高 峰

(莆田中建建設發(fā)展有限公司 福建莆田 351100 )

0 引言

大體積混凝土，指混凝土構件幾何尺寸大于等于1 m的大體量混凝土，或會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮，導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。由于其體積龐大，在水泥水化時會釋放出大量的水化熱，大體積構件形成外低內(nèi)高的溫差。這種高溫差會使大體積混凝土內(nèi)部溫度分布不均勻，由此引起混凝土構件產(chǎn)生溫度應力。同時，若大體積構件中心最高溫度超過70℃，構件內(nèi)部會發(fā)生“延遲鈣礬石生成”(delayed ettringite formation，簡稱DEF)[1]，引起混凝土表面受拉而中心受壓。當混凝土表面拉應力超過混凝土抗拉強度時，引起構件發(fā)生開裂，產(chǎn)生有害裂縫。

近年來，針對大體積混凝土構件中的溫度梯度控制，一般會采用加入預冷骨料，或是在構件內(nèi)部鋪設水管的方式[2]。采用粉煤灰，礦渣等礦物摻合料部分替代水泥，減少水泥的使用量，有效降低水化放熱總量及絕熱溫升，減少因溫度應力產(chǎn)生裂縫的可能性[3-4]。此外，減少一次性混凝土澆筑量，采用隔熱保溫模板，夏季降低混凝土入模溫度等，都能在一定程度上控制大體積混凝土中的溫度梯度分布。

然而，采用加入預冷骨料，或是在構件內(nèi)部鋪設水管的方式，相對耗時、費力且成本高[2]。以礦物摻合料代替水泥，雖然可以減少混凝土中產(chǎn)生的水化熱，但摻入過多的粉煤灰，會降低混凝土早期的抗拉強度。若礦渣摻量過大，則會增大混凝土塑性開裂的風險[5]。因此，在減少水化熱的產(chǎn)生同時，如何經(jīng)濟有效，保持合理的強度，是利用配合比去控制大體積混凝土溫度梯度的重難點。

本文通過探究不同粉煤灰和礦渣摻比下混凝土的水化熱，工作性能以及抗壓強度發(fā)展趨勢，確定出低水化熱、高體積穩(wěn)定性，強度符合的C35大體積混凝土配合比。在此基礎上，通過足尺模型試驗中監(jiān)測該配比下構件溫度梯度、應變變化情況，結(jié)合實際模型的實際裂縫發(fā)展趨勢以及分布規(guī)律，對該配合比的抗裂性能進行驗證。

1 工程概況

本文研究依托于莆田媽祖重離子醫(yī)院項目。項目位于莆田市北岸經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管委會山亭鎮(zhèn)，總建筑面積為106 700 m2，地下2層，地上部分3層，部分12層，概算總投資14.06億元。配備重離子治療中心，硼中子治療中心和質(zhì)子治療中心，其中重離子治療中心由加速器大廳，爬升區(qū)，治療室3個部分組成，包含了1.0 m、1.3 m、1.7 m、2.0 m、2.6 m、3.9 m、4.3 m厚的剪力墻，最高凈高達25 m，1.1 m、1.55 m厚的底板以及1.4 m、2.0 m、3.5 m厚的頂板，混凝土等級為C35，如圖1所示。

圖1 重離子治療中心軸測圖

2 原材料及試驗方法

2.1 原材料

原材料采用比表面積為330 m2/kg的華潤PO.42.5水泥，比表面積為442 m2/kg S95礦渣，福建省鴻山熱電廠的I級粉煤灰。粗骨料選用5 mm～31.5 mm連續(xù)級配石子，含泥量為0.2%，針狀、片狀顆粒含量<6%，表觀密度為2640 kg/m3。細骨料用細度模量為3.3的中粗砂，含泥量為0.2%，表觀密度，吸水率分別為2620 kg/ m3和1.5%。外加劑為武漢三源特種建材有限公司的鎂質(zhì)高性能抗裂劑，以及科之杰新材料集團有限公司的聚羧酸系高效減水劑，減水率為17%。

2.2 試驗方法

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗方法》(GB/T 50080-2016)進行混凝土坍落度及擴展度測試，按照《混凝土強度檢驗評定標準》(GB/T 50107-2010)進行混凝土抗壓強度測試，水化熱采用TAM Air微量熱儀測定?；炷翗嫾?nèi)溫度、應變測試采用來自南京葛南實業(yè)有限公司的VWS-15應變計(智能)測定。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 粉煤灰和礦渣摻比對坍落度和抗壓強度的影響

試驗中，保持混凝土總膠凝材料量為342 kg/m3，水膠比為0.45，抗裂劑摻量為10%。減水劑摻量為2.2%。采用粉煤灰和礦渣粉復摻代替水泥，根據(jù)《大體積混凝土施工標準》中相關規(guī)定，取礦物摻合料摻入量為50%,其中粉煤灰與礦渣粉復摻比例(F∶S)為8∶2、7∶3、6∶4、5∶5。配合比設計如表1所示。

表1 混凝土配合比

粉煤灰和礦渣以不同比例復摻，其混凝土坍落度，抗壓強度結(jié)果如圖2～圖3所示。由此可見，保持礦物摻和料總量為50%，隨著礦渣摻入比例增加，混凝土的初始坍落度減少，坍落度損失值增加，混凝土抗壓強度增加。說明礦渣摻量增加，能有效提高混凝土早期強度，彌補高粉煤灰摻合量引起的混凝土早期低強度效應。但由于礦渣保水性較粉煤灰差，且早期參與水化的速率快，因此，當?shù)V渣摻量超過20%時，會引起混凝土初始坍落度下降，隨著時間的增長，坍落度的損失量增大，2 h最大損失量為9%。

圖2 復摻比例不同對混凝土坍落度的影響

圖3 復摻比例不同對混凝土強度的影響

3.2 粉煤灰和礦渣摻比對水化熱的影響

保持礦物摻合料的總量不變，不同粉煤灰礦渣復摻比例的水化放熱速率和水化放熱總量，如圖4～圖5所示?？梢钥吹?，隨著粉煤灰摻量的提高、礦渣摻量的降低，膠凝體系的水化放熱呈現(xiàn)水化放熱速率降低，水化放熱速率峰推遲，水化放熱總量降低的趨勢。在粉煤灰摻量為35%，礦渣摻量15%時，在早期具有更小水化放熱速率以及更低的水化放熱速率峰值，且后期水化放熱速率下降的趨勢也更為平緩，水化放熱總量小。3 d水化熱約為115 kJ/kg，7 d水化熱約為130 kJ/kg。

圖4 復摻比例不同水化放熱速率

圖5 復摻比例不同水化放熱總量

3.3 足尺模型溫度及應變變化特征

綜合上述混凝土坍落度、抗壓強度和水化放熱試驗結(jié)果，當粉煤灰和礦渣復摻比例為7∶3時，28 d抗壓強度為51.2 MPa，初始坍落度為181 mm，2 h坍落度損失值在0.03%，3 d水化熱約為115 kJ/kg，7 d水化熱約為130 kJ/kg。符合低水化熱、高體積穩(wěn)定性、C35等級要求。將此配合比進行3 m×3 m×3 m足尺模型試驗，足尺模型尺寸及熱電偶應變片埋設，如圖6～圖7所示。

圖6 足尺模型A剖面

圖7 足尺模型B剖面

圖8與圖9分別為足尺模型構件內(nèi)部的溫度及應變變化趨勢，可以看到構件內(nèi)溫度與應變變化呈現(xiàn)三個階段。第一階段發(fā)生在澆筑完成24 h內(nèi)，該階段為混凝土水化劇烈反應階段，構件內(nèi)部溫度，應變出現(xiàn)陡升。中心平均升溫速率為1.45℃/h，約在18 h各測溫點出現(xiàn)溫度峰值。中心約為70℃，四周溫度峰值約為60℃。各個測點均測得壓應變，而此時混凝土正處于升溫階段，即混凝土因升溫而產(chǎn)生膨脹?；炷羶?nèi)部的壓應變產(chǎn)生的原因，為混凝土膨脹受到了外層混凝土的約束，限制了膨脹而產(chǎn)生壓應變。壓應變在140 με-220 με之間，雖然此時應變數(shù)值較大，但為壓應變，該階段內(nèi)發(fā)生裂縫的概率很小。

圖8 內(nèi)部溫度變化圖

圖9 內(nèi)部應變變化

第二個階段為混凝土中心緩慢升溫階段，約為24 h～48 h。該階段內(nèi)構件內(nèi)部升溫速率大大降低，中心區(qū)域升溫速率為0.15℃/h，且四周及邊緣位置部分已經(jīng)開始降溫。中心壓應變繼續(xù)上升，并在該階段結(jié)束時達到最大值，而四周壓應變開始呈現(xiàn)下降趨勢。

第三個階段為混凝土降溫階段，表現(xiàn)為構件內(nèi)部溫度下降，應變量減少，逐漸由壓應變向拉應變轉(zhuǎn)變。48 h之后，混凝土開始降溫，且隨時間的增加，整體溫度下降速率變緩。在110 h-280 h，以一個較快的降溫速率下降，280 h之后降溫速率降低，最終逐步逐漸于平緩。本次試驗采用帶模養(yǎng)護保溫的方式，約在96 h后安排拆模。拆模后，四周的平均降溫速率為0.18℃/h，頂面降溫速率為0.22℃/h，中心降溫速率為0.08℃/h。此時中心點的溫度降低幅度要小于相鄰測點，中心點處混凝土因降溫產(chǎn)生的溫度收縮，將小于周圍混凝土的溫度收縮，即中心處混凝土相對于周圍混凝土產(chǎn)生相對膨脹，進而產(chǎn)生壓應力。該時間段內(nèi)發(fā)生裂縫的概率小。應變在48 h后，呈現(xiàn)的變化趨勢與溫度變化大體相同，但在60 h-110 h，結(jié)構內(nèi)部應變呈現(xiàn)一定程度的緩慢增長。因為鎂質(zhì)抗裂劑的參與，發(fā)生一定的補償收縮，使得混凝土內(nèi)部的應變呈現(xiàn)一定程度的上升。至28 d檢測結(jié)束，僅斜上測點與底中測點由壓應變向拉應變轉(zhuǎn)變，整體構件仍處于壓應變狀態(tài)，發(fā)生裂縫的風險較低。

整體上，該配比下的足尺模型構件內(nèi)部的溫度梯度分布并未存在明顯異常情況。通過帶模保溫養(yǎng)護有效的對內(nèi)外溫度差進行調(diào)整，保持內(nèi)外溫差不小于25℃，降溫速率小于2℃/h，符合規(guī)范要求。整體構件處于受壓狀態(tài)，結(jié)合實際構件表現(xiàn)效果來說，構件內(nèi)外并未出現(xiàn)明顯裂縫，整體裂縫控制效果較好。

4 結(jié)論

(1)粉煤灰和礦渣復摻的方式調(diào)整大體積混凝土配比，由于水泥含量的減少，能夠降低混凝土水化放熱總量，延緩水化放熱峰出現(xiàn)，3 d的水化熱約為115 kJ/kg，7 d的水化熱約為130 kJ/kg。且摻入礦渣，能彌補大摻量摻入粉煤灰引起的早期強度下降，使其7 d強度最高達到36.7 MPa。粉煤灰發(fā)揮其形態(tài)效應，能有效提升混凝土整體工作性能，降低其坍落度損失，最小為2.6%。

(2)通過對大體積混凝土構件溫度及應力檢測，配合比為礦物摻和量50%，粉煤灰和礦渣以7∶3的比例復摻，水膠比為0.45時，構件在28d大部分呈現(xiàn)受壓狀態(tài)，整體的抗裂性能良好。且增加一定量的鎂質(zhì)抗裂劑，能在一定程度上起補償收縮作用，延緩構件由壓應變向拉應變轉(zhuǎn)變的速率，提高其抗裂能力。

(3)為確保大體積構件不發(fā)生開裂，除配合比控制內(nèi)部溫度梯度變化外，還需要在外部增設保溫材料，或是帶模養(yǎng)護3～4 d，以提高整體大體積內(nèi)外溫度溫差把控。