大体积混凝土配合比设计优化及工程应用

大体积混凝土配合比设计优化及工程应用

武学军1, 武学宾2

青岛鲁建路桥工程有限公司 山东青岛 266000

青岛交发高速公路发展集团有限公司山东青岛266000

摘要：随着我国经济社会持续发展，中国基建持续发力，一大批各式类型房屋交通建设领域重大工程相继推出，大体积混凝土的使用量与应用范围显著提升，这也对相应混凝土结构的稳定性和裂缝控制技术提出了更高的要求。

关键词：大体积；混凝土；配合比；设计优化；工程应用

1原材料及试验设计

1.1原材料

水泥选用普通硅酸盐水泥，采购于济南鑫资源化工有限公司，初凝与终凝时间分别为182min与231min，细度341%，密度为3.06g/cm3。粉煤灰选用低钙型，采购于石家庄泽德矿产品有限公司，细度23%，需水量比为101%，含水率为0.4%，比表面积为400m2/kg。矿渣粉选用S75级，采购于石家庄辉腾矿产品有限公司，需水量比为97.8%，含水率为0.25%，比表面积为375m2/kg。原材料的化学成分见表1。骨料选用河砂，采购于石家庄创耀矿产品有限公司，含泥量为0.3%，表观密度为2650kg/m3，松散堆积密度为1550kg/m3。外加剂采购于济南晴天化工科技有限公司，固含量14.0%，减水率为28.2%，密度为1.05g/cm3。

表1水泥、粉煤灰、矿渣化学成分

1.2试验设计

基于响应面方法的Box-Behnken设计（n维空间二阶模型，图1），在三个水平上选择主要变量来控制大体积混凝土的性能。使用该方法累计进行17组实验，主要包括每条边的中点及用于误差估计的5个中心点。文章以大体积混凝土水灰比（A，0.3~0.5）、粉煤灰掺量（B，0%~20%）、矿渣掺量（C，0%~20%）作为主要研究对象，表2显示了研究的自变量的不同编码及水平变量。

图1Box-Behnken的三维空间变量设计

表2自变量的编码及水平设计

1.3试件制备及试验方法

大体积混凝土的性能测定依据GB/T50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》。依据表1给定的配合比参数进行样品制备，其中骨胶比为5，外加剂掺量为1.0%。首先将称好的骨料、水泥置于混凝土搅拌机内，后在搅拌过程中逐渐加入水、外加剂，并继续搅拌4~5min。后将新鲜混凝土浇筑至150mm的立方体标准试件中。利用采购于济南鑫光试验机制造有限公司生产的电子万能试验机开展抗压强度测定试验。样品水化热的测定依据GBT12959—2008《水泥水化热测定方法》进行，通过热量计算在室温环境下混凝土内温度变化，并计算积蓄及散失热量的总和。

2试验结果分析

2.1测试结果及模型对比

表3展示了基于Box-Behnken设计的大体积混凝土3d、7d的水化热、28d抗压强度的实际值与预测值。表4则以3d水化热为例，对比线性函数与多项函数的拟合效果。使用响应面分析工具建立拟合模型，可以发现3d水化热的全二次拟合项的P值为0.0092，小于0.01。且趋势线拟合程度指标R2大于0.95，具有较好的拟合性。相比较下，一次线性函数、缺项二次及三次函数对于3d水化热的拟合较差。经过方差分析，可以较为明显的比较水灰比、粉煤灰掺量与矿渣掺量的影响强弱性。对于3d水化热而言：粉煤灰掺量＞矿渣掺量＞水灰比；对于7d水化热而言：矿渣掺量＞粉煤灰掺量＞水灰比；对于28d抗压强度而言：水灰比＞矿渣掺量＞粉煤灰掺量。

2.2模型比较及优化

依据上述数据的线性回归方式，得到3d水化热、7d水化热与28d抗压强度的线性回归公式，具体见式（1）~（3）。表5对不同应变量的拟合模型可信度进行了验证，可以发现所建立的全二次项模型的拟合满足实际要求，具有较高的可信度。

表3基于Box-Behnken设计的大体积混凝土试验结果

表43d水化热拟合模型比较

表5拟合模型可信度验证

2.3多因素间相关性比较及最优化

图2（a）~（c）展示了两因素交互作用对大体积混凝土3d水化热的相应曲面，（d）~（f）为7d水化热，（g）~（i）为28d抗压强度。由图2可知，3d、7d水化热表现出较为一致的结论，即随着粉煤灰与矿渣的加入，混凝土样品的水化热出现明显的降低。粉煤灰的活性主要由玻璃体化合物提供，具有一定的火山灰效应，其水化反应速度相对较慢，活性的激发需要较长时间，可有效降低样品早期的火山灰效应。矿渣的性质与粉煤灰类似，但其会在混凝土体系后期发生一定的水化反应。因此在大体积混凝土养护7d后，掺入矿渣对水化热的影响更为明显。当同时加入粉煤灰与矿渣两种外掺料时，样品的水化热下降更为明显，例如当水灰比为0.4，粉煤灰与矿渣掺量均为20%时，3d与7d的水化热仅为220kJ/kg与250kJ/kg，远低于未掺入外掺料的组别。而28d抗压强度的发展则呈现不同的规律，随着水灰比的提高先增大后减小。此外，外掺料的影响对抗压强度的影响也有所差异，由于粉煤灰性质不均，生成的碱激发凝胶强度较水化硅酸钙凝胶强度较低，矿渣的加入可在一定程度上弥补粉煤灰带来的力学性能缺陷。因此在考虑水化热降低的同时也要兼顾力学性能。

图2两因素交互作用对水化热与抗压强度的影响

将三个应变量作为目标优化值，对水灰比、粉煤灰掺量与矿渣掺量进行优化，得到最后配合比为水灰比为0.35，粉煤灰掺量为0.08，矿渣掺量为0.12。预测得到的3d水化热为221.6kJ/kg，7d水化热为248.9kJ/kg，28d抗压强度为47.8MPa。经后续实验研究，实验值与预测值差距小于5%。

2.4工程案例及技术参考

文中所得到的最优配合比已在滨海会展中心工程、滨海文体中心工程总承包(EPC)—嘉兴港区滨海会展中心进行试点应用，实现了较为明显的水化热降低与抗压强度提升效果。具体工程概况为:（1）项目位于浙江省嘉兴平湖市乍浦镇，北侧为中山东路，东侧为黄山路，西侧和南侧为河流。地上拟建行政办公用房，地下为停车库，局部为防空地下室。（2）建筑长146.600m，宽67.700m，高20.700m；地上四层，地下二层;地下二层层高3.9m，地下一层层高5.0m，一层层高6.0m，二层层高5.1m，三四层层高4.8m；主要结构跨度为9.0m、7.0m。建设内容包括审批中心、档案馆、规划展示馆、会议中心及相关附属设施。

3结语

通过响应面法建立大体积混凝土不同龄期的力学性能与水化热间的函数关系，研究双因素交互作用并利用响应面法优化大体积混凝土配合比，并结合工程实例提出相应施工及维护措施，这对保证大体积混凝土抗裂性和耐久性具有重要意义。

参考文献

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