿物掺合料替代水泥，结合自密实混凝土配合比计算方法，采用正交试验设计，最后经过实际温升值验算，得到符合要求的C70大体积自密实混凝土配合比。

1 配合比设计

1.1 设计思路

由于C70大体积自密实混凝土要同时兼顾高强混凝土配合比设计中对强度的要求、自密实混凝土设计中对工作性的要求和大体积混凝土施工对温度的要求，故采取如下设计思路。

1）确定水灰比。高强混凝土水灰比的计算不能采用普通混凝土的强度计算公式，应根据试验资料进行统计，得出混凝土强度和水灰比的关系式，然后用作图法求出设计强度为C70的混凝土对应的水灰比作为基准水灰比[2]。

2）配合比的确定。通过自密实混凝土配合比的计算方法，结合基准水灰比以及矿物掺合料的取代率确定出初始配合比。

3）在基准配合比基础上，通过对水胶比、硅灰取代率、砂率、外加剂用量进行四因素三水平的正交设计试验，得到最优配合比[3]。

4）大体积验算。通过对最优配合比最高绝热温升、实际最高中心温度进行计算，确定设计配合比是否满足大体积施工对温度的要求。

1.2 设计目标

通过一系列试配试验，最终得到能同时满足一级自密实混凝土性能和大体积混凝土温升要求且强度达到C70高强混凝土等级要求的混凝土配合比。

1）一级自密实混凝土性能要求。扩展度650～750mm，V型漏斗 10～25 s；T50为 5～20 s。

2）高强混凝土性能要求。配制强度达到设计强度的112%以上。

3）大体积施工对温度的要求。GB 50496—2009《大体积混凝土施工规范》对C20～C40大体积混凝土实际温升要求混凝土浇注体在入模温度基础上的绝热温升值不宜＞50℃。但对于C70高强大体积混凝土没有规定，考虑到有研究指出在80℃以内时，钙矾石可以稳定存在[4]，因此C70高强大体积混凝土施工后混凝土温度不宜＞80℃。

在满足上述要求下，配制混凝土还应满足7 d水中限制膨胀率≮0.025%的要求。

2 原材料

1）水泥。采用P.O42.5级水泥，密度3 100 kg/m3，3 d累积水化热Q3=238 kJ/kg，7 d累积水化热Q7=281 kJ/kg，其他物理性能见表1。

表1 P·O42.5级普通硅酸盐水泥物理性能

2）矿粉。S95级，比表面积430 m2/kg，7 d活性指数81%，28 d活性指数 103%，密度 2 880 kg/m3。

3）粉煤灰。Ⅱ级，负压筛析仪细度为18.1%，需水量比为 101%，烧失量 1.5%，密度 2 200 kg/m3。

4）硅灰。紧密堆积密度 350 kg/m3，Si O2含量＞85%。

5）细骨料。Ⅱ级中砂，细度模数2.7，含泥量1.5%，表观密度 2 680 kg/m3。

6）粗骨料。5.0～16.0mm的连续级配，压碎值指标4.2%，表观密度2 820 kg/m3。

7）外加剂。聚羧酸高性能减水剂，减水率27.2%，推荐掺量1.0%。

8）膨胀剂。UEA膨胀剂，密度 2 700 kg/m3。限制膨胀率：水中7 d达到0.026%，空气中21 d达到-0.003%[5]。

3 配合比确定

3.1 初始配合比设计

1）水灰比（W/C）的确定。根据试验数据资料进行统计分析，提出混凝土强度和水灰比的关系式，然后用作图法求出设计强度为C70的混凝土对应的水灰比作为基准水灰比。通过计算得到该基准水灰比为0.27。

2）粗骨料用量（Mg）的确定。依据CECS 203:2006《自密实混凝土应用技术规程》，混凝土自密实等级为一级时对单位体积粗骨料绝对体积的要求，单位体积混凝土中粗骨料的绝对体积选为Vg=0.29，则单位体积粗骨料体积用量为290 L，质量为817.8 kg，取Mg=820 kg。

3）单位体积用水量（Vw）、水粉比（Vw/Vp）和粉体体积用量（Vp）的确定。考虑到强度的要求和矿物掺合料的掺入，单位体积用水量选为160L，即Mw=160 kg，水粉比选为 0.80。所以 Vp=Vw/（Vw/Vp）=160/0.8=200（L）。

4）含气量（Va）的确定。根据经验以及所用矿物掺合料和所使用的外加剂性能，设定自密实混凝土的含气量为2.5%，即单位体积含气25 L。

5）单位体积细骨料用量（Vs）的确定。因为细骨料中含有1.5%的粉体，所以根据Vg+Vp+Vw+Va+（1－1.5%）Vs=1 000 L，计算得到Vs=331.0 L，质量为 883.7 kg。

6）单位体积胶凝材料体积用量（Vce）的确定。配合比设计中未掺入惰性掺合料，所以单位体积胶凝材料体积用量 Vce=Vp-1.5%Vs=195.0（L）。

7）水泥用量（Mc）、矿粉用量（MSA）、粉煤灰用量（MFA）、硅灰用量（MSF）和膨胀剂用量（MUEA）的确定。首先根据基准水灰比和用水量确定理论水泥用量Mco=Mw/(W/C)=592.6 kg。选取矿粉、粉煤灰和硅灰取代率为18%、7%和6%，粉煤灰超量取代系数1.4，UEA膨胀剂采用内掺法，掺量为理论水泥用量的6%。由此得水泥用量357.0kg，取Mc=360 kg，矿粉用量 106.7 kg，取MSA=110 kg，粉煤灰用量 58.1 kg，取 MFA=60 kg，硅灰用量 35.6 kg，取 MSF=35 kg，膨胀剂取MUEA=35 kg。

8）最终砂用量（Ms）的确定。由于矿物掺合料的取代，使实际单位体积胶凝材料的体积超过计算单位体积胶凝材料的体积，为保持体积不变，多余体积应取代砂用量，所以得最终砂用量836.2 kg，取Ms=835 kg。

9）外加剂用量（MWJ）的确定。外加剂用量MWJ0=Mco×1.0%=5.93 kg，由于掺加硅灰对外加剂有一定的吸附作用，所以特考虑掺硅灰高强混凝土外加剂增量系数，得MWJ=1.4，MWJ0=8.30 kg[6]。

综上，得到初始配合比见表2。

表2 初始配合比 kg/m3

3.2 正交试验方案设计

参考初始配合比，在保证总胶凝材料用量600 kg/m3不变，计算密度2 423 kg/m3不变的条件下，选用水胶比、砂率、硅灰取代率和外加剂用量作为正交试验因素，将上述因素进行四因素三水平正交试验设计。因素水平见表3，选用L9(34)正交安排试验见表4[7]，各试验材料用量见表5。

表3 因素水平

表4 试验方案

表5 各试验材料用量 kg

续表5

3.3 试验结果及极差分析

试验结果见表6，极差分析见表7。

表6 试验结果

表7 试验结果极差分析

由表1可以得到主次因素分析结果为：A＞D＞B＞C，即水灰比＞硅灰与水泥用量比＞砂率＞外加剂用量。将极差分析与实际生产成本及混凝土体积稳定性综合考虑，得到最优组合为水灰比0.27，砂率48%，外加剂用量9.3 kg，硅灰取代率6%。

综上，得到正交试验分析最优组合配合比见表8。

表8 正交试验最优组合配合比 kg/m3

3.4 配合比验证

对表8得到的最优配合比进行试配验证，相应试配结果数据见表9。

表9 最优组合配合比试验结果

由表9可知，该配合比工作性满足一级自密实混凝土性能要求，强度满足C70高强混凝土要求。

4 配合比混凝土温升计算

对表8得到的最优配合比进行混凝土温升计算，验证其是否满足大体积混凝土施工的要求。

1）水泥水化热计算

根据配合比矿物掺合料用量，选用水化热调整系数k=0.89，得胶凝材料水化热总量Q=kQ0=289 kJ/kg。

2）混凝土绝热温升 T（t）

式中：T（t）——混凝土的最终绝热温升，℃；

W——单方混凝土中水泥用量，kg/m3；

Q——水泥水化热量，kJ/kg；

C——混凝土的比热，0.97 kJ/(kg·K)；

ρ——混凝土的密度，2 434 kg/m3；

m——与水泥品种、浇筑温度有关的系数，目前国内对于C25～C40大体积混凝土m值一般取0.3～0.5 d-1，对于C40以上等级的混凝土还没有规定。日本土木工程协会按照胶凝材料的不同对m的取值做了相应规定，其中对于普通硅酸盐水泥有m=0.43+0.001 8 W，W为单位立方米胶凝材料用量。因此按照日本土木工程协会计算公式，m取1.51。

由此，可得混凝土最终绝热温升为73.4℃。同时可得到早期绝热温升和时间的关系曲线见图1。

图1 混凝土早期绝热温升与龄期的关系曲线

由图1可知，该最优组合配合比1 d绝热温升即达到最终绝热温升的77.9%，如果混凝土散热性差，中心温度很可能超过80℃，导致钙矾石分解[8]。但是按照普通大体积混凝土温度控制经验，1.5 m左右厚度的大体积混凝土，在保温措施良好的条件下，混凝土浇注体在入模温度基础上最高温升值一般为绝热温升值的70%左右，对于该最优组合配合比，在入模温度为25℃条件下，实际温升约52℃，最高中心温度约77℃。因此只要控制合适的入模温度并做好保温养护和散热措施，该设计混凝土配合比可用于厚度在1.5 m左右的大体积施工中。如果采取合适的降温措施，可以应用于尺寸更大的结构部位。

综上所述，该配合比符合C70大体积自密实混凝土要求。

[1]李继业.混凝土配制实用技术手册[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2]CECS 104:99，高强混凝土结构技术规程[S].

[3]CECS 203:2006，自密实混凝土应用技术规程[S].

[4]王善拔.钙矾石热稳定性的研究[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2007，(1)：8-11.

[5]葛兆明.混凝土外加剂[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6]张承志.商品混凝土[M].北京：化学工业出版社，2006.

[7]沙 峰，梁中林，陈秋喜，等.C70高强高性能混凝土研究与应用[J].混凝土，2008，（12）：86-87.

[8]仲朝明，孙跃生，邵正明，等.C60自密实大体积混凝土配合比设计及裂缝控制[J].混凝土，2009，（4）：14-16.