高原地区超长混凝土结构配合比设计

冯泽龙 辛 军 田晓东 陶 金 张思磊

（中建交通建设集团有限公司，北京 100000）

0 引言

近几年，随着建筑行业的飞速发展，我国在超长混凝土结构的研究方面取得了很大进展，尤其是高原地区的超长混凝土结构进行了大量的试验研究，通过对试验结果进行总结分析得出，在材料选择，工艺成型以及配合比检测等方面都有更充足的理论及数据支撑，为超长混凝土的进一步应用提供保障，本文对此进行详细介绍。

1 超长混凝土结构的基本力学性能

1.1 结构收缩变形

混凝土的结构收缩是指不受外部荷载作用的混凝土，从浇筑到凝固过程中结构变形而导致体积的减小，混凝土的收缩特性与其自身的物理属性有关。收缩变形根据发生机理不同可分为不同的类型，实际工程当中，温度收缩和干燥收缩为主要的影响因素。混凝土浇筑硬化，内部结构由流体到塑性固体的变形，由于受外界环境及温度的变化，造成体积的变化。水化热反应过程大量的热量使得混凝土体积变大，而随着整个过程混凝土结构内部和表面温度差，混凝土产生收缩变形，当膨胀或者收缩变化超过混凝土的极限抗拉强度时就会产生裂缝，造成产品质量问题。混凝土的收缩过程，刚开始浇筑时收缩较为迅速，随着时间的变化混凝土变形逐渐放缓。影响混凝土收缩的因素有很多，但概括起来主要为混凝土材料的配合比及水灰比。目前使用较多的商品混凝土，不同品种的收缩量不同。当设计混凝土时，用水量越大会使得水灰比升高，凝固硬化时水分蒸发得就越多，容易造成混凝土裂缝。水泥的用量及品种等级会对收缩产生影响，水泥用量越多、活性越高会使得收缩变形越大。混凝土材料中所包含的骨料粒径也会影响收缩变化，实际工程中为了满足混凝土可泵送性，较多使用粒径较小的混凝土骨料，通常骨料粒径越小收缩变化程度越大，降低了混凝土体积的稳定性；掺合料外加剂的使用，虽然在改善使用性能时发挥了作用，但也为混凝土收缩变形变大埋下隐患。因此对超长混凝土结构温度收缩变形进行控制，科学合理地设计混凝土材料的配合比及水灰比，再结合现场环境组织施工方案，以减少混凝土超长结构施工中裂缝的产生。

1.2 耐久性

混凝土除了要有适度的强度外，还要保障在实际环境应用中具有良好的耐久性。比如抗渗性、抗冻性、抗硫酸盐、抗侵蚀性、抗压疲劳形变、碱骨料反应等。抗渗性指的是混凝土在制作过程中，振捣工艺不严谨会使得内部结构存有孔隙和孔洞，这种结构会导致混凝土周围的物质渗透到混凝土內部，一旦水气进入，将会使得建筑配筋生锈，降低安全性能。抗冻性指混凝土抵抗冷冻的能力。高原严寒地区，混凝土结构渗入水分受冷结冻后，使混凝土內部孔隙和孔洞承受较大工作压力。抗侵蚀性指混凝土在实际工作中抵抗腐蚀的性能。实际工程中常见的侵蚀性液体主要是硫酸盐溶液、酸性水、碱类的浓溶液等。

1.3 温度应力

在自然环境中，由于外部气候及其他因素的影响会造成混凝土结构的变化。如温度的影响，当温度降低时，混凝土内部结构的抗拉能力小于低温处具有的拉应力时，就会导致超长混凝土结构产生裂缝。常见的温度影响因素主要有季节性变化的温差，寒潮等温度骤降形成的温差，不同时间以及地点对混凝土的影响也有差别。混凝土自身温度应力属性的形成主要受混凝土的配合比、水泥品种、水泥用量等因素影响，其结构的变化与温度变化并不是简单的线性关系。实际工程中混凝土结构复杂，包含多种不同造型的构件，在各个构件之间也会形成一定的温差。对温度应力的分析就变得比较复杂，需要借助有限元软件，如ANSYS等，按应力求解法或者按位移求解法来分析求出温度应力。当然温度应力是混凝土材料本身的物理性质，分析其形成影响因素就能够在实际工程中采取必要的措施控制温度应力。

2 高原地区超长混凝土结构配合比设计研究

2.1 配合比设计原则

混凝土配合比，即水泥、砂子、石及水用量的比例关系，直接影响到混凝土的施工质量和施工成本。

（1）在进行混凝土配制前，必须先对所要用原材料和组成材料的性能、各组分之间以及各种物质各自应有特点等因素作充分考虑，才能使其具有一定强度。

（2）在配合比设计前，应先将所需原料进行分类堆放并存放于指定地点；然后按照实验要求对其进行适当搅拌使之达到规定标准；最后再根据试验结果确定最佳配比率及品种、规格和级号等相关参数。在试验过程中，应严格控制各配合比的质量，并对其进行必要的取样检测。若发现不符合要求时必须及时更换。

（3）混凝土的配合比优化设计中，要严格遵循从低到高、从骨料选取角度出发配制最佳原材料和技术措施相结合原则；合理确定各组成分项系数。在保证使用性能前提下，尽量减少原材料消耗量。

（4）在试验过程中，尽量减少对早期工程量及施工周期影响；同时也不能降低试验段混凝土配合比例值。当选择大体积混凝材料时应尽可能采用单品种的水泥或掺加粉煤灰、矿渣等替代部分低塑钢材或者高强度细砂作为混凝土用料，

（5）根据试验结果选择最佳配合比并优化设计参数。通过合理地确定混凝土的配筋计算来提高经济效益；同时，可以从技术可行性及经济性等方面考虑采用不同种类及同系列产品进行比较分析，以获取最好的配合比例方案，从而得到最优组合。

2.2 配合比设计试验

试验分为室内和室外两个阶段，通过试验对超长混凝土配合比、施工方法以及现场的环境进行了分析。

（1）室内试验：在试验施工过程中，根据不同工程部位的要求来选择相应数量且质量较高强度等级及耐久性能好的材料，还需充分考虑当地气候条件等方面因素的影响，以全面准确地对试验结果进行分析总结。

（2）室外实验：通过对混凝土原材料、配合比以及水灰比进行现场和近效的研究分析之后确定最佳施工工艺参数，应遵循工程实际情况，合理选择原材料及施工方法。通过测定不同组合间混凝土强度来确定最佳工艺参数。在进行试验过程中，首先将水泥、砂率分别按不同比例算出各组份内水灰比和硅含量；然后计算并记录实验数据，最后汇总整理得出相应结论及规律性结果分析；其次是根据实测数据结合以往学者们的实验资料，确定混凝土配合比例值。通过试验得到的参数对实验结果进行分析，验证了该混凝土配合比设计的合理性，并为工程实践提供参考意见。

2.3 配合比设计结果与讨论

混凝土配合比设计是一个复杂的多目标决策问题。对配合比设计时需从以下几方面进行综合考虑：首先要对影响混凝土最终配制效果的因素；其次是可优化调整的因素，如原材料、骨料等材料用量；还有就是根据施工环境确定的拌合比例；再就是混合方式对混凝土性能产生影响等，这些都必须在试验中完成，以保证配合比设计结果准确并满足工程要求。

3 高原地区超长混凝土结构配合比设计应用

3.1 配合比的选择与思路

高原地区超长混凝土配合比设计：首先进行试验，确定普通级配用量和硅酸盐类掺合料及其含量、矿粉与低筋比例及水灰比对其耐久性等方面的影响；然后通过正交实验得出最优组合方案并验证推荐值范围内各因素变化趋势；最后利用ANSYS有限元软件建立三维模型模拟典型工程实体试件性能受环境化学条件(如温度，湿度，CO浓度等)影响的情况。通过分析得出结论：在相同强度等级条件下普通级配和与高筋比例及水灰比对耐久性、抗渗性以及塑性性能均有显著影响；随着外加水量逐渐增大后其力学性质变化趋势不明显，并结合试验结果进行了误差分析，验证超长混凝土配合设计方法的正确性。

3.2 工程概况

本工程建设地点位于拉萨市城关区江苏路与东山路交汇处西。总建筑面积14796.78m2，建筑占地面积13800m2，地上建筑层数4层，高度23.95m，装饰构架最高点51.0m，地下建筑层数1层，建筑防火类别一级，地震基本烈度8度，主要结构选型为框架剪力墙结构，结构安全等级为一级。混凝土强度：基础垫层：C15；筏板基础、独立基础、条形基础：C30；框架柱C50。

3.3 工程原材料的选择

原材料的特性对混凝土强度有很大影响，选用的原料必须是耐久性强且具有一定延性和级配变化范围的。同时还要求所选材料要有良好的水化作用，并能与周围介质发生化学反应以及力学性能稳定，而不容易因外界湿度过大或高温影响其稳定性。应优先考虑到经济效益好、易获得的产品。

混凝土中使用到的水泥主要是低强度胶凝材料，如普通硅酸盐类。本工程选用低热硅酸盐水泥或者低热矿渣硅酸盐水泥。主要是低强度胶凝材料和细集料组成；而细集料则与混凝土配比有着密切联系。因此为了满足工程经济性、耐久性等性能，需要在试验过程中采用不同品种、规格级号以及粒径大小的砂石，并能达到较高配合精度要求就必须对其进行合理选择。在配合比设计前，应先将所需原料进行分类堆放并存放于指定地点；然后按照实验要求对其进行适当搅拌使之达到规定标准；最后再根据试验结果确定最佳配比率及品种、规格和级号等相关参数。

本工程选用非碱性骨料。其粒径选用5.0mm～31.5mm。混凝土原材料用量为0.5%时，经过1次减水剂拌和后发现性能基本稳定;当砂率增加到100%、0.5h以及更高标准之后都会出现不同程度的收缩现象。而随着粒径大小及级配尺寸增大对水泥浆体流动性有很大影响。在掺入量控制方面要严格按照规范要求进行。

混凝土配比时要按照设计及操作规程执行拌合用水量，不应大于160kg的用水量，同时满足小于等于300kg的水泥用量。严格控制混凝土坍落度为120mm～160mm，高温季节施工，应采取措施缓凝。施工完成后混凝土强度不大于设计强度的1.2倍，并且测试60d的强度配合比作为重要的设计参考数据。

混凝土总收缩值应控制在0.0004以下。按标准测量的混凝土弹性模量实测值与规范标准值的比值在0.95～1.10之间。顶板二层楼面剪力墙、二层楼面梁板混凝土中掺入适量钢纤维，钢纤维采用异形钢纤维，强度等级380级，纤维长度30mm～60mm，当量直径0.3mm～0.9mm，长径比40～80，掺量保证在30kg/m³。楼面梁板混凝土中掺入适量聚丙烯纤维满足规范。

3.4 混凝土的拌和

3.4.1 混凝土浇筑要求

（1）首先明确各个保障区段内浇筑作业连贯性。（2）区段内，同层的柱、梁、板混凝土应同时浇筑，施工缝只应在柱底处。（3）混凝土的浇筑形式，应分层次进行，类似以阶梯模式进行推进，各层浇筑时间间隔要严格按照标准进行，小于初凝时间。（4）从中部向两侧连续浇筑混凝土，不得中断。（5）混凝土应加强振捣，不得漏振、欠振，且不得过振。（6）当遇梁柱节点钢筋过密时，应事先做好预案措施，务必保证该部位的砼浇筑密实。

3.4.2 后浇带施工要求

后浇带未浇筑前支架模板应保证钢筋混凝土结构（特别是单排柱）的稳定和安全。施工时应做必要的支撑以保证结构的稳定。浇筑前对施工面进行清理，保证混凝土紧密性，并且不会混杂浮尘及杂物。用水冲洗并湿润24h后，砼表面应采用纯水泥浆接浆。后浇带均应选择在气温较低（合拢温度宜5℃～12℃）时采用膨胀混凝土浇筑，混凝土必须振捣密实。

3.5 配合比检测

混凝土配合比的检测方法有很多种，常用的有目测法、电探直方仪检测法等。在进行超长混凝土试模制作之前要对其坍落度和出浆深度以及孔隙率进行测定。采用这种办法时，首先要将拌合料倒入坍落后标记地塞好口后，装进标养管中并放入水箱里，密封待用之后再加入适量的水使混凝土充满；采用C30及以上的高速级换算方法，计算出混凝土坍落度。在确定了各配合比方案后，通过试验对比分析得出最佳拌和时间、水灰比以及高程。通过对工程概况的了解，确定了试验区混凝土配合比为普通低热多功能水泥稳定碎石混合料坍落度损失最小时，在最佳掺量和拌制时间，用先进先出法、级配过渡到单头注水来控制混凝土的粘聚性[1-5]。

4 结束语

混凝土配合比设计应根据不同的工程性质、气候条件及施工要求等，结合当地水文地质特点，选择最适合该地区的最佳材料及配合比。在进行敏感性评估时，应首先对混凝土的耐久性作出全面考虑，其次还需根据环境条件及使用性能，确定超长混凝土料和预拌砂浆的用量。总的来说，超长混凝土是一种新型的建筑材料，它与普通钢筋相比，具有良好的力学性能及耐久性，可承受更高负荷的各种工作环境，在高原地区优先选用超长混凝土代替水泥砂浆进行加工后浇带作业，可提高工程质量及经济效益。