c40混凝土抗压强度实验数据记录（C40低温升抗裂大体积混凝土设计制备及其性能研究）

c40混凝土抗压强度实验数据记录（C40低温升抗裂大体积混凝土设计制备及其性能研究）（1.湖北交投智能检测股份有限公司，武汉，430051刘力1，湛文涛1，王欢1 胡晨光2混凝土强效剂母液生产商--托力特环保科技营销部经理：列丽婵：13829751653 微信同号C40低温升抗裂大体积混凝土设计制备及其性能研究

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营销部经理：列丽婵：13829751653 微信同号

C40低温升抗裂大体积混凝土设计制备及其性能研究

刘力1，湛文涛1，王欢1 胡晨光2

（1.湖北交投智能检测股份有限公司，武汉，430051

2.华北理工大学材料科学与工程学院，唐山，063210）

摘要：针对普通C40大体积混凝土胶凝材料用量高、绝热温升大和易收缩开裂等问题，本文提出采用高掺粉煤灰 矿粉复合矿物掺合料，复配超分散减缩外加剂 水化温升抑制剂等措施，制备出的C40低温升抗裂大体积混凝土7d绝热温升仅为31.87℃，60d自收缩和干燥收缩为227×10^-6和241×10^-6，抗裂等级达到L-Ⅴ。本文成果已成功应用于白洋长江公路大桥主塔承台和锚碇，在取消通冷却水管情况下，混凝土未产生有害温度裂缝和收缩裂缝。

关键词：C40大体积混凝土；低温升；抗裂；应用

0 工程背景

呼北高速白洋长江公路大桥主桥为跨径1000m悬索桥，主塔高151m，承台和锚碇扩大基础均设计采用C40大体积混凝土，其中两岸承台底面尺寸25.5m×19m，厚6.0m，承台顶面设高2.0m塔座，混凝土总方量6400.8m³，单次最大浇筑方量为2400m³；宜都侧锚碇采用扩大基础方案，平面尺寸为101×71.5m，混凝土设计总方量72939.7m³，单次最大浇筑方量分别为5500m³ 且根据工程进度安排，承台和锚碇扩大基础混凝土施工均选在夏季。综合国内类似工程发现，已应用的C40大体积混凝土胶凝材料用量仍偏高，脱模后仍存在温度裂缝和收缩裂缝，且采用冷却水管降温措施，不仅增加工程成本，且孔道压浆效果也难以保证^[1-2]。

1 原材料与实验方法

1.1 原材料

（1）水泥：华新P·O42.5普通硅酸盐水泥，主要性能指标见表1；

（2）粉煤灰：湖北华电Ⅱ级粉煤灰，烧失量为5.80%，需水量比为103%，细度为9.70%（0.045mm筛余）；

（3）矿粉：宜昌滕阔再生资源工贸有限公司生产S95级矿粉，比表面积450m²/kg，7d和28d活性指数分别为89.1%和100%；

（4）粗集料：宜都白鸭垴呙家冲碎石场生产5~26.5mm连续级配碎石，压碎值8.9%，针片状含量4.1%；

（5）细集料：洞庭湖黄砂，M_x=2.81，含泥量0.4%；

（6）超分散减缩外加剂：湖北江城子建材科技股份有限公司生产，固含量45%，减水率为56%；普通聚羧酸减水剂，固含量30%，减水率40%；

（7）水化温升抑制剂：江苏苏博特新材料股份有限公司生产，白色粉末状，细度（1.18mm筛筛余）≤0.50%，总碱量≤0.60%，氯离子量≤0.05%。

（8）拌合水：自来水。

1.2 试验方法

混凝土拌合物工作性试验按照GB/T50080-2002《普通混凝拌合物性能试验方法标准》进行；混凝土的搅拌、成型、养护及力学性能试验按照GB/T50081-2002《普通混凝土拌合物力学性能试验方法标准》执行；水化热试验采用TAMAir型水化微量热仪；混凝土耐久性能指标测试按照GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》进行。

2 C40低温升高抗裂大体积混凝土配合比优化设计

基于密实骨架堆积设计原理^[3]，确定C40大体积混凝土基准配合比（具体见表2），混凝土工作性能、力学性能、抗裂性能如表3和表4所示。

由表5分析可知，采用普通聚羧酸减水剂配制的基准配合比混凝土的初始工作性能尚可，但2h后坍落度和扩展度损失较大，保塑性能较差，无法满足大体积连续泵送施工要求。此外，从表4中还可看出，混凝土早期绝热温升较高，自收缩和干燥收缩偏大，抗裂性能较差，难以保证白洋长江公路大桥100年设计使用寿命。

2.1 胶凝材料组成

混凝土胶凝材料及其水化产物既是其力学性能的主要贡献者，又是耐久性性能的主要载体。鉴于此，本文针对普通大体积混凝土普遍存在胶凝材料和水泥用量高等问题，重点研究胶凝材料组成对C40大体积混凝土工作性能、力学性能、绝热温升、体积稳定性能和抗裂性能的影响规律，具体混凝土配合比见表5，混凝土性能试验结果如表6和表7所示。

从表6分析可知，随着矿粉掺量增加，混凝土的初始工作性能和保塑性能有所改善，凝结时间略有延长；混凝土力学性能随矿粉掺量增加呈先降后增趋势，且在矿粉掺量为20%时，抗压强度和劈裂抗拉强度达到最佳。同时，从表7中可以看出，随着矿粉掺量增加，混凝土的绝热温升逐渐降低，但各龄期自收缩和干燥收缩增大，开裂敏感性增强，抗裂性能降低。考虑矿粉对混凝土上述性能的影响规律，确定C40大体积混凝土中矿粉的掺量宜控制在20%。此外，综合上述研究结果不难发现，如何实现复掺矿粉后大体积混凝土绝热温升和收缩开裂协同控制是本文重点解决的技术难题。

2.2 超分散减缩外加剂

国内外已有研究结果表明，混凝土中有10~20%左右的水泥在水泥拌合中由于无法分散，不能参与水化，仅作为微集料起到填充作用^[4]，无法发挥胶结作用。因此，本文选用具有分散未水化水泥颗粒和减缩功能的新型外加剂，在保证胶凝材料组成比例、水胶比和砂率不变的基础上，将C40-2配合比混凝土胶凝材料降低10kg/m³，对比研究超分散减缩外加剂掺量对混凝土工作性能、力学性能、体积稳定性能和抗裂性能的影响规律，具体混凝土配合比见表8。

2.2.1 超分散减缩剂对混凝土工作性能和力学性能的影响

表9为不同超分散减缩外加剂掺量作用下混凝土工作性能和力学性能试验结果，图1为胶凝浆体化学结合水测试结果。从表9和图1可以看出，随超分散减缩外加掺量增加，混凝土的初始工作性能和保塑性能有所提高，而力学性能呈现先升后降趋势，分析原因主要为：超分散减缩外加剂中的酰胺基团可有效改善水泥颗粒的固-液表面张力和分子之间的静电斥力，提高水泥颗粒间的空间位阻效应，将原来相互黏结的水泥颗粒充分分散，使其保持相互独立状态，促进水泥颗粒的水化，充分激发单位水泥组分的胶结作用，极大程度上改善混凝土的工作性能和力学性能^[5]；当掺量较高时，超分散减缩外加剂在水泥颗粒表面的吸附量已经过饱和，导致混凝土含气量升高，力学性能降低。此外，还可发现当掺量为1.0%时，混凝土的各龄期力学性能均优于未降低胶凝材料用量的C40-2配合比混凝土，尤其是3d和7d早期劈裂抗拉强度分别提高13.67%和7.30%。

2.2.2 超分散减缩剂对混凝土绝热温升的影响

研究超分散减缩外加剂对混凝土绝热温升的影响规律，具体试验结果见表10。由表10分析可知，随着超分散减缩外加剂掺量增加，混凝土的7d和最终绝热温升均不断增加，与同等掺量普通减水剂的混凝土相比，由于胶凝材料降低10kg/m³，掺加超分散减缩外加剂后混凝土7d和最终绝热温升仍降低1.90℃以上。

2.2.3 超分散减缩剂对混凝土体积稳定性和抗裂性能的影响

研究超分散减缩外加剂对混凝土体积稳定性能和抗裂性能的影响规律，具体试验结果分别见图2（a）、（b）和图3（a）、（b）。由图2（a）和图2（b）分析得出，混凝土自收缩和干燥收缩随着超分散减缩外加剂掺量增加而逐渐减小，且均低于均低于掺加普通聚羧酸外加剂的混凝土。分析原因可知：超分散减缩外加剂中含有的多羟基基团和聚醚基团可有效改善混凝土内部孔溶液的表面张力，且超分散组分不仅降低单方混凝土胶凝材料用量，还可在一定程度上提高浆体的保水性能，上述作用协同降低混凝土的自收缩和干燥收缩。此外，从图3（a）和（b）还可看出，随着超分散减缩外加掺量增加，混凝土的初裂时间逐渐延长，而单位面积上的总开裂面积降幅明显，其中当掺量为1.0%，单位面积上的总开裂面积仅为115.8mm²·m^-2（抗裂等级达L-Ⅳ），表明超分散外加剂可降低混凝土的开裂敏感性，提高混凝土的抗裂性能。

综合考虑超分散减缩外加剂对混凝土性能影响规律，确定C40大体积混凝土中超分散减缩外加剂掺量宜控制在1.0%。

2.3 水化温升抑制剂

从本文2.2节中表10中绝热温升试验结果可以看出，虽然超分散减缩外加剂通过降低单方混凝土胶凝材料用量来减小绝热温升，但绝热温升降幅较小，且考虑到实际工程项目承台和锚碇施工均在夏季进行，还需进一步采取措施减小混凝土的绝热温升。因此，本文在C40-6配合比基础上，设定水化温升抑制剂掺量为0%、0.3%、0.6%和0.9%，研究水化温升抑制剂掺量对混凝土性能的影响规律，具体混凝土配合比见表11。

2.3.1 水化温升抑制剂对混凝土水化放热的影响

图4为水化温升抑制剂掺量对浆体早期水化放热速率和水化放热量的影响规律，表12为不同水化温升抑制剂掺量下混凝土绝热温升试验结果。从图4和表12分析可知，水化温升抑制剂降低浆体早期水化放热速率，推迟水化放热温峰出现时间，降低浆体水化早期水化放热量；结合绝热温升试验结果还可看出，水化温升抑制剂并未明显降低浆体最终水化放热量，而是改变浆体早期水化放热历程，其作用结果在于削弱早期水化温升骤增环节，进而减小大体积混凝土早期内外温差和温度应力。

2.3.2 水化温升抑制剂掺量对混凝土工作性能和力学性能的影响

表13为不同水化温升抑制剂掺量下混凝土工作性能和力学性能试验结果。从表13分析可知，水化温升抑制剂对混凝土初始工作性能影响较小，但可减小混凝土坍落度和扩展度的经时损失量，延长初凝和终凝时间；当掺量不超过0.6%时，水化温升抑制剂对各龄期抗压强度影响不明显，当掺量达到0.9%时，早期（3d和7d）抗压强度和劈裂抗拉强度较未掺加时明显降低，尤其3d和7d早期劈裂抗拉强度分别降低22.78%和13.26%。

综合考虑水化温升抑制剂对混凝土性能的影响规律，确定C40大体积混凝土中水化温升抑制剂掺量为0.6%。

2.3.3 水化温升抑制剂掺量对混凝土体积稳定性能和抗裂性能的影响

表14为不同水化温升抑制剂掺量下混凝土的体积稳定性能和抗裂性能试验结果。从表14分析可知，水化温升抑制剂对混凝土各龄期自收缩和干燥收缩影响不明显，但随水化温升抑制剂掺量增加，开裂时间逐渐延长，单位面积总开裂面积减小，其中当水化温升抑制剂掺量为0.6%时，单位面积总开裂面积降至58.6mm²/m²（抗裂等级达到L-Ⅴ），可见水化温升抑制剂可进一步降低混凝土的开裂敏感性，提高混凝土抗裂性能。

3 工程应用

白洋长江公路大桥承台分三次浇筑完成，单次浇筑厚度为2m，宜都侧锚碇扩大基础分别为12块浇筑完成。考虑到上述部位混凝土施工均在夏季，两个标段均购置拌合水冷却装置，实际混凝土生产过程中拌和水温控制在5~10℃，确保混凝土出机温度控制在10~20℃。实际大体积混凝土温控检测结果见表16。从表16中可以看出，在取消通冷却水情况下，混凝土入模温度、内部最高温度和内表最大温差均符合GB50496-2009《大体积混凝土施工规范》要求，混凝土脱模后未见有害温度裂缝和收缩裂缝，有效保证了混凝土的耐久性能。

4 结论

（1）基于密实骨架堆积原理，并通过配合比优化调整，确定了C40低温升抗裂大体积混凝土胶凝材料用量为420kg/m³（其中水泥：粉煤灰：矿粉=4：4：2），超分散减缩外加剂和水化温升抑制剂掺量宜分别控制在1.0%和0.6%，制备出的C40低温升抗裂大体积混凝土7d绝热温升仅为31.87℃，60d自收缩和干燥收缩为227×10^-6和241×10^-6，抗裂等级达到L-Ⅴ。

（2）超分散减缩外加剂通过提高水泥颗粒分散程度，促进水泥水化，增强水泥颗粒间的胶结力，从而提高混凝土的力学性能。在C40大体积混凝土的水胶比、砂率以及强度等级相同时，其单方水泥和胶凝材料用量均降低2.4%以上。

（3）水化温升抑制剂通过改变胶凝浆体早期水化放热历程，显著降低早期绝热温升，但并未影响其最终绝热温升，其中当水化温升外加剂掺量为0.6%时，3d和7d绝热温升较未掺加时可降低2.73℃和1.16℃。

参考文献

[1]苗春 汤俊 缪小星 冯华君.C40大体积混凝土配合比设计及工程应用[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版) 2007(02):249-253.

[2]吕寅. 低温升抗裂大体积混凝土研究与应用[D].武汉理工大学 2012.

[3]丁庆军 黄修林 王红喜 黄成造 景强.采用密实骨架堆积法设计高掺量II级粉煤灰高性能混凝土[J].混凝土 2007(08):7-10.

[4]韦昊奇，林海燕，王玉江，等.水泥增效剂对普通硅酸盐水泥性能的影响[J].硅酸盐通报，2014，（8）：1920-1923.

[5]孔祥明 卢子臣 张朝阳.水泥水化机理及聚合物外加剂对水泥水化影响的研究进展[J].硅酸盐学报 2017 45(02):274-281.

作者简介：刘力（1980-11），男，高级工程师，湖北交投智能检测股份有限公司

单位地址：湖北省武汉市汉阳区知音大道257号中海大厦29楼

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