余成行1 王大勇2
（1．北京市中超混凝土有限责任公司；2．北京市建设工程安全质量监督总站）
摘要：粉煤灰掺量为50%的大掺量粉煤灰混凝土(HVFAC)，其强度、收缩和温升等性能均能满足“中国尊”工程主楼C50P10R60大体积混凝土工程的要求，有效解决了厚度为6.5m基础底板的温差控制和最高温度应低于75C的问题，并在93h完成5.6万m3的混凝土一次性浇筑施工。
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关键词 ：大掺量粉煤灰混凝土；大体积混凝土；温差控制
收稿日期：2014-8-6
前沿
大掺量粉煤灰混凝土因其独特的性能优势在我国的研究与应用日益成熟。大掺量粉煤灰混凝土( HVFAC)的主要特点概括为：降低混凝土水化热；提高混凝土抗渗性、抗Cl-渗透和化学腐蚀及碱集料反应的能力；降低混凝土材料成本；大幅节约水泥和处理电厂废弃物，具有节能、节约资源和改善温室效应等作用，有关的技术性能指标的研究和工程应用屡见报道。这些都为大掺量粉煤灰技术在工程中的应用提供了可靠的试验数据和工程借鉴。
随着北京CBD核心区的建设，众多北京市重点工程为建筑新技术的应用和提高提供了难得的实践平台，215地块的“中国尊”就是最具有代表性的工程之一。
1工程概况
北京市朝阳区CBD核心区215地块项目总建筑面积约43.7万㎡，建筑高度528m，地上108层，地下7层，其中地上建筑面积35万㎡，地下约8.7万m2。本工程地下室东西长约136m，南北宽约84m；塔楼底部尺寸约78mx78m，在中上部平面尺寸略为收进，尺寸为54mx 54m，向上到顶部又略为放大，但顶部尺寸小于底部平面尺寸，约为69m x69m。主体结构体系为巨型外框筒+内核心筒，巨型外框筒为“巨柱+斜撑+转换桁架+次框架”，内核心筒从下到上依次为钢板混凝土剪力墙、钢支撑混凝土剪力墙和钢筋混凝土剪力墙。201 1年9月开工，预计2016年底建成并投入使用。
本工程底板混凝土强度等级为C50，抗渗等级为P12，设计要求混凝土强度验收按60d或90d考虑。基坑东西长约136.1m、南北长宽84.2m，底板施工总面积约1.1万㎡。基础形式为桩筏基础，塔楼底板厚度6.5m，纯地下室部分底板厚度2.5m，两者间过渡区底板厚度4.5m，底板混凝土一次浇筑的最大体量约5.6万m3。
2大体积混凝土主要技术指标要求
考虑到工程的结构特点和施工条件，基础底板混凝土的技术要求主要有以下几个方面：
(1)强度等级：C50P12R60；
(2)坍落度：200mm—230mm，扩展度≥500mm;
(3)扩展度经时损失：≤30mm/2h;
(4)和易性良好，无离析泌水现象；
(5)初凝时间：16h—19h;终凝时间：20h—24h;
(6)采用I级粉煤灰，不掺加矿渣粉；
(7)混凝土人模温度在25℃以内，混凝土内部最高温度不宜超过75℃。
3原材料
(1)水泥：采用北京琉璃河水泥厂生产的P.0 42.5水泥，其性能指标见表1。
(2)掺和料：由于大体积混凝土生产施工时，粉煤灰用量较大，应选择产量、库存和运输等能力较强且能够满足集中供应要求的生产单位的粉煤灰，粉煤灰性能指标见表2。另外，采用S95级矿粉进行对比试验分析。
(3)砂子：采用河北滦平产天然中砂，低碱活性。
(4)石子：采用北京密云产5mm~ 25mm连续级配机碎山石，低碱活性。
(5)外加剂：采用天津雍阳外加剂厂生产的UNF-5AST聚羧酸系缓凝型减水剂。
4配合比优化试验
大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇注后由于水泥产生的水化热，内部温度快速上升，此时混凝土弹性模量很小，升温引起的压应力并不大；当温度达到峰值而逐渐下降时，水泥水化热继续缓慢释放，混凝土自身的导热系数小，热量不容易向外扩散导致混凝土产生较大的温度梯度，而此时混凝土的弹性模量较大，从而形成较大的温度拉应力，混凝土很容易出现裂缝。同时由于大体积混凝土在硬化过程中产生化学收缩、混凝土表面水分损失过快、地基在变形时产生不均匀沉降等均可能加大裂缝产生的可能性。为了满足设计和施工的要求，确保混凝土工程质量优良且达到经济合理，根据本工程设计参数、底板混凝土的特性和现行国家标准，对本工程配合比进行设计。本工程底板大体积混凝土配合比设计将遵循下述原则：
(1)综合考虑耐久性、强度、降低水化热温升和体积稳定性以及混凝土的各方面工作性能，并按强度一低水化热和体积稳定性→混凝土工作性能→耐久性的优先次序确定最终配合比；
(2)混凝土为C50P12，采用60d抗压强度为评定强度。考虑到混凝土耐久性及降低水化热的要求，在满足设计强度要求的前提下，尽可能减少水泥用量，掺加优质粉煤灰，掺量在40%—50%左右，胶凝材料总用量控制在420kg/m3~ 480kg/m3，水胶比小于0.40;
(3)根据相关标准规定，碱含量不超过3kg/m3，最大氯离子含量小于0.06%。
4.1正交试验初选配合比
大体积混凝土配合比设计过程中，在采用北京现有混凝土原材料的前提下，根据大体积混凝土的具体性能要求进行一系列的试验研究。试验步骤为：确定水泥和外加剂品种一配合比正交试验优选配合→选择出2—3组合理配合比→检测水化热、收缩等性能以选择最佳配合比→机组试生产。试验的最终目标是：得到的配合比能够体现出本工程大体积混凝土所要求的最佳综合性能。
混凝土考核的性能指标主要是抗压强度、抗渗等级、水化温升和体积稳定性。根据影响这些性能的主要因素，依据设计原则确定表3所示的L16 (45)因素水平。
考虑到砂率和外加剂掺量对所考核的指标影响不大，在配比设计时未进行特别分析。砂率的选定主要是满足和易性的要求，在35%~ 45%之间；外加剂掺量满足初始坍落度200mm±20mm的要求，且采用缓凝型控制混凝土的初凝时间16h^一19h。对16组配合比进行相关试验，混凝土试配时采用工程中实际使用的原材料，混凝土的搅拌方法与生产时的方法相同，得到表4、表5试验结果。
从坍落度检测结果分析可以得到（具体分析过程不再赘述），较好的组合可以从A1238234C134D123中选取。从混凝土的绝热温升控制角度来看，组合A12348123C234D123满足要求。工程要求混凝土60d强度为1OO%-120%，由此得到混凝土的配制强度为58MPa~ 68MPa;同时控制混凝土的强度不能过高，由此可以得到的组合为A238234C34D123。
综合分析水化温升和收缩等因素，在满足强度要求的前提下选用胶凝材料总量较低、矿物掺和料用量较大、粉煤灰比例较大的组合设计配合比。由此，初步认为配合比组合较为合适的是A23823C34D12，即水胶比为0.37~ 0.40，胶凝材料总量440kg/m3—470kg/m3，掺和料掺量45%—50%，粉煤灰与矿粉比例1：0或6:4。
4.2配合比的初步选定与检测
综合考虑大体积混凝土性能的各项影响因素后，在“水胶比为0.37~ 0.40、胶凝材料总量440kg/m3~ 470kg/m3、掺和料掺量为45% ~50%、粉煤灰与矿粉比例为1：0或6:4（粉煤灰用量尽可能大）”的技术参数下，最终确定六组对比试验配合比（见表6）进行复验。在试验时，检测混凝土的和易性、坍落度（扩展度）及经时损失(1h、2h)、抗压强度(7d、14d、28d、45d、60d、90d)、混凝土绝热温升、抗渗等级和体积稳定性（收缩性能指标）等（见表7），并通过分析这些性能指标选择最终采用的配合比。
从表7可以看出，各组配合比的抗渗性能均满足要求。分析绝热温升和收缩结果后发现，矿物掺和料掺量尤其是粉煤灰掺量对这两个参数影响较大。此次试验表明，对大体积混凝土来说，粉煤灰对绝热温升和自收缩的影响与矿渣粉相比具有比较明显的优势。从温升和收缩来看，较为适宜的配合比为第4、第5和第6组，绝热温升在45℃左右，自收缩小于200με。
4.3不同混凝土公司的试验结果
大体积混凝土计划由四家商品混凝土公司同时供应，因此对胶凝材料和减水剂进行了统一，即采用同一厂家、同一品种，砂石只统—了规格、品种和产地。在此前提下，各混凝土公司按照表6配合比进行试验，目的是评定几组配合比在不同单位生产的性能结果（见表8）。
由图2分析60d标准养护强度可知，各组强度均满足配制强度(58MPa~ 68MPa)要求，只是第6组有点偏低。从90d强度来看，各组配合比都有所增长，相对而言，最后两组配合比的波动较大。综合上述绝热温升和收缩检测结果，最佳配合比为第4组和第5组，优先选择第4组。
4.4基准混凝土配合比的确定
通过上述试验的对比分析，初步确定第4组配合比为大体积施工时的基准配合比（见表9），本配合比的绝热温升为43.1℃，自收缩为165.2 μm。
4.5不同混凝土公司混凝土混合试验
试验目的是通过四家搅拌站采用各自采购的原材料搅拌的混凝土拌和物之间的相容性，判断不同厂家的拌和物相互混合后对混凝土拌和物工作性和强度的影响（如图3和图4所示）。试验时，各家采用相对统一的自有原材料分别按基准配合比（外加剂掺量自定）搅拌两盘混凝土，检测坍落度、扩展度及其损失(1h、2h)，并观察拌和物的和易性。然后，把四家采用相同配合比的混凝土拌和物各取10L左右进行混合再搅拌，搅拌均匀后检测坍落度、扩展度及其损失，并观察拌和物的和易性。如果不同拌和物混合后，流动性大幅度降低，或者坍落度（扩展度）损失速度过大，则判定为相容性不良。
从试验结果来看，除个别混凝土拌和物泌浆、1h仍略显离析外，绝大部分混凝土拌和物状态能够满足本次大体积混凝土配合比性能设计要求。四家混凝土拌和物混合后，未出现流动性大幅度降低或坍落度损失速度过大的现象，说明此次试验的不同厂家的配合比相容性较好。在试验中也发现，混凝土拌和物的外观颜色稍有差别，主要原因是不同批次的粉煤灰的色差引起的。
5工程应用情况
5.1现场施工（如图5、图6所示）
经过总包单位的精心策划和各参建单位的努力，2014年4月下旬进行混凝土浇筑，采用“12台车载泵+4套溜槽+2套串管”进行浇筑施工，按照“斜面分层、自然流淌、连续推进、一次到顶”的施工方法，四家商品混凝土公司同时按照各自的计划路线和停车点的要求保证混凝土的运输和连续供应，共投入120余台混凝土罐车运输，5.6万m3混凝土历时93h浇筑完成。期间环境温度16℃-26℃，混凝土人模温度18℃—22℃，入模坍落度190mm—220mm．混凝土无离析泌水现象，和易性良好，浇筑顺利。
5.2养护
混凝土浇筑出面后，按标高收平，采用木抹子多次抹压的收面方式，边收面边覆盖一层塑料布。待轻踩刚能上人时掀开塑料布进行二次抹压，并做拉毛处理，继续覆盖。同时，根据温度监控情况，按照施工方案要求增减保温材料的厚度（如图7、图8所示）。
5.3测温结果
混凝土在整个浇筑过程中，大气温度为16℃一26℃，微风，环境湿度为20%—45%，采用JDC-2型建筑测温仪，测温历时60d，中心最高温度72.8℃，测温点布置与典型的温度监测曲线如图9和图10所示。从图中可以看出，当混凝土浇筑2d—3d时，混凝土内部达到最高温度，然后缓慢降温，直到60d时，混凝土的内部中心温度仍在55℃左右。
5.4现场混凝土质量检查结果
混凝土浇筑时共留置60d抗压强度试块300余组，抗压强度54.8MPa~ 63.4MPa，平均56.7MPa；抗渗试验按照相关标准进行检测，均达到设计要求。通过对实体的检查，除存在极少量细小表面裂缝外，未发现任何有害裂缝。
结语
通过优化混凝土配合比，采用大掺量粉煤灰的技术路线，将水胶比降低至0.40以下，可显著降低混凝土温升，对大体积混凝土温度应力裂缝有明显的抑制作用。同时，采用适宜的浇筑方法和养护方法，加强温度监控等也是控制内部最高温度、避免大体积混凝土开裂行之有效的措施。本工程充分说明，在采用正确的技术路线和施工组织得到有效实施的前提下，超大超厚大体积混凝土的结构质量是能够达到令人满意的效果的。
由于当前材料的变化，尤其是水泥细度和掺和料的复杂性，混凝土强度的长期发展规律与以往的历史经验相比可能发生了较大的变化，其增长趋势有待进一步研究。
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参考文献：
[1]余成行等．大掺量粉煤灰混凝土在中央电视台新台址工程中的应用[J]．混凝土，2006(8):88-91．
[2]弗朗索瓦·德拉拉尔．混凝土混合料的配合[M]．化学工业出版社，2004．
作者简介
余成行，1976年生，高级工程师，北京市中超混凝土有限责任公司常务副总经理，副总工；中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员、中国硅酸盐学会高性能混凝土专业委员会委员、中国建筑学会建筑材料分会混凝土外加剂应用技术专业委员会委员、中国混凝土与水泥制品协会预拌混凝土分会混凝土工程技术专家委员会委员。
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