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1、优化大体积混凝土配合比设计的方法 【摘 要】 大体积砼裂缝产生的原因是温差与约束的结果,减少水化热是解决大体积砼裂缝的有效措施之一。本文从大体积砼施工的经济性出发,分析探讨优化大体积砼配合比设计的经济适用性方法。 【关键词】 优化配合比设计;裂缝控制经济性;水泥用量;原材料影响;优化设计 【】 TU528.1 【】 B【】 1727-5123(2010)03-062-03 Mass optimization design method of concrete mix 【Abstract】 Mass Concrete cracks due to temperature difference an
2、d the result of constraints, reduce heat of hydration is to solve the effective mass concrete cracks in one of the measures. In this paper, mass concrete construction point of economic analysis of optimal mass concrete mix design method of the economic suitability. 【Key words】 Optimal mix design; Cr
3、ack control economy; Cement content; Material impact; Optimal design 大体积砼因水泥用量多其水化引起的热产生的裂缝主要有两种形式,一种是表面裂缝。在水泥水化初期由于砼表面和内部的散热环境及条件不同,形成表低内高的温差,使砼表面产生拉应力,结构内部产生压应力,当砼表面产生的拉应力超过砼此时的抗拉强度时,大体积砼表面就会产生裂缝。这种裂缝的特点是:裂缝比较分散,裂缝的宽度和深度都小,出现在砼的表面层。而另一种裂缝是贯穿性裂缝。当大体积砼的水化热基本上释放完毕时,大体积砼开始逐渐降温,在大体积砼的降温阶段,由于砼的收缩受到地基、模板
4、或结构其它部分的外部约束,大体积砼就会产生很大的温度变形和温度应力,从而会产生贯穿性裂缝的出现。这种贯穿性裂缝会破坏结构的整体性,刚度,防水性,直接影响到工程的安全耐久性。 大体积砼裂缝产生的重要根源是:温差与约束。在保证大体积砼质量的前提下,最大限度地减少水化热,是解决大体积砼裂缝的有效措施。多年来人们想出了许多办法,如在拌和砼时加入冰块,降低砼出机温度,在砼浇筑过程中对工艺工序进行改革,加入蛇形管内通进冰水,从而达到降低水泥的水化热,减少裂缝的产生。有的施工项目为减少大体积砼的开裂,在施工过程中增设预应力装置,当大体积砼强度达到一定值时,对大体积砼施加预应力,从而达到提高砼的抗裂性。这些措
5、施在一定程度上减少了大体积砼的裂缝产生,但却大大提高了工程建设的造价。现在提倡节约型社会,在大体积砼配合比设计时,必须综合考虑技术和经济方面因素,在满足使用功能和技术要求同时,对其配合比进行优化设计,使大体积砼的成本降低,是一个现实性的问题。从降低大体积砼的成本考虑,对大体积砼的配合比优化设计进行分析探讨。 1传统裂缝控制方法经济性 1.1大体积砼中加冰块的分析。引起大体积砼开裂的关键因素是内外温度梯度。而温度梯度差与浇筑入模温度Tp,以及水泥水化温度Tr,后来由于冷却至环境常温Tf有关,可用下列等式表示:T=Tp+Tr-Tf。现在在大体积砼中为减少T一般采取降低砼的浇筑温度,这种方法用在水工
6、大体积砼中是有效的,据介绍目前国内在大体积砼中加冰率为50%时,能降低浇筑温度约5.7,可减少温度应力0.30.45MPa,加冰率75%时能降低温度约8.5。加冰降低温度是有限的。 以某大体积砼为例:砼设计强度等级为C20,坍落度80mm,单位砼用量: P.O 32.5级矿渣水泥295kg,中砂707kg,540mm石子1203kg,水195kg,W/C=0.66。水占m3砼重量比为195/295+707+1203+195=8.125%,从市场可知每50kg为10元,在炎热季节每50kg为20元左右,即1t冰块在200400元之间,平均1t按300元计,1m3C20砼约加入100kg冰块,费用
7、提高30元。以一个基础100x80x4m=3.2万m3计,则冰块费达96万元,降低温度仅5.7,降低1费用达20多万元。从分析可知加冰块代价太高,而民用建筑砼特点是超长超宽,厚度不大,而不同于超长超厚的水工砼结构,控制水化热相对容易,因此民用建筑的大体积砼不效仿水工砼加冰块,会带来巨大浪费。 1.2预埋冷却水管的分析。在大体积砼施工中为了预控制砼内部升温过高降低温差,有些工程却采取预埋冷却水管,内通冰水循环来降温。多数埋设水管是钢管,直径25mm壁厚1.8mm。现在也有用聚乙烯管的,直径32mm壁厚2mm。为了达到冷却效果,许多把水管以梅花形布置冷却效果好,且水平垂直间距为2m左右。为方便施工
8、冷却水管通常敷设在一个浇筑层面上。以上述某基础100x80x4m工程为例,根据施工方案浇筑层分两次,每次厚度2m。敷设冷水管后每m3砼含钢量为0.40.5kg,本大体积砼为2万m3计则含钢量按高为16t,钢管4千元/t,其费用为6.4万元,安装及线长其它费用也不少。所以加放蛇形管在砼中,可充当钢筋功能,有利于提高砼的抗裂性是有好处的。工业建筑尚可,但民用建筑大体积砼厚度偏小,使用冷却水管一方面提高费用,也影响进度。因此在使用时要慎重选择降温措施。 2大体积砼影响费用的因素 在对大体积砼配合比进行选择时,在满足使用功能和技术要求前提下,最大限度减少水泥用量,是降低大体积砼绝热升温的关键。在大体积
9、砼配合比组成材料中,水泥的价格比其它所有材料高,因此控制费用从水泥降低入手。 在正常情况下,对大体积砼配合比优化设计重点考虑的是砼的抗裂性能。为了达到不使砼开裂,技术人员想出许多措施: 如在拌和砼时加入冰块,降低砼出机温度,在砼浇筑过程中对工艺工序进行改革,加入蛇形管内通进冰水,采用预应力等措施,这些对解决大体积砼裂缝是取到一些效果。但付出的成本过高。对于民用大体积砼配合比可采取优化的思路进行, 在保证砼强度,刚度耐久性质量前提下,实现最经济的配合比例。 2.1水泥胶凝材料的影响。大体积砼水泥水化热是主要的热源,减少水化热是防止大体积砼开裂最经济有效办法。大体积砼水泥水化热引起的绝热升温的计算
10、公式是: T(t)=mcQ/cp(1-e-nd)+mf/50 式中T(t)砼在浇筑时t后的绝热升温值,。 mc 每m3砼水泥用量,kg mf每m3砼粉煤灰用量,kg Q每kg水泥水化热,kJ/kg p砼表观密度,一般为2400kgm3/ c砼的比热容,一般为(0.92-1.0)x103J/(kg.K) e常数,为2.71828 -nd水泥品种与温升速度有关的系数,m=0.43+0.0018mc普通水泥系数,或m=0.55+0.0018mc矿渣水泥系数。 t龄期,d 从上述公式看出影响水化热的主要因素是水泥,选用水化热低的水泥或减少水泥用量是降低水化热的重要手段。对于民用建筑的大体积砼,由于大体
11、积砼多数是用在基础承台或转换层,其强度等级一般不低于C25。水化热低的水泥强度等级也低,无法保证大体积砼的强度要求,因此降低水泥用量,才是降低大体积砼水化热的重要措施。据资料介绍将水泥用量降低10kg,温度相应降低1。在混合料中掺入粉煤灰代替相应水泥用量,可有效降低大体积砼的水化热。这是由于粉煤灰的放热量仅为水泥放热量的535%,粉煤灰还具有减水及降低水灰比作用,还有提高密实性防止泌水功能,并可改善细骨料级配。而且粉煤灰价格仅是水泥的1/31/4,通过掺入粉煤灰代替相应水泥用量,可有效降低大体积砼的水化热优化配合比。为了确保大体积砼强度必须满足: Mmin(m1+m2) Mmix且K minm
12、3/ m1+m2Mmix,式中: m1.m2 m3分别为水泥,粉煤灰和水的质量,Mmin.Mmix分别为胶结材料的上限和下限; Kmin.Kmix分别为水灰比的上限和下限。 2.2用水量和减水剂影响。对于大体积砼的用水量合适否,会使水泥用量及工程费用有一定影响。大体积砼的用水量要根据水泥品种,骨料品质粒径,施工需要坍落度综合考虑。在大体积砼配合比优化设计时通过掺入缓凝型高效减水剂,通过减少水用量达到降低水泥用量,实现降低水化热。另外由于缓凝廷迟了释放水化热峰值的出现时间,推迟凝结硬化速度,防止大体积砼早期抗拉强度低产生开裂。掺入缓凝型高效减水剂使砼降温成本降低,其掺量为水泥重量的0.81.2%
13、,价格约4元/kg,掺量少不会提高费用。 为满足大体积砼施工和易性和泵送要求,用水量必须符合普通砼配合比设计规程JGJ55-2000的要求,即MWminm2MWmix,在此范围内进行优化。式中m2为水的质量,MWmin,MWmix分别为用水的上限和下限。 2.3粗细骨料和砂率影响。 2.3.1粗骨料选择,在保证大体积砼不开裂的前提下,优选有利于减少水泥重量的骨料,对降低成本有利。大体积砼由于砼体积大,现在施工全部是由泵送。而泵输送管径一般为125.150mm,粗骨料可选用粒径540mm碎石。因碎石较卵石有利于大体积砼抗裂。工程应用实践表明:在对大体积砼优化设计时,选择540mm碎石比选择525
14、mm碎石每m3砼可减少用水量15kg左右,在相同水灰比情况下可减少水泥30多公斤。经验告诉我们,选择相对粒径较大的粗骨料,可以减少用水和水泥用量,降低了水化热,更减少了大体积砼的费用。对粗骨料质量要严格选择,使之符合使用要求。 2.3.2细骨料选择,细骨料使用也必须利于减少水泥用量,选择颗粒光洁含土率极少的中粗砂,砂子的细度模数在2.7-3.1之间,有利于降低水泥用量。根据施工经验可知,采用中粗砂比使用细砂,每m3砼可减少用水量25kg左右,在相同水灰比情况下可减少水泥35kg,实现了减小水化热,又降低大体积砼费用的功能。 2.3.3砂率,砂率是砼中一个重要指标。砂率大小是由水胶比(W/C),
15、粗骨料种类. 粒径确定。通过大体积砼配合比设计所要求的砂率最大,最小值进行试配确定最优砂率。为满足大体积砼施工和易性和泵送要求,必须使砂率满足Sminm4/m4+m5Smix,(式中m4、m5分别为砂子,石子质量,Smin Smix分别为最小, 最大砂率)。另外为满足大体积砼泵送要求,大体积砼坍落度一般都会在100mm以上。采取加大砂率的办法使大体积砼坍落度符合要求。对工民建工程C40的大体积砼砂率控制在3538%之间。一般是坍落度每增大20mm,砂率按1%左右幅度调整。 2.4外加剂的影响。在大体积砼配合比进行设计时,适当掺入一些高分子材料加入,能够使大体积砼材料变成具有一定强度较高极限拉伸
16、性能的抗裂韧性材料,使得大体积砼具有一定的韧性,能适应结构的温度变形需要,这样的大体积砼就不容易开裂,从而降低大体积砼的成本。在大体积砼配合比进行设计时增加如乳化沥青效果也可以,乳化沥青的掺入可提高砼的极限拉伸性能,另外乳化沥青中的水分能代替部分用水量,即减少了用水量,结果还是降低水泥用量。 3优化大体积砼配合比设计 以某基础为例优化配合比设计,基础承台为100x80x1.5m的大体积,砼强度等级为C40,在满足使用功能、 抗压强度、抗拉性能、耐久性和其它技术要求下进行。由于砼强度等级为C40,选择水泥为P.O 42.5级普通硅酸盐水泥为胶结料。为达到降低水泥用量,减少水化热和降低成本,采用当
17、地生产的540mm碎石,常用中粗砂。 水泥、粉煤灰、砂子、石子表观密度取值为: Pc=3.1x103kg/m3,Pt=2.2 x 103kg/m3,Ps=2.65 x103kg/m3,Pg=2.67 x 103kg/m3。 3.1确定基准配合比。由规范可知:fcu.o=fcu.k+1.645 式中: fcu.o 砼的施工配制强度,MPa fcu.k设计砼的强度标准值,MPa 施工单位砼强度标准差,MPa 本工程=6 所以:fcu.o=fcu.k+1.645=40+1.645x6=49.86(MPa) 骨料为花岗岩碎石,水灰比用经验公式求出: w/c=0.46fce/fcu.o+0.0322fc
18、e =0.46x1.1x42.5/49.87+0.0322x42.5=0.419 一般砼的水灰比在0.400.70之间,水灰比过大则砼的收缩量也大,同时砼更容易开裂。当水灰比过小水泥浆过干稠操作困难。考虑到大体积砼泵送需要,试验配合比定为0.41。主要还是为了保证泵送,坍落度控制在120mm左右,根据坍落度每增大20mm,砂率按1%左右幅度调整的实际,砂率按35%考虑,碎石粒径540mm利于抗裂,由于减少水泥用量,相应的成本也得到降低。 经过试配砼用水量选定为: mwo=178kg,水灰比w/c=0.41,则水泥用量为:Mco=mwo/m/c=178/0.41=434kg 根据重量公式: mc
19、o+mwo+mso+mgo=mcp s=mso/(mso+mgo) mco =434kgmwo =178kg 式中:mcp 每m3砼拌合物的假定总用量,C40以上砼取2450kg/m3 s砂率,为满足泵送,砂率取35% mco,mwo,mso,mgo分别为m3砼时水泥,水,砂子,石子用量,单位:kg 经过计算:水泥=434kg(140L);水=178kg(178kg);砂子=643kg(242.64L);石子=1195kg(447.56L)。 大体积的砼配合比为: mco:mwo:mso:mgo=434:178:643:1195 3.2对基准水灰比进一步优化。在大体积砼中水泥的价格在所有材料中
20、最贵,在保证砼质量前提下,最大限度降低水泥用量,是降低费用防止砼开裂的重要措施。采取在砼中掺入粉煤灰,既降低水化热,又降低成本。普通水泥的收缩性比矿渣水泥小,为减少开裂及C40砼的要求,选择用普通水泥配制砼。大体积砼中粉煤灰用量可取代3040%,而粉煤灰掺量为15%时效果最好。 粉煤灰取代水泥大体积砼配合比优化: 煤灰取代水泥用量: 434x15%=65.1kg;65.1/2.2=29.59L 泥实际用量:434-65.1=368.9kg;368.9/3.1=119L 粉煤灰体积:368.9/3.1+65.1/2.2+178/1=326.59L 砂石总体积:1000-326.59-10=663
21、.41L 砂子用量(砂率35%): 663.41x35%=232.19L;232.19x2.65=615.3kg 石子用量: 663.41-232.19=431.22L;431.22x2.67=1151.35kg 水的用量:由于水灰比保持不变,胶凝材料也不变为: 178kg;178L 由于粉煤灰取代水泥大体积砼配合比优化后为: mcf:mfo:mwf:msf:mgf=368.9:65.1:178:615.2:1151.35 3.3大体积砼配合比经过优化,在保证质量的前提下进行,粉煤灰代替部分水泥降低水化热,以降低费用为目的,降低是比较明显,社会效益也好。 通过对大体积砼裂缝原因的分析,对传统大
22、体积砼防止裂缝的方法经济性进行分析,采取降低水泥用量,在保证质量的前提下进行优化设计,确定各种材料的最佳用量,并计算出配合比。施工过程各环节严格控制,优化设计才能真正实现。 参考文献 1罗永会等.基于降低成本的高强砼优化J.国外建材科技,2005(4)11-13 2李立权.砼配合比设计手册M.广州:华南理工大学出版社,2003 3普通砼配合比设计规程S.JGJ55-2000.北京:中国建筑工业出版社,2001 4粉煤灰砼应用技术规程S.GBJ46-90.北京:中国计划出版社,1991 文档资料：优化大体积混凝土配合比设计的方法 完整下载 完整阅读 全文下载 全文阅读 免费阅读及下载阅读相关文档
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