筏板基础大体积混凝土配合比研究

梁向前

摘要：随着我国城市化进程的推进，土地供应紧张，城市向空间发展，高层建筑成为城市建设的主体。高层建筑越来越高，筏板基础也相应变厚，相当一部分属于大体积混凝土。大体积混凝土施工不当，易产生裂缝。混凝土浇筑后温升阶段，大体积混凝土内部水化热积聚不易散发，而外部散热较快，温度外低内高，形成温度梯度，混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当表面拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，表面就会产生裂缝。混凝土浇筑后温降阶段，水泥水化热减小，散发热量大于水化热量，温度降低，体积收缩;水泥凝结硬化也会产生体积收缩;大体积混凝土水泥水化反应用水量大大低于拌合水用量，内部大量多余水分的蒸发造成混凝土体积收缩。收缩变形受到约束作用，产生拉应力，超过混凝土的极限抗拉强度就会产生裂缝。

关键词：配合比;专用水泥;乳化沥青;相变控温材料

一、典型工程配合比

通过对近几年的典型工程[1]～ [3]调查研究，结合对北京金隅混凝土、北京住总混凝土公司的大体积混凝土工程实际案例的调研，对其筏板基础大体积混凝土配合比情况进行分析研究，见图1-4。

二、原材料

1水泥

施工规范：对于有抗渗、抗冻融要求的混凝土，宜选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥;设计规程：抗渗混凝土的水泥宜采用普通硅酸盐水泥;大体积混凝土宜采用低、中水化热水泥;大体积规范条文说明中指出大体积混凝土大多用普通硅酸盐水泥。控制标准：掺用矿物掺合料的混凝土，宜采用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。

矿渣水泥早期水化热低，使大体积混凝土早期抗拉强度偏低，温差所产生的温度应力往往容易超过大体积混凝土的抗拉强度，反而会变得更加容易开裂。另外，由于矿渣水泥的泌水性、干缩性比普通水泥要大，因此选择收缩较小的普通水泥比选择矿渣水泥会更有利于大体积混凝土裂缝控制。普通水泥的水化热稍大，可通过掺入适量的粉煤灰等方法来解决。[4]

通过图1可知，筏板基础大体积混凝土，C30-C50，其中C35-C45占83%;抗渗等级P8-P12，其中P8-P10占94%;采用42.5普通硅酸盐水泥占86%;采用52.5硅酸盐水泥占12%，采用矿渣水泥的占6%。因此采用42.5普通硅酸盐水泥，能满足筏板基础大体积混凝土要求。

2 细骨料——砂

控制标准：对于有抗渗要求的混凝土，砂中的含泥量和泥块含量分别不应大于3.0%和1.0%;坚固性检验的质量损失不应大于8%。《建设用砂（GB/T14684-2011）》中Ⅰ、Ⅱ类砂可满足要求。经调查研究，筏板基础大体积混凝土均采用中砂，细度模数主要为2.5～2.9。

3 粗骨料——石子

控制标准：对于大体积混凝土，粗骨料最大公称粒径不宜小于31.5mm;抗渗混凝土，粗骨料中的含泥量和泥块含量分别不应大于1.0%和0.5%;坚固性检验的质量损失不应大于8%。大体积规范：大体积混凝土粗骨料宜选用粒径5-31.5mm，并连续级配。施工规范：抗渗混凝土粗骨料的最大粒径不宜大于40mm。设计规程：泵送混凝土粗骨料的针片状颗粒含量不宜大于10%。

《建设用卵石、碎石（GB/T14685-2011）》中Ⅰ、Ⅱ类的卵石、碎石满足上述要求，其中Ⅱ类的泥块含量要求≤0.2%。研究发现，筏板基礎大体积混凝土均采用碎石，其中5～20mm占6.7%，5～25mm占53.3%，5～31.5mm占13.3%，5～40mm占26.7%。基础大体积混凝土用碎石粒级选择，钢筋密集时选5～25mm，泵送管径控制时选5～31.5mm，不受前两项控制时宜选5～40mm。

4 水

大体积规范：拌合用水量不宜大于175 kg/m3。由图3可知，混凝土拌合用水量≤175 kg/m3占53.3%，>175 kg/m3占46.7%。规范规定的用水量可适当放宽，当然拌合用水量还与混凝土中所用材料的种类、用量等有关，因此，建议基础大体混凝土用水量不宜大于180 kg/m3。

5 掺合料

筏板基础大体积防水混凝土，宜选用水化热低和凝结时间长的水泥，宜掺入减水剂、缓凝剂等外加剂和粉煤灰、磨细矿渣粉等掺合料。大体积混凝土中掺粉煤灰，替代部分水泥降低水化热，同时使混凝土的干缩性能降低，可以改善大体积混凝土的抗裂性能。

大体积规范：粉煤灰掺量不宜超过胶凝材料用量的40%;矿渣粉的掺量不宜超过胶凝材料用量的50%;粉煤灰和矿渣粉掺合料的总量不宜大于混凝土中胶凝材料用量的50%。根据设计规程，基础大体积抗渗混凝土宜掺用外加剂和矿物掺合料，粉煤灰等级应为Ⅰ级或Ⅱ级。

粉煤灰取代水泥率为30%～40%，水胶比在0.45～0.5之间，粉煤灰混凝土绝热升温值最理想，内部温度应力最小，对抗裂性能效果最好。[5]

测温表明，混凝土配合比在水泥用量相同的情况下，掺粉煤灰+矿粉的混凝土中心最高温度要比只掺粉煤灰的混凝土中心最高温度高出约5℃。用具体的测温数据证明了矿粉的活性高于粉煤灰。[6] 调查中未发现在基础大体积混凝土中单掺矿渣粉情况，因此，在基础大体积混凝土中，不应单掺矿渣粉。

不同矿物掺合料掺加情况统计，单掺Ⅰ级粉煤灰1占33%;单掺Ⅱ级粉煤灰仅占7%;掺粉煤灰+矿粉占60%。Ⅱ级粉煤灰，用于没有特殊要求的工程或部位;不宜配制高强度等级混凝土，必须使用时宜采用与矿渣粉符合使用，同时粉煤灰的比例应适当降低。矿粉与粉煤灰复掺改善抗裂性效果优于矿粉单掺，粉煤灰与矿渣粉复合使用最佳方案。

6 外加剂

（1）缓凝型高效减水剂

控制标准：大体积混凝土宜采用缓凝剂或缓凝减水剂;矿物掺合料宜与高效减水剂同时使用。缓凝型高效减水剂，通过减少水的用量，达到减少水泥用量，实现降低水化热目的;由于缓凝作用，延缓了水泥的水化放热速度和热峰值出现时间，推迟大体积混凝土的凝结硬化速度，防止大体积混凝土早期抗拉强度较低情况下，产生裂缝。

聚羧酸类高效减水剂，不但可以有效减少混凝土水泥用量，还可以大幅减少混凝土收缩，成为工程实践中裂缝控制的有效技术途径。聚羧酸系减水剂与萘系减水剂相比：掺量低，减水率高，用水量少;保坍性能方面、初始坍落度、和易性和扩展度明显优于普通萘系减水剂;7d、14d、28d 强度都高于采用萘系减水剂的混凝土;经济效果好，水泥用量小，整体成本低。通过实际应用效果大体混凝土应优先采用聚羧酸类缓凝型高效减水剂。

（2）膨胀剂

高效减水剂或缓凝剂与硫铝酸盐型膨胀剂复合使用时都会降低膨胀剂的有效膨胀能，磨细矿渣和粉煤灰等礦物掺合料都会影响膨胀剂的膨胀性能特别是早期膨胀效果。在大量掺加粉煤灰的大体积混凝土中膨胀剂的效能很低，应适当提高膨胀剂掺量。经调查，使用膨胀剂的占27.8%。一般大体积混凝土都使用高效减水剂、缓凝剂、大量粉煤灰，这样会增加膨胀剂掺量，提高成本。

7 纤维

在相同条件下，聚丙烯纤维混凝土的裂缝宽度比基准混凝土的裂缝宽度要小得多。不同的聚丙烯纤维掺入混凝土中，都可以有效地控制混凝土的早期塑性收缩裂缝的产生、发展并降低裂缝的宽度和长度;当混凝土中掺入0. 10%（体积比，质量计0.9 kg/m3 ）的聚丙烯纤维时，混凝土的抗裂指数比和最大抗裂指数比均可降低50%。其长度变化对混凝土早期塑性收缩裂缝影响不明显。经调查，掺加聚丙烯纤维的仅占11.1%。

三 、配合比

根据设计规程，大体积抗渗混凝土砂率宜为38%～42%。经调研，93.3%的砂率在38%～42%之内。因此基础大体积混凝土的砂率按设计规程，宜为38%～42%。

大体积规范：水胶比不宜大于0.55。设计规程：抗渗混凝土最大水胶比见表2。经调研，水胶比≤0.5占93.3%，因此本项目基础大体积抗渗混凝土的水胶比不宜大于0.5。

施工规范规定，大体积混凝土宜采用后期强度作为配合比、强度评定的依据;基础混凝土可采用龄期为60d（56d）、90d 的强度等级。由图4可知，采用60d、90d强度的占56%;筏板基础大体积混凝土强度等级及抗渗等级均较高时，应采用60d（56d）、90d强度。

四 、筏板基础大体积混凝土施工材料分析

1 筏板基础大体积混凝土专用水泥

硅酸盐水泥熟料主要是由硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）、铝酸三钙（C3A）、铁铝酸四钙（C4AF）四种矿物组成。其中C3A水化反应最快，水化放热量最大;C3S水化反应速度及放热量仅次于C3A;C2S水化反应最慢，水化放热量最小。影响水泥水化热的主要成分是C3A，有经验的水泥厂对同一强度等级的水泥有几个配比，大体积混凝土施工时，要求水泥厂家提供C3A含量低的水泥，这较容易实现。

高贝利特水泥（HBC）是一种含有较多C2S的低热硅酸盐水泥，其矿物成分含量：C3S 为25.96%，C2S为43.39%， C3A为3.34%， C4AF为16.45%。其水化热低于中热水泥，28d后强度高于中热水泥。凝结时间相对较长，早期强度（3d、7d）相对较低;28d、90d龄期的抗折强度明显高于中热水泥，90d以前的脆性系数明显低于中热水泥，其抗裂性能优于中热水泥。适于在水工大体积混凝土中推广应用。

2 加入乳化沥青的大体积混凝土

乳化沥青混凝土中加入水泥，代替部分矿粉。随着水泥掺量增加，稳定度、抗压强度和抗压模量、抗折强度和抗折模量，均呈现增大趋势。加入水泥对乳化沥青混合料力学强度，尤其是刚度，有较大的改善作用。相比普通沥青胶浆，水泥沥青胶浆粘度较大，内聚力和粘结力较高，明显改善了胶浆与集料界面微观结构，提高了界面的粘结力以及混凝土的力学性能。

水灰比相同，A/C（沥青水泥比）不为零的胶凝材料浆体的放热速率明显比A/C为零的小很多，约降低50%，同时其胶凝材料的水化放热峰明显往后推延，水化放热速率峰值出现的时间推迟了2-30h，整体而言沥青水泥比越高，水化放热速率峰值出现的时间滞后就越长。

参照乳化沥青混凝土中加入水泥做法，在大体积混凝土中加入乳化沥青，提高混凝土的极限拉伸性能，降低混凝土温度变形系数;乳化沥青中的水分能代替部分用水量，即减少了水的用量，降低水泥用量，减少水化热的作用;降低放热速率，推迟水化放热速率峰值出现的时间。理论上在大体积混凝土中加入乳化沥青，能有效地控制大体积混凝土的裂缝。

3 大体积混凝土相变控温材料

利用相变材料在特定温度范围的热效应控制混凝土内部温度场，从而机敏控制温度应力防止温度裂缝。将掺入相变材料并具有一定的控温效果的混凝土称为相变控温混凝土。

可采用价廉的工业级石蜡作为大体积混凝土控温材料。石蜡作为储热相变材料具有：相变潜热高、性能稳定、无毒、无腐蚀性、价格便宜、无过冷及析出现象。掺相变材料石蜡的砂浆和易性和强度试验表明，体积代砂法优于质量代砂法。同普通砂浆砂浆相比，体积代砂法的和易性略高;孔隙率略有降低，平均孔径均高于普通砂浆;强度均低于普通砂浆，28d抗折、抗压强度分别降低20%、26%。石蜡颗粒采用体积代砂法，颗粒级配应符合要求，满足Ⅱ区的筛分曲线。可以降低大体积混凝土内部最高温升值，当石蜡质量分数为4%时，中心点最高温升值可降低5.56℃。

将有机膨润土与癸酸按一定比例制成相变控温储能纳米件;采用乳液和高强水泥包覆相变控温储能纳米元件形成的相变砂，其与混凝土组分的和易性较好;相变砂为中粗砂时，适当增加减水剂的掺量，在相变砂代砂25%（质量分数）时，可以使掺相变砂的混凝土基本达到基准混凝土坍落度和强度的要求;相变砂的掺入对混凝土的粘聚性、保水性、耐久性无不良影响;模拟大体积混凝土温升试验表明，掺入相变砂后大体积混凝土中心最高温度为44℃，较基准试样降低了4.5℃。

大体积混凝土中掺入相变材料，可降低大体积混凝土升温速度和降温速度，防止混凝土因降温过快而产生的温度裂缝。中采用石蜡作为相变材料，唯一不足是砂浆强度较普通砂浆降低较多，未与设计值对比，未做混凝土强度对比，特别是60d强度是否能达到设计要求。中的相变砂制作较麻烦，成本没有比较。

五 、某筏板基础大体积混凝土施工配合比

通过比对发现：（1）混凝土中加入适当比例的膨胀剂能有效补偿混凝土收缩裂缝，但是成本较高。（2）纤维对混凝土早期塑性收缩裂缝影响不明显。（3）高贝利特水泥在强度和柔性上都優于中热水泥，但是在考察的混凝土公司对于民用建筑的大体积混凝土中无具体应用。（4）乳化沥青代替矿粉能有效的控制裂缝而本项目调研的混凝土公司均无经验案例。（5）变相材料制作麻烦且成本上无有效案例佐证。

通过对厂家成功案例、技术成熟度以及项目造价要求确定混凝土采用：42.5普通硅酸盐水泥;Ⅰ、Ⅱ类的中粗砂;Ⅰ、Ⅱ类连续级配碎石;采用聚羧酸类缓凝型高效减水剂进行试配实验确定混凝土配合比。

通过混凝土试配实验，本项目大体积混凝土筏板基础，采用42.5普通硅酸盐水泥;Ⅰ、Ⅱ类的中粗砂，细度模数2.5～2.9;Ⅰ、Ⅱ类连续级配碎石，根据实际情况选择5～31.5mm;用水量180 kg/m3;采用聚羧酸类缓凝型高效减水剂。砂率控制为41%，水胶比0.4。本项目基础筏板分为3个施工段施工日期为2013年10月23日～11月8日。经检查无裂缝;56d标养强度平均值52Mpa;现场同条件600度天强度48.6Mpa，大体积混凝土施工成功完成。

结  论

基础大体积混凝土，宜采用42.5普通硅酸盐水泥;Ⅰ、Ⅱ类的中粗砂，细度模数2.5～2.9;Ⅰ、Ⅱ类连续级配碎石，根据实际情况分别选择5～25mm、5～31.5mm、5～40mm;用水量不宜大于180 kg/m3;不宜采用单掺Ⅱ级粉煤，不应单掺矿渣粉;宜采用聚羧酸类缓凝型高效减水剂;建议不使用膨胀剂;根据工程抗裂需要掺加聚丙烯纤维;砂率宜为38%～42%，水胶比不宜大于0.5;强度等级及抗渗等级均较高时，应采用60d（56d）、90d强度。建议研究生产筏板基础大体积混凝土专用水泥，加强在大体积混凝土中加入乳化沥青、相变控温材料的研究，特别要注重其应用性。

参考文献：

[1] 顾期斌，徐二华. 磨细钢渣粉在大体积混凝土中的应用[J]. 混凝土与水泥制品，2011（9）.

[2] 高芳胜，尤立峰. 高强大体积混凝土的配制与应用[J]. 混凝土，2010 （10）.

[3] 敖卫，宋和平，张晨. 河北开元环球中心底板大体积混凝土施工技术[J]. 施工技术，2010 （4）.