高强混凝土配合比设计的优化及早期裂缝控制

黄瑾斌

某建筑工程的高强混凝土施工期间，为保证最终施工质量满足设计要求，主要以对比试验的方式针对高强混凝土配合比进行了优化设计，并进一步探索了混凝土结构早期裂缝控制方案，以实现该建筑工程混凝土施工的升级。

一、试验内容与设计

1.试验原材料的选择

水泥：选用海螺牌P·O 42.5 水泥，该水泥中3CaO·Al2O3含量低，水化热较低，质量相对稳定，适合配制C60高强混凝土；

矿物掺合料：F类I级粉煤灰以及S95级矿粉；

机制砂：厂地为福建省南平市建阳区，其细度模数在2.6～3.0的中砂，含泥量约为1.1%；

碎石：5～25mm连续级配碎石，含泥量约为0.2%，针片状含量约为3.2%，压碎指标为6.3%；

外加剂：聚羧酸高性能减水剂（标准型），减水率约为26%，含固量约为39.6%，推荐掺量为2.5%；

拌合用水：饮用水。

2.高强混凝土配合比设计

合理的混凝土配合比，既要能满足混凝土的强度又要保证混凝土的流动性和黏聚性，还要便于施工。依据JGJ55 -2011《普通混凝土配合比设计规程》，当设计强度等级大于或等于 C60 时，配制强度应按下式计算：

式中，fcu,o—混凝土配制强度（MPa）；

fcu,k—混凝土立方体抗压强度标准值，这里取设计混凝土强度等级（MPa）；

则C60混凝土配制强度为1.15×60=69.0MPa。在本试验中，设计的C60高强混凝土配合比方案有6种，如表1所示。

表1 C60高强混凝土配合比

二、试验结果分析

1.混凝土配合比设计方案的比选

结合前文设定的6种高强混凝土配合比展开混凝土试配，所得到的结果如下所示：

方案1的坍落度为240mm，1小时经时损失为10mm，扩展度为650mm，初凝时间为13.5h，终凝时间为16.0h，和易性良好，养护3天后的抗压强度代表值为41.1MPa，养护7天后的抗压强度代表值为52.1MPa，养护28天后的抗压强度代表值为64.9MPa。

方案2的坍落度为240mm，1小时经时损失为10mm，扩展度为660mm，初凝时间为13.0h，终凝时间为15.5h，和易性良好，养护3天后的抗压强度代表值为43.3MPa，养护7天后的抗压强度代表值为52.6MPa，养护28天后的抗压强度代表值为65.4MPa。

方案3的坍落度为235mm，1小时经时损失为10mm，扩展度为655mm，初凝时间为13.0h，终凝时间为15.0h，和易性良好，养护3天后的抗压强度代表值为44.4MPa，养护7天后的抗压强度代表值为54.2MPa，养护28天后的抗压强度代表值为67.6MPa。

方案4的坍落度为235mm，1小时经时损失为10mm，扩展度为655mm，初凝时间为12.0h，终凝时间为14.5h，和易性良好，养护3天后的抗压强度代表值为45.8MPa，养护7天后的抗压强度代表值为56.7MPa，养护28天后的抗压强度代表值为69.6MPa。

方案5的坍落度为230mm，1小时经时损失为20mm，扩展度为650mm，初凝时间为11.0h，终凝时间为14.0h，和易性良好，养护3天后的抗压强度代表值为46.5MPa，养护7天后的抗压强度代表值为57.3MPa，养护28天后的抗压强度代表值为72.9MPa。

方案6的坍落度为230mm，1小时经时损失为20mm，扩展度为640mm，初凝时间为11.0h，终凝时间为14.0h，和易性良好，养护3天后的抗压强度代表值为47.6MPa，养护7天后的抗压强度代表值为58.8MPa，养护28天后的抗压强度代表值为74.6MPa。

对比上述试验结果能够了解到，6种配合比设计方案在坍落度、1小时经时损失、扩展度、和易性方面均能够满足实际的C60高强混凝土施工要求；对比分析抗压强度试验结果可以判断出，方案4、方案5以及方案6均满足C60高强混凝土施工强度设计要求。基于这样的情况，针对方案4、方案5以及方案6进一步展开的重复对比试验，得到的试验结果依然表明满足C60高强混凝土配合比设计要求。相比较来说，方案5和方案6需要的水泥用量偏多，水化热较大，所以发生裂缝、更大坍落度损失的概率更高。故初步判定使用方案4作为C60高强混凝土配合比设计方案。

2.高强混凝土配合比设计方案的优化

为了进一步确定出最优的高强混凝土配合比设计方案，在本次试验中针对方案4落实了持续性的优化。在此过程中，调整砂率，控制其他材料投放量不变，得到的结果如下所示：

在砂率为37%时，坍落度为235mm，扩展度为690mm，养护28天后的抗压强度代表值为69.4MPa。在砂率为39%时，坍落度为235mm，扩展度为665mm，养护28天后的抗压强度代表值为69.7MPa。在砂率为41%时，坍落度为240mm，扩展度为650mm，养护28天后的抗压强度代表值为70.1MPa。在砂率为43%时，坍落度为250mm，扩展度为660mm，养护28天后的抗压强度代表值为69.5MPa。在砂率为45%时，坍落度为250mm，扩展度为625mm，养护28天后的抗压强度代表值为69.1MPa。在砂率为47%时，坍落度为250mm，扩展度为610mm，养护28天后的抗压强度代表值为68.2MPa。

结合上述分析结果能够了解到，在砂率增大的条件下，坍落度有所提升，而扩展度随之下降，意味着混凝土的包裹性随着砂率的增加而增加；骨料比表面积随砂率的增大而增大；混凝土含气量差异不显著，黏性也未发生加较为明显的改变；在养护28天后，砂率为41%的混凝土抗压强度代表值较高，其余数值均在波动范围内。综合性能、成本等多方因素的考量，可以将砂率控制在42%左右。

综合来看，C60高强混凝土配合比的最优配合比设计方案为优化后的方案4，即：水灰比设定为0.31，水为163kg/m3，水泥为436kg/m3，粉煤灰为30kg/m3，矿粉为60kg/m3，砂为708kg/m3，石为1019kg/m3，外加剂为13.9kg/m3。

三、高强混凝土的早期裂缝控制

1.早期裂缝控制思路与标准

在本次试验中，主要通过控制温度的方式实现对混凝土结构早期裂缝的有效控制。高强混凝土仿真计算用温度控制标准主要如下所示：入模温度不高于26℃；降温速率不高于每天2℃；内标温差不高于25℃的水平；进出水温差不高于10℃；内部温度不高于65℃；冷却水与混凝土内部最高温度不高于25℃；养护水与混凝土表面温差不高于15℃；混凝土表面与大气温差不高于20℃。

2.控制措施

（1）在控制现场入模温度时，所应用的措施及其成效如下所示：骨料主要使用搭遮阳棚、喷雾、通风冷却等措施进行温度控制，促使其温度始终保持在低于气温4℃～5℃的水平；依托对胶材长期储存、转运、倒仓等措施的应用，使得水泥温度始终控制在不高于50℃的水平，同时控制粉煤灰的温度始终保持在不高于40℃的水平；在拌和水内投放碎冰，促使混凝土温度保持在不超过5℃的水平；针对金属模板的外表面实施洒水降温处理，促使温度降低8℃～10℃左右；落实仓面喷雾，促使温度能够下降至低于环境温度2℃～3℃的水平。

（2）混凝土快速升温阶段的温度控制措施。投放具备更强抗压性能的铁皮管，在混凝土周边以60cm为间距实施上下、水平铺设，在管内通入水，以此实现快速降温，实现对温峰的有效消除。

（3）混凝土降温阶段的保温措施。在完成浇筑的混凝土表面复合覆盖彩条布与土工布；在拆模前期，在金属模围堰内投放冷却水，落实蓄水养护，控制蓄水高度保持在不低于20cm的水平。

3.监测结果

在试验混凝土结构的底面以上中央位置布设多个测温传感器，布设具体位置为高度为0.3m的位置以及高度为2.5m的位置。所得到的混凝土结构测点温度的监控值如图1所示。

图1 混凝土结构测点温度的监控值

结合监测结果能够了解到，57℃为该混凝土结构的内部温度最大值，18℃为内表温差最大值，符合前文所述的温度控制要求。在达到温峰后，应用对降温管道内通热蒸汽、对部分冷却水管进行关闭的方式控制降温速率，保证其满足降温速率为不高于每天2℃的要求。在养生脱模后，对该混凝土结构进行观察，未发现裂缝，实现了对高强混凝土裂缝的早期防控。

四、总结

综上所述，本次试验所得到的C60高强混凝土配合比为，水灰比0.31，水为163kg/m3，水泥436kg/m3，粉煤灰30kg/m3，矿粉60kg/m3，砂725kg/m3，石1002kg/m3，外加剂13.9kg/m3。结合对现场入模温度、混凝土快速升温阶段的温度的控制，以及混凝土降温阶段的保温处理，能够达到控制混凝土早期裂缝产生的效果。